模块4——力与扭矩检测

1、模块模块4 力与扭矩检测力与扭矩检测主要内容：单元1 电阻应变式力检测单元2 光电编码器式扭矩检测 力是物体之间的一种相互作用，而扭矩是使物体发生转动的力。 力和扭矩的测量需要通过力传感器和扭矩传感器来完成，力及扭矩传感器是将各种力学量、扭矩量转换为电信号的器件。 例如在钢铁工业生产中，安装在大型轧钢机上的力传感器，可以测定轧制力，并提供进轧与自动控制钢板厚度的信号；在桥梁建设工程中，测力传感器可以检测斜拉桥上的斜拉绳的应变，以便调节钢丝绳的长度，使各绳受力均匀。模块模块4 4 力与扭矩检测力与扭矩检测 【引导语引导语】 1力的基本概念 力对物体的作用表现为动力效应和静力效应两种形式。动力效应

2、是在外力作用下使受力物体获得加速度，改变物体的运动状态；静力效应是在外力作用下使受力物体发生弹性形变，在物体内部产生应力。 按力的性质可以把力分为重力、应力、电磁力、弹性力、惯性力、膨胀力、摩擦力等；按照力的作用效果可分为拉力、压力、动力、阻力等。 力与质量和加速度的关系：Fma, 单位为牛顿（N）。2力的检测方法 按检测原理分类，常用的力的检测方法可分为力平衡法、位移法、频率法和物理效应法等 。模块模块4 4 力与扭矩检测力与扭矩检测 【背景知识背景知识】 常用的力的检测方法 模块模块4 4 力与扭矩检测力与扭矩检测 【背景知识背景知识】 3扭矩的概念 扭矩又称为力矩或转矩，是由一个不通过旋

3、转中心的力对物体形成的，是力和力臂的乘积。在国际单位制（SI）中，扭矩的计量单位为牛顿米（Nm）工程技术中也曾用过公斤力米（kgm）等作为扭矩的计量单位。 静态扭矩是指扭矩值不随时间变化或变化很小、很缓慢的扭矩。静态扭矩包括静止扭矩、恒定扭矩、缓变扭矩和微脉动扭矩。 动态扭矩是指扭矩值随时间变化很大的扭矩。动态扭矩包括振动扭矩、过渡扭矩和随机扭矩三种。模块模块4 4 力与扭矩检测力与扭矩检测 【背景知识背景知识】 4扭矩的测量方法 根据扭矩测量的基本原理分为平衡力法(反力法)、传递法(扭轴法)和能量转换法等三种类型，其中，运用传递法进行扭矩测量的仪器种类最多，应用也最广泛。 （1）平衡力法 通

4、过测量机体上的平衡力矩来确定动力机械主轴上的工作扭矩的方法，也叫作反力法。 （2）传递法 被测系统在受到扭矩作用时，利用弹性元件在传递扭矩时所产生的变形、应变、应力等物理参数的变化与扭矩大小的对应关系来测量扭矩的方法。常用弹性元件为扭转轴。模块模块4 4 力与扭矩检测力与扭矩检测 【背景知识背景知识】 4扭矩的测量方法 （3）能量转换法 依据能量守恒定律，通过测量对应力矩大小而变化的其他形式能量如电能、热能参数来测量旋转机械的机械能，进而求得扭矩的力法称为能量转换法。从方法上讲，能量转换法实际上就是对功率和转速进行测量的方法。 一般情况下，用能量转换法对被测系统进行扭矩测量属于间接测量，而平衡

5、力法和传递法属于直接测量。显然，直接测量精度高于间接测量且简单方便，此外平衡力法不能用于动态扭矩的检测，因此在进行扭矩测量时应首先选择传递法。 模块模块4 4 力与扭矩检测力与扭矩检测 【背景知识背景知识】 力是最重要的物理量之一，物理学意义的力是导致自由物体的速度、方向或外型变化的一种影响。 力也可以借由直觉的概念来描述，例如推力或拉力，这可以导致一个有质量的物体改变速度（包括从静止状态开始运动），即是去加速它，或导致一个可弯曲的物体形变。 在生产实践中所有机械相关机构的运动必然伴随着力的作用。因此，在生产实践中机械力的测量是必不可少的，例如，对于许多控制系统来说，正确的控制必须基于正确地感

6、知作用力。目前，利用应变片电测技术对应力、应变、拉压力、液体压力等物理量进行电测量已广泛应用于各行各业各领域。 单元单元1 1 电阻应变式力检测电阻应变式力检测 【问题引入问题引入】 单元单元1 1 电阻应变式力检测电阻应变式力检测 【问题引入问题引入】 桥梁、隧道的应变测量 一般常用的力传感器是传感器中的敏感元件、传感元件和测量转换电路这三个部分组合最为典型的一种传感器，它由对力敏感的弹性敏感元件、能够将应变或位移转换为电参量的传感元件、以及将电参量转换为电压或电路的测量转换电路组成。 现在工业场合最常使用的是利用电阻应变效应，采用电阻应变片进行力的测量。 单元单元1 1 电阻应变式力检测电

7、阻应变式力检测 【问题分析问题分析】 弹性敏感元件电阻应变片测量转换电路单元单元1 1 电阻应变式力检测电阻应变式力检测 【问题分析问题分析】 1弹性敏感元件变形 ：物体因外力作用而改变原来的尺寸或形状弹性变形：外力去掉后能完全恢复其原来的尺寸和形状的变形弹性元件：具有弹性变形这类特性的物体弹性敏感元件：在传感器中用于测量的弹性元件单元单元1 1 电阻应变式力检测电阻应变式力检测 【问题分析问题分析】 （1）弹性敏感元件的基本特性刚度 dxdFxFkx0lim灵敏度 kdFdxK/1灵敏度为常数，此弹性特性是线性。例：木块刚度小，铁块刚度大弹性特性曲线图 单元单元1 1 电阻应变式力检测电阻应

8、变式力检测 【问题分析问题分析】 （2）弹性敏感元件的形式弹性敏感元件的形式 变换力变换压力等截面轴 环状弹性敏感元件悬臂梁扭转轴 弹簧管 波纹管 等截面薄板 波纹膜片和膜盒 薄壁圆筒和薄壁半球 单元单元1 1 电阻应变式力检测电阻应变式力检测 【问题分析问题分析】 2电阻应变效应导体或半导体材料受力机械变形电阻值发生变化2rlAlR 由电工学知，有一长度为 l、截面积为A、半径为 r、电阻率为 的金属单丝，阻值为:金属丝受拉时，l变长、r变小，导致R变大 。单元单元1 1 电阻应变式力检测电阻应变式力检测 【问题分析问题分析】 2电阻应变效应xRKRR实验证明K应变片灵敏度。其中金属应变片灵

9、敏度在23.6左右；而半导体灵敏度可达在100以上。应变效应原理单元单元1 1 电阻应变式力检测电阻应变式力检测 【问题分析问题分析】 3电阻应变片的测量转换电路 在应变式传感器中，最常用测量转换电路的是电桥电路，按电源性质不同可有交流电桥、直流电桥两类；按桥臂工作数量可分为单臂工作桥、半桥和全桥。桥式测量转换电路 电桥的一个对角线接入电源电压Ui。另一个对角线为输出电压Uo，输出电压Uo为： 443121RRRURRRUUIIo单元单元1 1 电阻应变式力检测电阻应变式力检测 【问题分析问题分析】 3电阻应变片的测量转换电路 132401423R RR REERRRRy()()平衡条件423

10、1RRRR单元单元1 1 电阻应变式力检测电阻应变式力检测 【问题分析问题分析】 电桥的接法 单臂单臂 半桥半桥全桥全桥单元单元1 1 电阻应变式力检测电阻应变式力检测 【问题分析问题分析】 电桥类型电桥类型灵敏度灵敏度非线性误差非线性误差各桥臂典型电阻值各桥臂典型电阻值单臂桥单臂桥Ui /4R/2R1= R0 +RR2=R3=R4 =R0半半桥桥第一类第一类差动桥差动桥Ui /20R1=R0+R，R2=R0RR3=R4 =R0第二类第二类差动桥差动桥Ui /2R2/4R1=R0+R，R4=R0RR2=R3 =R0对臂桥对臂桥Ui /2R/2R1=R3=R0+RR2=R4=R0全桥全桥Ui 0

11、R1=R3=R0+RR2=R4=R0R各类电桥的性能比较表 单元单元1 1 电阻应变式力检测电阻应变式力检测 【问题分析问题分析】 4电阻应变片的温度补偿 补偿块补偿法)(422111RRRRRUUttio补偿块温度补偿示意图1试件 2补偿块R1试件受力后应变片R1产生的电阻增量； R1t、R2t由温度变化引起的R1、R2的电阻增量。 试件与补偿块必须同质同温单元单元1 1 电阻应变式力检测电阻应变式力检测 【问题分析问题分析】 4电阻应变片的温度补偿 全桥电路同样能克服温漂。 桥路自补偿以第一类差动桥为例，当R1和R2处于相同的温度场中时，则RRRRt01RRRRt02043RRR设 0RR

12、RtRR0而经推到可得： RIouU2单元单元1 1 电阻应变式力检测电阻应变式力检测 【知识链接知识链接】 1变换力的弹性敏感元件柱形弹性元件 ESF单元单元1 1 电阻应变式力检测电阻应变式力检测 【知识链接知识链接】 1变换力的弹性敏感元件环形弹性元件 较小力F应变 单元单元1 1 电阻应变式力检测电阻应变式力检测 【知识链接知识链接】 1变换力的弹性敏感元件悬臂梁悬臂梁是一端固定另一端自由的弹性敏感元件。悬臂梁是一端固定另一端自由的弹性敏感元件。力力 F应变应变 或或 力力 F位移位移 x 单元单元1 1 电阻应变式力检测电阻应变式力检测 【知识链接知识链接】 2电阻应变片的结构类型

13、电阻应变片可分为金属应变片和半导体应变片。前者可分为金属丝式、箔式、薄膜式三种 。 金属丝式应变片使用最早，有纸基、胶基之分。常见的几种应变片1衬底 2应变丝或半导体 3引出线 4焊接电极 5外引线 单元单元1 1 电阻应变式力检测电阻应变式力检测 金属电阻丝应变片结构示意图 1-引出线；2-覆盖层；3-基底；4-电阻丝 【知识链接知识链接】 2电阻应变片的结构类型l 称应变片的 标距或工作基长b称应变片的工作宽度bl称应变片的规格金属丝式电阻应变片单元单元1 1 电阻应变式力检测电阻应变式力检测 通过光刻、腐蚀而成散热条件好电流密度、灵敏度高可制任意形状。【知识链接知识链接】 2电阻应变片的

14、结构类型箔式应变片单元单元1 1 电阻应变式力检测电阻应变式力检测 【知识链接知识链接】 2电阻应变片的结构类型薄膜式应变片用真空沉积法制作薄膜式应变片 单元单元1 1 电阻应变式力检测电阻应变式力检测 【知识链接知识链接】 2电阻应变片的结构类型半导体应变片半导体应变片实物图 单元单元1 1 电阻应变式力检测电阻应变式力检测 【知识链接知识链接】 参数名称参数名称电阻电阻灵敏度灵敏度电阻温度系电阻温度系数数1/1/0 0C C极限工作温极限工作温度度0 0C C最大工作电最大工作电流流mAmAPZ-120PZ-120型型1201.92.12010-6-104020PJ-120PJ-120型型

15、1201.92.12010-6-104020BX-200BX-200型型2001.92.2 -306025BA-120BA-120型型1201.92.2-3020025BB-350BB-350型型3501.92.2-3017025PBD-1KPBD-1K型型100010%1405% 0.4% 6015PBD-120PBD-120型型12010%1205% 0.2% 6025应变片主要技术参数 可根据被粘贴材料的线膨胀系数进行自补偿加工 单元单元1 1 电阻应变式力检测电阻应变式力检测 【知识链接知识链接】 3电阻应变片的粘贴 应变片的粘贴工艺包括：试件贴片处的表面处理、贴片位置的确定、应变片的

16、粘贴、固化等。 电阻应变片引出线的选择取决于电阻率的大小、焊接方便程度、可靠性及耐腐蚀性。引出线一般多是直径为0.150.3mm镀锡软铜线。使用时，应变片粘贴连接好后，常把引出线与连线电缆用胶布固定起来，以防止导体摆动时折断应变片引线，然后在应变片上涂一层防护层，以防止大气对应变片的侵蚀，保证应变片长期工作的稳定性。单元单元1 1 电阻应变式力检测电阻应变式力检测 【知识链接知识链接】 3电阻应变片的粘贴几种弹性元件及应变片贴片方式单元单元1 1 电阻应变式力检测电阻应变式力检测 【知识链接知识链接】 3电阻应变片的粘贴应变片的粘贴与固定单元单元1 1 电阻应变式力检测电阻应变式力检测 【知识

17、链接知识链接】 4电阻应变片的特点（1）以电阻应变片为传感元件，用于测量应变、应力、弯矩、扭矩等物理量，具有如下优点： 测量应变的灵敏度和精确度高，性能稳定、可靠，分辨率高，可测12，误差小于1% 测量范围广，既可测量弹性变形，也可测量塑性变形。变形范围可从数个微应变至数千个微变应。 应变片尺寸、质量轻、结构简单、使用方便、响应速度快。测量时对被测件的工作状态和应变分布影响较小。既可用于静态测量，又可用于动态测量。 性能稳定，价格较低。单元单元1 1 电阻应变式力检测电阻应变式力检测 【知识链接知识链接】 4电阻应变片的特点 频率响应特性好，一般电阻应变片响应时间为10-710-11s，若能在

18、弹性元件设计上采取措施，则电阻应变式传感器可测几十千赫甚至上百千赫的动态过程。 环境适应性强，可在高温、低温、高压、高速、水下、强烈振动、强磁场、核辐射及化学腐蚀等各种恶劣环境条件下使用。 容易实现多点同步测量、远距离测量和遥测，且与数据处理装置配合，容易实现测量过程和数据处理过程自动化。 单元单元1 1 电阻应变式力检测电阻应变式力检测 【知识链接知识链接】 4电阻应变片的特点（2）电阻应变片的缺点： 在大应变状态下具有较大的非线性，半导体应变片的非线性更为显著。 应变片输出信号较微弱，故其抗干扰能力较差，因此对信号连接导线要认真屏蔽。 虽然应变片尺寸较小，但测出的仍是应变片敏感栅范围内的平

19、均应变，不能完全显示应力场中应力梯度的变化。 应变片的温度系数较大。 尽管应变片存在着一些缺点，但可采取一定补偿措施减小其影响，因此他仍然是非电量电测技术中应用广泛和有效的敏感元件，其应用领域仍在不断扩展。单元单元1 1 电阻应变式力检测电阻应变式力检测 【应用案例应用案例】 【案例1】电子计价秤中的应变式传感器 电阻应变式电子秤精度高、反应速度快、结构紧凑、抗振抗冲击性强，能广泛应用于商业计价秤、邮包秤、医疗秤、计数秤、人体秤及家用厨房秤等。 常用电子计价秤的传感器结构图（a）双连椭圆孔（b）三连椭圆孔（c）梅花型时连孔单元单元1 1 电阻应变式力检测电阻应变式力检测 【应用案例应用案例】

20、【案例1】电子计价秤中的应变式传感器 便携式电子零售秤外形及传感器结构图（a）电子秤外形（b）电子秤传感器结构图电子秤工作原理单元单元1 1 电阻应变式力检测电阻应变式力检测 【应用案例应用案例】 【案例2】显像管玻壳的应力测量 显像管在制造过程中需多次经历加热、降温过程。如果工艺掌握不正确，将造成显像管曲面上某些点的应力集中，有可能引起玻壳爆裂。 高温应力测试试验是高温应变片粘贴在玻壳表面各测试点上。在升温、降温过程中，用带微机的应变仪对这些应变片的应变值快速轮流测试（称为巡回检测），从而改进加热工艺，提高产品的可靠性。 单元单元1 1 电阻应变式力检测电阻应变式力检测 【应用案例应用案例】

21、 【案例2】显像管玻壳的应力测量 显像管玻壳的应力测量单元单元1 1 电阻应变式力检测电阻应变式力检测 【应用案例应用案例】 其他应用电子皮带秤单元单元1 1 电阻应变式力检测电阻应变式力检测 【应用案例应用案例】 其他应用 电子人体秤单元单元1 1 电阻应变式力检测电阻应变式力检测 【应用案例应用案例】 其他应用 汽车称重单元单元1 1 电阻应变式力检测电阻应变式力检测 【应用案例应用案例】 其他应用 电子天平单元单元1 1 电阻应变式力检测电阻应变式力检测 【应用案例应用案例】 其他应用 电子吊钩秤单元单元1 1 电阻应变式力检测电阻应变式力检测 【应用案例应用案例】 其他应用压力检测 利

22、用应变片将弹性元件在压力作用下产生的应变转换成电阻的变化。 特点：体积小、重量轻，精度高，测量范围宽，频响高，耐压、抗振。单元单元1 1 电阻应变式力检测电阻应变式力检测 【实践项目实践项目】 电阻应变式数显电子秤的制作1项目要求 认识项目给出的元器件，根据已知元器件及工具完成制作一个数显电子秤的装置，并进行简单调试。2元器件与工具（1）元件选择 IC1选用ICL7126集成块；IC2、IC3选用高精度低温标精密运放OP-07；IC4选用LM3851.2V集成块。 传感器R1选用E350-2AA箔式电阻应变片，其常态阻值为350。单元单元1 1 电阻应变式力检测电阻应变式力检测 【实践项目实践

23、项目】 电阻应变式数显电子秤的制作 各电阻元件宜选用精密金属膜电阻。 RP1选用精密多圈电位器，RP2、RP3经调试后可分别用精密金属膜电阻代替。 电容中C1选用云母电容或瓷介电容。（2）工具 1千克及2千克标准法码各一个；普通钢锯条一根；加热炉等。单元单元1 1 电阻应变式力检测电阻应变式力检测 【实践项目实践项目】 电阻应变式数显电子秤的制作3项目内容 数显电子秤分辨力为1克，在2千克的量程范围内经仔细调校，测量精度可达0.5RDl字。 电子秤主要部分为电阻应变式传感器Rl及IC2、IC3组成的测量放大电路，和IC1及外围元件组成的数显面板表。测量电路将R1产生的电阻应变量转换成电压信号输

24、出。IC3将经转换后的弱电压信号进行放大，作为模拟电压输入。 IC4提供1.22V基准电压，它同时经R5、R6及RP2分压后作为AD转换器的参考电压。位AD转换器ICL7126的参考电压输入正端，由RP2中间触头引入，负端则由RP3的中间触头引入。两端参考电压可对传感器非线性误差进行适量补偿。 单元单元1 1 电阻应变式力检测电阻应变式力检测 【实践项目实践项目】 数显电子秤电路原理图单元单元1 1 电阻应变式力检测电阻应变式力检测 【实践项目实践项目】 电阻应变式数显电子秤的制作数显电子秤外形图4制作与调试步骤（1）制作步骤按图制作电子秤原理图印刷线路板。将元器件在印刷线路板上焊接。将锯齿打

25、磨平整，锯条加工成“U”形。再将其淬火，最后进行表面处理工艺。将秤钩用强力胶粘接于钢件底部。粘贴应变片。用活动链条连接拎环与秤体。 单元单元1 1 电阻应变式力检测电阻应变式力检测 【实践项目实践项目】 （2）调试步骤 无负载时调整RP1，使显示为零。 再调整RP2，使秤体承担满量程重量时显示满量程值。 然后在秤钩下悬挂1千克的标准法码，观察显示器是否显示1.000，如有偏差，可调整RP3值，使之准确显示1.000。 重新进行、步骤，使之均满足要求为止。 最后准确测量RP2、RP3电阻值，并用固定精密电阻予以代替。 RP1可引出表外调整。测量前先调整RP1，使显示器回零。单元单元1 1 电阻应

26、变式力检测电阻应变式力检测 【拓展提高拓展提高】 固态压阻式传感器 固态压阻式传感器是利用硅的压阻效应和集成电路技术制成的新型传感器。它具有灵敏度高、动态响应快、测量精度高、稳定性好、工作温度范围宽、体积小和便于批量生产等特点，因此得到了广泛的应用。1固态压阻式传感器的工作原理与结构 单晶硅材料在受到力的作用后，其电阻率将随作用力而变化，这种物理现象称为压阻效应。半导体材料电阻的变化率R/R 主要由/引起，即取决于半导体材料的压阻效应，所以可以用下式表示 R/R=/= 式中为压阻系数；为应力；为半导体材料的电阻率。单元单元1 1 电阻应变式力检测电阻应变式力检测 【拓展提高拓展提高】 固态压阻

27、式传感器固体压阻式传感器硅膜片芯体结构固体压阻式传感器实物单元单元1 1 电阻应变式力检测电阻应变式力检测 【拓展提高拓展提高】 固态压阻式传感器2压阻式压力传感器 固态压阻式压力传感器结构图1-硅杯；2-高压腔；3-低压腔4-硅膜片；5-引线 固体受力后电阻率发固体受力后电阻率发生变化的现象称为压阻效生变化的现象称为压阻效应。应。特点：特点： 频响宽，动态响应快，频响宽，动态响应快，测量范围大，特别适用于测量范围大，特别适用于爆炸、冲击压力检测。爆炸、冲击压力检测。单元单元2 2 光电编码器式扭矩检测光电编码器式扭矩检测 【问题引入问题引入】 使机械元件发生转动的力偶或者力矩称作转动力矩，简

28、称为转矩。 在转动力矩作用下任何元件都会产生某种程度的扭转变形，故转动力矩有时又被称为扭转力矩，简称为扭矩。 如：对于家用轿车而言，扭矩越大加速性越好；对于越野车，扭矩越大其爬坡度越大；对于货车而言，扭矩越大车拉的重量越大。 扭矩测量是各种机械产品开发、质量检验、优化控制、工况监测和故障诊断等必不可少的内容。单元单元2 2 光电编码器式扭矩检测光电编码器式扭矩检测 【问题引入问题引入】 扭矩扳手广泛用于对拧紧工艺有严格要求的装配线，使产品各个紧固件扭矩值一致 。 在航空、航天、发动机、高铁建设，桥梁船舶等领等领域使用要求更严密。 数字式扭矩扳手单元单元2 2 光电编码器式扭矩检测光电编码器式扭

29、矩检测 【问题分析问题分析】 扭矩的测量是基于旋转机械转轴在承受扭矩时产生扭应力或扭转角位移的原理，用电测技术测出扭应力或扭转角位移以求出力矩值。 1传递法扭矩测量简介 被测系统在受到扭矩作用时，通过弹性敏感元件传送扭矩时产生物理参数的变化从而实现扭矩测量的方法就是传递法。 传递法的测量形式为：通过应变型扭转轴作为弹性敏感元件与测量应变量的传感器结合来测量扭矩，常用的有应变式、压磁式等传感器类型；通过扭角型扭转轴作为弹性敏感元件与测量转角的传感器结合来测量扭矩，常用的有光电式、磁电式和振弦式等传感器类型，而光电式有光电编码器式、光纤式。 单元单元2 2 光电编码器式扭矩检测光电编码器式扭矩检测

30、 【问题分析问题分析】 1传递法扭矩测量简介等截面圆柱扭转轴表面上与轴母线成前45和后45夹角的螺旋线上的应变值与扭转轴的扭矩T成正比关系，与材料的弹性模量E成反比关系；等截面圆柱扭转轴扭转后的相对变化角度与扭转轴的扭矩T和有效长度L成正比关系，与材料的弹性模量E成反比关系。 扭转轴单元单元2 2 光电编码器式扭矩检测光电编码器式扭矩检测 【问题分析问题分析】 2光电编码器的分类 编码器是将转角运动或直线运动变换为数字信号进行测量的一种传感器，它有光电式、电磁式和接触式等各种类型。 光电编码器单元单元2 2 光电编码器式扭矩检测光电编码器式扭矩检测 【问题分析问题分析】 2光电编码器的分类构造

31、类型转动方式 直线 线性编码器 转动 转轴编码器 光束形式 透射式 反射式 单元单元2 2 光电编码器式扭矩检测光电编码器式扭矩检测 【问题分析问题分析】 2光电编码器的分类信号性质 增量式 辨别方向零位信号 绝对式 绝对式编码器 可辨向的增量式编码器 不可辨向的脉冲发生器 有零位信号 无零位信号 单元单元2 2 光电编码器式扭矩检测光电编码器式扭矩检测 【问题分析问题分析】 3光电编码器的检测原理（1）光电编码器工作原理 l均匀分布透光槽的编码盘；2LED光源；3狭缝；4sin信号接收器；5cos信号接收器；6零位读出光电元件；7扭转轴；8零位标记槽1增量式光电编码器单元单元2 2 光电编码

32、器式扭矩检测光电编码器式扭矩检测 【问题分析问题分析】 （2）光电编码器式扭矩检测原理 光电编码器式扭矩检测系统由扭转轴、光电码盘及光电组件、信号处理电路和显示控制装置等几部分组成。 其中，光电码盘及光电组件中的光电组件由LED发光管和光敏元件组成；信号处理电路由放大、整形、细分、辨向计数等电路组成。 光电式扭矩传感器主要用作动力设备传动扭矩的测量，扭转轴的材料一般都是合金钢或者碳钢。光电编码器式扭矩检测系统的组成单元单元2 2 光电编码器式扭矩检测光电编码器式扭矩检测 【知识链接知识链接】 1扭转轴的基本类型与原理（1）应变型扭转轴 应变型扭转轴的结构应变型扭转轴应变片粘贴示意单元单元2 2

33、 光电编码器式扭矩检测光电编码器式扭矩检测 【知识链接知识链接】 （1）应变型扭转轴 扭角型扭转轴扭转轴的扭转变形单元单元2 2 光电编码器式扭矩检测光电编码器式扭矩检测 【知识链接知识链接】 2绝对式光电编码器的工作原理绝对式光电编码器1光源；2透镜；3编码盘；4狭缝；5光电元件单元单元2 2 光电编码器式扭矩检测光电编码器式扭矩检测 【知识链接知识链接】 2绝对式光电编码器的工作原理绝对式光电编码器单元单元2 2 光电编码器式扭矩检测光电编码器式扭矩检测 【知识链接知识链接】 2绝对式光电编码器的工作原理两种光电编码器码盘的对比透光区透光区零位标志零位标志增量式增量式绝对式绝对式单元单元2

34、 2 光电编码器式扭矩检测光电编码器式扭矩检测 【知识链接知识链接】 2绝对式光电编码器的工作原理 绝对式光电编码器的编码盘由透明及不透明区组成，这些透明及不透明区按一定编码构成，编码盘上码道的条数就是数码的位数。 绝对式光电编码器测量精度取决于它所能分辨的最小角度，这与码盘上的码道数 n 有关，即最小能分辨的角度： 为了避免位置不分明而引起的粗大误差，可采用格雷码（Groy code）图案的编码盘。3602no1 2n分辨率为：单元单元2 2 光电编码器式扭矩检测光电编码器式扭矩检测 【知识链接知识链接】 2绝对式光电编码器的工作原理D十进制B二进制R格雷码D十进制B二进制R格雷码01234

35、5670000000100100011010001010110011100000001001100100110011101010100891011121314151000100110101011110011011110111111001101111111101010101110011000自然二进制码和格雷码的比较 单元单元2 2 光电编码器式扭矩检测光电编码器式扭矩检测 【知识链接知识链接】 2绝对式光电编码器的工作原理绝对式光电编码器测角仪原理图1光源；2聚光镜；3编码盘；4狭缝光阑单元单元2 2 光电编码器式扭矩检测光电编码器式扭矩检测 【知识链接知识链接】 3扭矩传感器的工业安装和注意

36、事项（1）扭矩传感器的工业安装 扭矩传感器安装在环境温度相对比较高的地方，而且相对湿度最好是小于90%，无易燃、易爆品的环境里，工业扭矩传感器在磁场对磁场的屏蔽也是很重要的，一般的扭矩传感器是不宜安装在强电磁干扰的环境中。 扭矩传感器安装方式为水平安装和垂直安装。 扭矩传感器的连接方式为弹性柱销联轴器连接和刚性联轴器连接，扭矩传感器与动力设备、负载设备之间的连接也是相当重要的，对于工业化的应用中应该是需要非常的稳定。单元单元2 2 光电编码器式扭矩检测光电编码器式扭矩检测 【知识链接知识链接】 （2）扭矩传感器安装的注意事项 安装时不能带电操作，切莫直接敲打、碰撞传感器。 联轴器的紧固螺栓应拧

37、紧，联轴器的外面应加防护罩，避免人身伤害。 信号线输出不得对地、对电源短路，输出电流不大于10mA，屏蔽电缆线的屏蔽层必须与 +15V电源的公共端（电源地）连接。 动力设备、传感器、负载设备应安装在稳固的基础上，以避免过大的震动，否则可能发生数据不稳，降低测量精度，甚至损坏扭矩传感器。单元单元2 2 光电编码器式扭矩检测光电编码器式扭矩检测 【知识链接知识链接】 4扭矩检测的应用范围和需要解决的问题（1）扭矩检测的应用范围 电动机、发动机、内燃机等旋转动力设备输出扭矩及功率的检测； 风机、水泵、齿轮箱、扭力板手的扭矩及功率的检测； 汽车、拖拉机、飞机、船舶、等扭矩及功率检测； 可用于污水处理系

38、统中的扭矩及功率的检测； 可用于制造粘度计； 可用于过程工业和流程工业中； 可以应用于实验室，测试部门及生产监控和质量控制等。单元单元2 2 光电编码器式扭矩检测光电编码器式扭矩检测 【知识链接知识链接】 （2）扭矩检测需要解决的问题 解决接触式应变扭矩检测中应变计的引线需要靠滑环引出，长时间工作后，滑环容易发热老化，甚至断裂脱落问题；解决小扭矩测量时传感器工作在非线性区的问题; 解决较大扭矩测量时不易测量和变形过大等问题。 解决非接触扭矩检测由于温度、算法等因素的影响以及相关信号的采集困难，精度还需要进一步提高的问题；解决静态扭矩测量方面的技术难题。 单元单元2 2 光电编码器式扭矩检测光电

39、编码器式扭矩检测 【应用案例应用案例】 扭矩/转速组合型传感器 在汽车制造业中，扭矩与转速的检测应用非常广泛，且常常是需要两个参数同时检测。 1扭矩/转速传感器的外形结构JN338扭矩传感器外形图 如图，主要由外壳、端盖、转轴、底座和电路板盒构成。信号放大与整形电路装于电路板盒中，传感器电源输入与检测信号的输出，均通过电路板盒上的插座连接。单元单元2 2 光电编码器式扭矩检测光电编码器式扭矩检测 【应用案例应用案例】 2传感器电路的基本构成 应变片粘贴在转轴上，并连接成桥路。在扭转轴上安装着在其周边上开有60条齿缝的测速轮，相对于测速轮的位置在传感器外壳上安装的一只由发光二极管及光敏三极管组成

40、的槽型光电开关架。 激励电源、稳压电源和放大整形（两个）四个环节的电路均焊装在一块印制电路板上，并固定在传感器外壳上的接线盒中。+15V电源、扭矩和转速信号均由接线盒上的航空插座引入和输出。 单元单元2 2 光电编码器式扭矩检测光电编码器式扭矩检测 【应用案例应用案例】 2传感器电路的基本构成JN338扭矩/转速电路的基本结构图单元单元2 2 光电编码器式扭矩检测光电编码器式扭矩检测 【应用案例应用案例】 3扭矩与转速的检测原理 （1）扭矩测量原理 电源与信号的传递采用环形变压器的器件，用电磁感应原理实现非接触的传递 。 当传感器的扭转轴承受了外加扭矩产生应变时，应变片电阻发生改变，其应变桥路

41、输出相应的电压（毫伏级），经扭矩放大电路放大成伏特级电压信号后，再经V/F变换电路变成与电压大小相对应的频率信号，送入信号环形变压器的初级绕组，经外壳上的信号环形变压器次级绕组感应后送入信号电路处理（放大和整形），最后，经航空插座输出与扭矩相关的频率信号。 单元单元2 2 光电编码器式扭矩检测光电编码器式扭矩检测 【应用案例应用案例】 （2）转速测量原理 转速的检测则采用光电式的，即在旋转体上安装齿状遮光盘，并用光电耦合器作为发光和受光元件。+15V的直流电源经稳压电路变为+8V的稳定电压，再经限流电阻为发光二极管提供电源。 发光二极管和光敏三极管分别装于测速轮的两侧。当传感器的转轴随动力设备（电动机）旋转时，测速轮也随之通俗旋转，由于测速轮上开有60条齿缝，故每转一转，固定在测速轮另一侧的光敏三极管就开关60次，也即发出60个脉冲信号。该信号送入信号电路处理（放大和整形），最后经航空插座输出。单元单元2 2 光电编码器式扭矩检测光电编码器式扭矩检测 【拓展提高拓展提高】 1应变式扭矩检测 当扭矩轴受到扭矩作用而发生扭转时，在相对于轴中心线45 方向上会产生压缩及拉伸力，从而将力加在旋转轴上。在扭转轴适当截面的圆周方向每隔 90 布置一个应变片