一種扭矩傳感器定度實驗裝置的制作方法

本發明涉及本發明涉及測量校準技術領域，尤其涉及一種扭矩傳感器定度實驗裝置。

背景技術：

扭矩傳感器的主要作用是用于檢測軸在運轉過程當中所受到的扭矩值得大小。而在使用扭矩傳感器之前，對其進行校準和定度，是保證一個扭矩傳感器是否能正常工作，是否能工作穩定的重要保障。所謂校準就是檢測扭矩傳感器自身所測的扭矩是否準確，定度就是指對傳感器以及采集器整個系統進行標定，確定整個系統的線性工作范圍。

校準就是確保傳感器與采集系統連接后所測量值的準確性；定度就是為了確定傳感器的靈敏度K，靈敏度就是傳感器輸出量△y與輸入量△x之間的比值。對于靜態的傳感器，我們希望傳感器的靈敏度K為一個常數，傳感器的輸入與輸出呈線性關系，因為我們在做數據采集的時候是通過輸出的量△y來確定輸入的量△x，若K值不斷變化，所測的值也將變得不宜測量。所以定度的關鍵在于確定K值，以及傳感器的線性范圍。其具體測試方式是在扭矩輸入端輸入一個固定的扭矩值，然后通過應變軸中的應變片阻值變化產生一個信號，采集器采集，輸出到計算機上進行數據處理得出一個應變值，這就得到了一組數據，再測試多組數據，看其是否線性。這就是扭矩傳感器的定度理論。

現有的各種扭矩定度傳感器，有各種不同的定度方式，申請號為CN201510881387.0的中國專利《長軸組件扭矩標定裝置及使用該裝置的扭矩標定方法》、申請號為CN201120449770.6的中國專利《一種通用型精確扭矩測量標定裝置》、申請號為CN201520234555.2的中國專利《一種扭矩傳感器靜態標定試驗臺》、申請號為US201314410446的美國專利《TORQUE WRENCH CALIBRATION》等文獻都提出了一些辦法，能在一定程度上對扭矩傳感器進行標定。但上述實驗裝置大都采用單邊施加力或兩端向下施加力的方式進行測量，對應變軸會施加一個彎曲拉力，導致測量結果不準確；采用砝碼對單側施加力，無法對應變軸施加更大的應變力，測試范圍較小。

技術實現要素：

針對上述問題，本發明的目的在于克服現有技術存在的不足，提供一種扭矩傳感器定度實驗裝置。

本發明的技術方案是這樣實現的：

一種扭矩傳感器定度實驗裝置，包括機架、滑軌、滑軌車、軸承端蓋、深溝球軸承一、導輪支架、導輪、導輪軸、鎖緊螺母、深溝球軸承二、應變軸、聯軸器一、聯軸器二、鉸制孔螺栓、沉孔螺釘、扭矩傳感器、砝碼掛盤、砝碼、鋼絲繩、扭矩施加桿、吊環、鋼桿、導輪支架、傳感器支架，以及電腦；所述傳感器支架、應變軸支架和導輪支架分別依次安裝在機架上；導輪軸兩端安裝在導輪支架上端，通過鎖緊螺母軸向固定，導輪軸為階梯軸，安裝在導輪支架上，導輪軸上安裝深溝球軸承二，深溝球軸承二外部安裝導輪；所述應變軸為一根中部大兩邊小的階梯變徑長軸，兩端通過深溝球軸承一安裝在應變軸支架頂部，深溝球軸承一兩端通過軸承端蓋固定和密封；所述應變軸兩端設有尺寸不一致的鍵槽，鍵槽內安裝平鍵，應變軸一端連接固定扭矩施加桿，另一端連接聯軸器一，聯軸器一和聯軸器二之間通過鉸制孔螺栓連接固定，聯軸器二連接扭矩傳感器，扭矩傳感器左端設有軸段，左端的軸段和扭矩傳感器之間通過沉孔螺釘連接，軸段連接聯軸器二，扭矩傳感器右端連接傳感器支架側邊突出部分，扭矩傳感器下部的外殼安裝于傳感器支架上表面；扭矩施加桿一端連接鋼桿，另一端連接鋼絲繩，鋼桿下端設有砝碼掛盤，鋼絲繩向上繞過導輪并沿導輪另一側下垂，下垂的鋼絲繩末端設有砝碼掛盤；所述應變軸上貼有應變片。

所述電腦上有數據處理系統，分別連接扭矩傳感器(顯示扭矩值)和采集器，采集兩者傳輸過來的信息，并進行數據分析比對。

進一步的，所述滑軌與導輪到應變軸的方向平行映照到機架上表面，滑軌車安裝于導輪支架底部，滑軌車上帶有驅動和剎車機構，并放置于滑軌上，由電腦控制其實時位置。

進一步的，所述扭矩施加桿采用硬度高質量輕的7075鋁合金材料，其結構為兩端尖中部寬形狀，尖端設有掛銷軸，中心部位設有開有鍵槽的軸孔。

進一步的，所述導輪支架上端采用蓋型設計，既上部蓋在下部上，下部和上部分別有半個圓孔，貼合在一起組成整圓孔，用螺栓連接到一起。

進一步的，所述應變片為電阻式應變片，其形狀為長方形，邊緣與水平面傾斜45°粘貼在應變軸側面。

進一步的，所述應變片設有4個，粘貼在應變軸一側，4個應變片圍成正方形，上下沿軸線對稱，4個應變片之間采用電路連接，構成全橋接法，4臂工作。

進一步的，所述應變軸直徑小于扭矩傳感器直徑，所述應變軸直徑優選為扭矩傳感器直徑的一半。

進一步的，所述砝碼掛盤設有配套用的標準砝碼，砝碼上端設有凸起，下端設有凹陷，凸起和凹陷尺寸相配，在安放到砝碼掛盤上時，上下相鄰砝碼之間的凸起和凹陷可軸向貼合固定。

本發明的優點在于：

1、可以使施加到應變軸上的最大扭矩值增大到原來的兩倍；

2、兩邊加相同質量的砝碼，可以抵消單邊施加扭矩對應變軸上造成的豎直方向的力，使施加到應變軸上的力矩為純扭矩；

3、采用滑軌結構，當扭矩施加桿發生旋轉的時候，滑軌可帶動導輪支架隨之移動，確保鋼絲繩始終與水平面垂直。

附圖說明

圖1是本發明的結構示意圖右視圖；

圖2是本發明的結構示意圖主視圖；

圖3是本發明的結構示意圖俯視圖；

圖4是扭矩施加桿左半段結構示意圖；

圖5是導輪支架的結構示意圖左視圖；

圖6是應變軸的受力情況示意圖；

圖7是砝碼結構示意圖主視圖；

圖8是砝碼結構示意圖俯視圖；

圖9是惠斯通電橋連接關系圖；

圖10是電阻式應變片在應變軸上的貼片示意圖；

圖11是數據采集流程示意圖；

圖12是扭矩施加桿轉動前后的受力示意圖；

圖13是實施例中施加扭矩過程中輸出(顯示)扭矩值的變化圖。

圖中：1、機架；2、滑軌；3、滑軌車；4、軸承端蓋；5、深溝球軸承一；6、導輪支架；7、導輪；8、導輪孔；9、導輪軸；10、鎖緊螺母；11、深溝球軸承二；12、應變軸；13、聯軸器一；14、聯軸器二；15、鉸制孔螺栓；16、沉孔螺釘；17、扭矩傳感器；18、砝碼掛盤；19、砝碼；20、鋼絲繩；21、扭矩施加桿；22、吊環；23、鋼桿；24、應變軸支架；25、傳感器支架。

具體實施方式

下面結合附圖中的實施例對本發明作進一步的詳細說明，但并不構成對本發明的任何限制。

如圖1至圖9所示，一種扭矩傳感器定度實驗裝置，包括機架1、滑軌2、滑軌車3、軸承端蓋4、深溝球軸承一5、導輪支架6、導輪7、導輪孔8、導輪軸9、鎖緊螺母10、深溝球軸承二11、應變軸12、聯軸器一13、聯軸器二14、鉸制孔螺栓15、沉孔螺釘16、扭矩傳感器17、砝碼掛盤18、砝碼19、鋼絲繩20、扭矩施加桿21、吊環22、鋼桿23、應變軸支架24、傳感器支架25，以及電腦；所述傳感器支架25、應變軸支架24和導輪支架6分別依次安裝在機架1上；導輪軸9兩端安裝在導輪支架6上端，通過鎖緊螺母10軸向固定，導輪軸9中部安裝在深溝球軸承二11中部，深溝球軸承二11外部安裝導輪7；導輪7上設有導輪孔8；所述應變軸12為一根中部大兩邊小的階梯變徑長軸，兩端通過深溝球軸承一5安裝在應變軸支架24頂部，深溝球軸承一5兩端通過軸承端蓋4固定和密封；所述應變軸12兩端設有尺寸不一致的鍵槽，鍵槽內安裝平鍵，應變軸12一端連接并固定扭矩施加桿21，另一端連接聯軸器一13，聯軸器一13和聯軸器二14之間通過鉸制孔螺栓15連接固定，聯軸器二14連接扭矩傳感器17，扭矩傳感器17右邊連接傳感器支架25側邊突出部分，扭矩傳感器17下部的外殼安裝于傳感器支架25上表面，扭矩傳感器17中部外殼為圓形，上下分別設有一段方形外殼；扭矩施加桿21一端連接鋼桿23，另一端連接鋼絲繩20，鋼桿23下端設有砝碼掛盤18，鋼絲繩20向上繞過導輪7并沿導輪7另一側下垂，下垂的鋼絲繩23末端設有砝碼掛盤18。所述滑軌2與導輪7到應變軸的方向平行映照到機架1上表面，滑軌車3安裝于導輪支架6底部，滑軌車3上帶有驅動和剎車機構，并放置于滑軌2上，由電腦控制其實時位置。

如圖4所示，所述扭矩施加桿21采用硬度高質量輕的7075鋁合金材料，其結構為兩端尖中部寬形狀，尖端設有掛銷軸，中心部位設有開有鍵槽的軸孔。

如圖5所示，所述導輪支架6上端采用蓋型設計，下部和上部分別有半個圓孔，貼合在一起組成整圓孔，用螺栓連接到一起。

所述應變軸12直徑小于扭矩傳感器17直徑，所述應變軸12直徑優選為扭矩傳感器17直徑的一半。

所述應變片為電阻式應變片，其形狀為長方形，邊緣與水平面傾斜45°粘貼在應變軸12側面。如圖10所示，所述應變片設有4個，貼合在應變軸一側，4個應變片圍成正方形，上下沿軸線對稱，4個應變片之間采用電路連接，構成惠斯通電橋。

如圖7、圖8所示，所述砝碼掛盤18設有配套用的標準砝碼19，每個砝碼19為標準砝碼，砝碼19上端設有凸起，下端設有凹陷，凸起和凹陷尺寸相配，在安放到砝碼掛盤18上時，上下相鄰砝碼19之間的凸起和凹陷可軸向貼合固定。

所述扭矩傳感器定度實驗裝置的控制由電腦完成，電腦上采用LabVIEW軟件，其數據采集流程如圖11所示。

本發明的工作流程是，將扭矩傳感器定度實驗裝置連接安裝，應變片按照圖9方式粘貼在應變軸12上，連接好應變片，由電橋調理電路連接到數據采集器上，再連接到電腦上，同時扭矩傳感器17也連接到電腦上(圖1的扭矩傳感器17左上方有菱形插孔，為數據線插孔)；將滑軌滑動到適宜位置，一端連接鋼桿23，另一端連接鋼絲繩20到扭矩施加桿21上并將鋼絲繩20繞過導輪7下垂到另一側，調節扭矩施加桿21到水平位置；連接調整完成后啟動測試程序，放入所需的砝碼19到兩邊的砝碼掛盤18上，開始進行測試，其施加力的過程如圖12所示；當扭矩施加桿21發生傾斜的時候，滑軌車3在電腦控制下帶動導輪支架6沿滑軌2移動，確保鋼絲繩20與扭矩施加桿21垂直，保證施加力的方向垂直向上；將應變軸12施加定值扭矩，通過應變軸12上應變片，將扭轉信號轉變為對應的電信號；模擬電橋對應變片上的電信號進行處理并輸出一個新的信號；通過接線端子將模擬電橋上的信號接入采集器，采集器進行處理后，該信號再輸入至電腦中，用LabVIEW調用此信號進行顯示，并通過圖表的方式進行顯示。

如圖9所示，應變片測應變的基本電橋為惠斯通電橋，其中U_E為給定初始輸入電壓，測量的輸出電壓為U_L，R₁、R₂、R₃、R₄為4個應變片的阻值。

通過電學計算可以得到得到:

$U_L=U_E\×\frac{R_1{R}_4-R_2{R}_3}{(R_1+R_2)\×(R_3+R_4)}---\left(1\right)$

當R₁·R₄＝R₂·R₃時，U_L＝0，此時電橋處于平衡狀態。而當彈性元件發生應變時，應變片敏感柵的阻值發生改變，其增量為△R₁，△R₂，△R₃，△R₄，帶入式1可以得到：

$U_L=U_E\×\frac{R_1{R}_2}{{(R_1+R_2)}^2}(\frac{{\mathrm{\ΔR}}_1}{R_1}-\frac{{\mathrm{\ΔR}}_2}{R_2}-\frac{{\mathrm{\ΔR}}_3}{R_3}+\frac{{\mathrm{\ΔR}}_4}{R_4})---\left(2\right)$

若采用4個相同的應變片，那么R₁＝R₂＝R₃＝R₄。帶入式2，得到：

$U_L=\frac{U_E}{4}\×(\frac{{\mathrm{\ΔR}}_1}{R_1}-\frac{{\mathrm{\ΔR}}_2}{R_2}-\frac{{\mathrm{\ΔR}}_3}{R_3}+\frac{{\mathrm{\ΔR}}_4}{R_4})---\left(3\right)$

若4個應變片的靈敏度K均相同，有△R/R＝ε，帶入式3可以得到：

$U_L=\frac{U_{E}K}{4}\×({\mathrm{\ϵ}}_1-{\mathrm{\ϵ}}_2-{\mathrm{\ϵ}}_3+{\mathrm{\ϵ}}_4)---\left(4\right)$

式中K應變片的靈敏度，

當應變信號輸入電腦中，在電腦上輸出的信號為ε_讀，其值為：

ε_讀＝(ε₁-ε₂-ε₃+ε₄)＝4U_L/U_EK (5)

其中ε_讀為電腦所讀出的應變數據。

以采用4個應變片來采集測扭矩為例，所粘貼的4個應變片，起到了給惠斯通電橋提供了R₁和R₂、R₃、R₄四個電阻的作用，將應變片R₁、R₂、R₃、R₄沿應變軸12軸線方向45°方向粘貼組成全橋接入儀器，由R₁＝R₂，可知ε₁＝-ε₂，同理ε₃＝-ε₄，把ε₁＝-ε₂帶入式7中，可以得到：

4ε₁＝ε_讀 (6)

則ε₁＝ε_讀/4；

由此可通過讀出的應變值計算得到應變R₁的應變值ε₁；

根據圖9所示，

ε₁＝σ₁/E-μσ₂/E＝τ(1+μ)/E (7)

其中σ為正應力，τ為切應力，μ為泊松比，E為彈性模量。

圓軸扭轉的切應力：

τ＝M/W_p (8)

其中M為圓軸所受扭矩，W_p為扭轉截面系數。

對圓軸而言，其中W_p為圓軸扭轉截面系數，計算公式為：

W_P＝πD³/16 (9)

其中D為圓軸的直徑。

這樣就可以求出該軸所受到的扭矩值為：

M＝τπD³/16 (10)

式6帶入式7可以得到剪切應力τ的表達式為：

τ＝ε_讀E/4(1+μ) (11)

把式11帶入式10，可以得到：

M＝ε_讀EπD³/64(1+μ) (12)

采用LabVIEW對上述方法采集到的數據進行分析，并導出扭矩值的圖表，如圖13所示。

以上所述僅是本發明的優選同時實施方式，應當指出，本發明并不局限于上述方式，在不脫離本發明原理的前提下，還能進一步改進，這些改進也應視為本發明的保護范圍。