一種高精度應變式扭矩傳感器的制造方法
【專利摘要】一種高精度應變式扭矩傳感器，包括：兩個轉接盤（1）、四根應變柱（2）、應變片（3）、動態應變儀（4）以及數據采集和處理系統（5）；四根應變柱（2）與上下兩個轉接盤（1）固定，應變柱（2）為方柱結構，且每根應變柱上均有兩個半圓形凹槽，對稱的兩根應變柱（2）的半圓形凹槽上方的背面粘貼應變片（3），即共粘貼四個應變片（3）；測試時，一個轉接盤（1）固定，另一個轉接盤（1）中心位置安裝振動源，四個應變片（2）產生的四個應變組成一個全橋；動態應變儀（4）將應變片（3）產生的應變轉化成動態電壓信號，數據采集和處理系統（5）采集所述的動態電壓信號，根據該動態電壓信號得到扭矩。
【專利說明】一種高精度應變式扭矩傳感器
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種高精度應變式扭矩傳感器，可用于對航天器內部微小扭轉擾動的振動信號進行動態測量。
【背景技術】
[0002]目前的航天器大多都屬于大型柔性展開式機構，且帶有大量的光學元件，它們對指向精度和穩定度均提出了很高的要求。另外，在現代航天器姿態控制系統中，反作用輪、單框架力矩陀螺和太陽翼驅動機構等是其控制系統中的重要元件，它們在提供必要的控制動力的同時，也會引起一些有害振動(為簡單起見，下面將上述三種系統統稱為擾動源)。這些擾動主要由飛輪不平衡、軸承擾動、電機擾動、電機驅動誤差等引起的，其中飛輪不平衡是導致飛輪振動的最主要原因，這些擾動力和擾動力矩會降低體太空中精密性儀器的性能指標，因此測量和分析航天器有效載荷擾動的動態特性，對于分析并消除擾動從而提高航天器的姿態控制精度和加強航天器的安全設計有著非常重要的工程意義。
[0003]由于航天器擾動源的擾動很小，個別有效載荷如動量輪在空間三個方向只能產生幾十毫牛頓甚至幾毫牛頓的微弱擾動，要想在具有相對強烈干擾背景噪音的地面實驗室中測量此類擾動十分困難，而其對應傳感器的精度要求非常高。
[0004]目前，國內外尚未見有關此類微小振動測量系統的文獻報導。
【發明內容】
[0005]本發明要解決的技術問題是:克服現有技術的不足，提供一種高精度應變式扭矩傳感器，該傳感器能夠測量并分析航天器運行過程中，擾動源扭轉擾動動態特性，為提高航天器的姿態控制精度和加強航天器的安全設計提供可靠的測試數據。
[0006]本發明要解決其技術問題所采用的技術方案是:一種高精度應變式扭矩傳感器，包括:兩個轉接盤、四根應變柱、應變片、動態應變儀以及數據采集和處理系統；四根應變柱與上下兩個轉接盤固定，應變柱為方柱結構，且每根應變柱上均有兩個半圓形凹槽，對稱的兩根應變柱的半圓形凹槽上方的背面粘貼應變片，即共粘貼四個應變片；測試時，一個轉接盤固定，另一個轉接盤中心位置安裝振動源，四個應變片產生的四個應變組成一個全橋；動態應變儀將應變片產生的應變轉化成動態電壓信號，數據采集和處理系統采集所述的動態電壓信號，根據該動態電壓信號得到扭矩。
[0007]所述的應變柱的材質為鋁質材料。
[0008]本發明與現有技術相比具有以下優點:
[0009](I)本發明通過應變產生電壓信號，對電壓信號進行動態測量，提高了測試的精度，同時可以克服壓電傳感器低頻信號不足的缺點。
[0010](2)本發明所涉及的上下轉接板的尺寸和形狀可以根據實際測試工況決定，使測試范圍擴大。
[0011](3)本發明所涉及的應變柱為方柱結構，其上有兩個半圓形凹槽，當應變柱受力時，由于圓弧效應使得半圓形凹槽對應的平面上產生的應變一個為正一個為負，因此兩個應變柱的四個應變片可以組成一個全橋電路，將電壓信號放大，因此可提高測試精度。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0012]圖1為本發明的結構示意圖。 【具體實施方式】
[0013]本發明提供一種高精度應變式扭矩傳感器，其特征在于包括:兩個轉接盤1、四根應變柱2、應變片3、動態應變儀4以及數據采集和處理系統5 ；
[0014]如圖1所示，四根應變立柱2通過螺栓與上下兩個轉接板I進行連接固定，應變柱2為方柱結構，且每根應變柱同一側面上均有兩個半圓形凹槽，對稱的兩根應變柱2的半圓形凹槽上方的背面粘貼應變片3，即共粘貼四個應變片3 ;當將兩個轉接板I中的一個進行固定，在另一個轉接板上施加一個扭矩時(振動源安裝在該轉接板的中心處)，四根應變立柱均發生變形；由于圓弧效應每根立柱都會在半圓凹槽對應的位置(即圖示應變片的粘貼位置)產生一正一負的應變；因此四個應變片有兩個是正應變，兩個是負應變；兩個正應變和兩個負應變剛好可以組成一個全橋；根據全橋的原理可將四片應變片進行合理布局，因此可以實現電壓信號的放大；將應變片連接到動態應變儀，通過數據采集設備采集動態電壓信號，經過處理即可得到相應的扭矩。將擾振源安裝在負載盤I上后，在其幾何中心處施加一個已知的扭矩M，此時動態應變儀4采集到I個電壓信號，并通過信號線傳輸到數據采集和處理系統5，將這個電壓信號記為AU。令M=Wi Λ U，其中W則為轉換系數，由于M和
AU已知，則可求得轉換矩陣W=I ;當擾動源產生振動的時刻，動態應變儀4采集電壓信
AU
號即Λ U，此時擾動源的扭矩則可求出，其表達式為:M=W Λ U，其中W為已求得的轉換系數。
[0015]需要注意的是:轉接板的形狀和尺寸可以根據具體的測試工況決定。應變片必須與應變立柱進行牢固粘貼。四根應變立柱的尺寸和形狀盡量一致，以提高測試精度。
[0016]本發明未詳細說明部分屬于本領域技術人員公知常識。
【權利要求】
1.一種高精度應變式扭矩傳感器，其特征在于包括:兩個轉接盤(I)、四根應變柱(2)、應變片(3)、動態應變儀(4)以及數據采集和處理系統(5);四根應變柱(2)與上下兩個轉接盤(I)固定，應變柱(2)為方柱結構，且每根應變柱上均有兩個半圓形凹槽，對稱的兩根應變柱(2)的半圓形凹槽上方的背面粘貼應變片(3)，即共粘貼四個應變片(3);測試時，一個轉接盤(I)固定，另一個轉接盤(I)中心位置安裝振動源，四個應變片(2)產生的四個應變組成一個全橋；動態應變儀(4 )將應變片(3 )產生的應變轉化成動態電壓信號，數據采集和處理系統(5)采集所述的動態電壓信號，根據該動態電壓信號得到扭矩。
2.根據權利要求1所述的一種高精度應變式扭矩傳感器，其特征在于:所述的應變柱的材質為鋁質材料。
【文檔編號】G01L3/22GK103471751SQ201310446692
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年9月26日 優先權日:2013年9月26日
【發明者】王成倫, 陳江攀, 李果, 程偉, 楊文濤, 于雪梅, 劉鳳晶, 趙煜, 王光遠, 沈中 申請人:北京空間飛行器總體設計部, 北京航空航天大學