静动态扭矩传感器原理_静动态扭矩传感器结构图

　　传感器的选择一般的应变式动态扭矩传感器主要是集流环式， 它的主要结构是传感器中间有一根回转运动的扭力轴，并且在扭力轴上贴有应变片。为了将应变信号输出，碳刷集流环方式信号输出的动态扭矩传感器往往采用碳刷与集流环形式， 将应变信号从运动的扭力轴传送到固定的外壳上的碳刷集环方式信号输出的动态传感器。由于集流环和电刷之间是相互运动， 因而有可能产生跳动和共振现象， 使电刷和集流环产生急速磨损，缩短了电刷与集流环的使用寿命， 并且增加了电刷与集流环之间的接触电阻， 影响了信号的输出质量。根据有关资料介绍， 银镍合金集流环和银石墨电刷的使用寿命一般在3 ×108 —6 ×108 转之间。根据使用转速情况不同， 动态扭矩传感器的使用寿命一般在半年至一年半之间。以上讲的是实验室寿命， 实际上使用寿命有可能更短些。为了解决这个问题，提出采用静动态圆管形扭矩传感器的设计方案。

　　静动态扭矩传感器的结构原理

　　在固定不动的套管式传感器2 （ 外壳） 上贴有应变片，而旋转的传动轴1 通过固定不动的套管式传感器2 ，传动轴1 的一端与变速箱6 内的行星齿轮系或步进电机7 的转子连成一体， 另一端与扭矩负载相连; 套管式传感器2 的一端与变速箱6 、步进电机7 的外壳（定子） 连成一体，另一端由套管式传感器2 的端部与机架固定。当套管式扭矩传感器2 内的传动轴1 ，在步进电机7 的带动下产生旋转运动时， 此时， 当传动轴1 的另一端受到扭矩负载时， 而步进电机7 的转子必然产生一个大小相等， 方向相反的作用力传递给步进电机7 的定子（外壳） 上， 步进电机7 的外壳再将这个力传递给变速箱6 的外壳， 变速箱6 外壳再将这个力传递给套管式扭矩传感器2 ，使套管式扭矩传感器2 的应变片产生应变信号， 然后直接将这个信号从接线盒8 上输出，达到利用静态的、不运动的套管式扭矩传感器， 测出运动中或运动后的扭矩大小的目的。

　　传感器结构设计及结构图

　　在这里必须指出的是， 在套管式扭矩传感器2 的外壳与变速箱6 及步进电机7 的外壳（定子） 相连的方，必须采用圆周端面齿相连的方式。外面用细牙螺纹将两个机件紧紧相连， 以消除机件在运动时产生的微量角度位移， 以防止套管式扭矩传感器的上应变片信号测量不准。可以看出，利用本方案设计的静动态扭矩传感器， 无接触式电刷2集流环的影响， 从而可以达到提高扭矩传感器的使用寿命，并且简化制造过程， 不但能解决旋转轴的扭矩测量问题， 而且可以方便的解决各种动态扭矩螺栓装配机的扭矩控制和测量问题。

　　静动态扭矩传感器原理对圆管形扭力轴的应变：

　　ξ45°= -ξ135°=8 M/［（π/ d3）G］［1/（1 –d４0/ d４）］对圆柱管形扭力轴的外径d：

　　式中：α为圆管形扭力轴的内、外径之比α= d0/ d; M 为额定的工作扭矩， N·m G 为材料的弹性模量， Pa d 为扭力轴的外径， m ［τ］为扭力轴的材料的许可应为力， Pa （N/ m2） 。扭力轴材料的许可应力［τ］一般可取材料抗拉强度σb 的10 %～20 % 。扭力轴的直径确定以后， 可按扭力轴变形角υ的要求，计算扭力轴的工作长度。扭力轴的变形角一般取υ≈015°～1°之间， 约0101rad～0104rad 之间。

　　对圆管形扭力轴的长度：

　　式中：υ为扭力轴的扭转变形角。然后再根据以下公式求出圆管形扭矩传感器的内径d0= ad 最后根据以上公式求出圆管形扭矩传感器扭力轴的工作长度L 。经过反复的校对和计算， 画出草图， ，经过静校及使用， 最后才能确定圆管形扭矩传感器的扭力轴的各部分尺寸套管式扭矩传感器的材料一般可以选用Cr12MoV 或0Cr17Ni4Cu4Nb 。

　　圆管形扭矩传感器的静校方法

　　1、只要在圆管形扭矩传感器的两端安装上输入输出部分的连接装置， 在输入输出部分的连接装置上可以施加砝码或使用标准扭矩传感器施加标准扭矩， 就可以对圆管形扭矩传感器进行校正。一般按国家检定规程对圆管形扭矩传感器进行检定。

　　2、静动态扭矩传感器取消了电刷和集流环， 因此粘贴在试件表面上的应变片的使用寿命就是传感器的使用寿命。在恒定幅值的应变力作用下可以连续不断的工作，而不产生疲劳损坏的循环次数， 就是应变片的使用寿命。据有关资料介绍应变片在500Hz 的动载荷作用下，循环次数可以达到106 ～107 之间。在扭矩传感器使用过程中，一般交变载荷使用的非常少。与电刷2集流环式扭矩传感器相比， 如果按时间计算无电刷2集流环式传感器使用寿命可达2～3 年以上， 与电刷集流环式扭矩传感器相比可以提高使用寿命2～3 倍以上。