潘水 楊雷/ 國營洛陽丹城無線電廠 空裝駐洛陽地區(qū)第一軍事代表室

0 引言

力矩傳感器又稱扭矩傳感器，主要用來檢測轉(zhuǎn)動機(jī)械部件產(chǎn)生力矩的大小，將彈性體受到力矩作用產(chǎn)生的微小物理變化轉(zhuǎn)換成精確的電信號。為滿足某型產(chǎn)品舵機(jī)輸出力矩測量精度小于0.5N·m 的要求，設(shè)計了一種低成本高精度力矩傳感器，通過硬件電路調(diào)整和軟件校準(zhǔn)修正，最終達(dá)到精確測量的目的，滿足力矩檢測精度要求。

1 系統(tǒng)簡介

由高精度應(yīng)變片和優(yōu)質(zhì)彈性體組成的力矩傳感器，感應(yīng)舵機(jī)輸出的力矩信號，由儀表放大器外圍電路進(jìn)行調(diào)整，經(jīng)軟件校準(zhǔn)修正后輸出測量結(jié)果。系統(tǒng)由力矩傳感器、儀表放大器、硬件調(diào)整電路、軟件校準(zhǔn)修正等組成，系統(tǒng)組成框圖如圖1 所示。儀表放大器對力矩傳感器輸出的微小電壓信號進(jìn)行放大，并通過硬件電路對儀表放大器零點(diǎn)、力矩傳感器零點(diǎn)以及放大倍數(shù)進(jìn)行調(diào)整；軟件根據(jù)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)對實(shí)際測量數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，最終輸出理想的測量結(jié)果。

2 硬件電路設(shè)計

硬件電路由力矩傳感器、儀表放大器、運(yùn)算放大器、三位開關(guān)、電位器、電阻和電容等組成，力矩傳感器及其調(diào)理電路如圖2 所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

2.1 力矩傳感器

力矩傳感器主要由應(yīng)變片和彈性體組成。

1）應(yīng)變片

應(yīng)變片選用BF350-3HA 高精度半橋應(yīng)變片，具有精度高、柔韌性好、性能穩(wěn)定、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)變片及等效示意圖如圖3 所示。

選取兩片BF350-3HA 半橋應(yīng)變片組成測量電橋，其等效示意圖如圖4 所示。電源和地共用，1腳接電源，3腳接地，

2 腳和4 腳為測量輸出端。2）彈性體

彈性體選用優(yōu)質(zhì)彈簧鋼材質(zhì)，結(jié)構(gòu)示意圖如圖5 所示。

將應(yīng)變片粘貼在彈性體上，當(dāng)彈性體受到力矩作用產(chǎn)生微小變形后，引起電橋電阻值變化，應(yīng)變電橋電阻的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘柕淖兓?，從而?shí)現(xiàn)力矩測量。

2.2 儀表放大器

AD625 是一款精密儀表放大器，專為滿足非標(biāo)準(zhǔn)增益應(yīng)用要求而設(shè)計，還可以對放大器零點(diǎn)、力矩傳感器零點(diǎn)和放大倍數(shù)進(jìn)行調(diào)整，最大限度地減小誤差，選取適宜的放大倍數(shù)。

2.3 工作原理及調(diào)整方法

當(dāng)彈性體受到外力作用時產(chǎn)生細(xì)微形變，應(yīng)變片阻值隨之發(fā)生變化，使力矩傳感器的一個輸出端電壓升高，另一個輸出端電壓降低，形成電壓差；此電壓差送給儀表放大器進(jìn)行放大處理，然后經(jīng)運(yùn)算放大器隔離后送工控機(jī)數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行采集。

圖2 力矩傳感器及其調(diào)理電路圖

圖3 應(yīng)變片及等效示意圖

圖4 測量電橋等效示意圖

圖5 彈性體結(jié)構(gòu)示意圖

表1 硬件調(diào)整電路實(shí)際輸出電壓

電路調(diào)整包括三部分，分別是儀表放大器零點(diǎn)調(diào)整、力矩傳感器零點(diǎn)調(diào)整和放大倍數(shù)調(diào)整。

儀表放大器零點(diǎn)調(diào)整：先將開關(guān)S1置于常開位置，調(diào)整W1 電位器，使儀表放大器輸出電壓為0V，調(diào)整結(jié)束后將開關(guān)S1 置于常閉位置。

力矩傳感器零點(diǎn)調(diào)整：由于應(yīng)變片阻值存在細(xì)微偏差、粘貼工藝方法存在差異等因素，力矩傳感器的兩個輸出端電壓可能不同。為減小誤差，對力矩傳感器零點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整W2 電位器，使儀表放大器輸出電壓為0V。

力矩傳感器放大倍數(shù)調(diào)整：使用專用校準(zhǔn)工裝，對力矩傳感器順時針施加定力98N·m，調(diào)整W3 電位器，使儀表放大器輸出電壓為4.9V。

3 軟件校準(zhǔn)修正

對硬件調(diào)整電路實(shí)際輸出電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行分析統(tǒng)計，理想數(shù)據(jù)和實(shí)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表1。

表2 硬件調(diào)整電路輸出電壓修正

表3 硬件調(diào)整電路輸出電壓測量結(jié)果

由表1 可以看出，該力矩傳感器在順時針方向誤差較小，不大于0.03V；在逆時針方向誤差較大，達(dá)到0.2V。需要通過軟件對其進(jìn)行修正，根據(jù)差值，設(shè)定不同區(qū)間的修正值，具體修正區(qū)間和修正值見表2。修正誤差計算規(guī)則為取區(qū)間上限誤差和區(qū)間下限誤差的平均數(shù)。

將表2 修正區(qū)間的修正誤差配置到軟件校準(zhǔn)列表中，軟件測試時根據(jù)實(shí)際測量數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行修正后輸出測量結(jié)果，最終輸出測量結(jié)果見表3。

由表3 可以看出，該力矩傳感器在順時針方向力矩最終誤差不大于0.1N·m；在逆時針方向力矩最終誤差不大于0.3N·m，修正后測量精度滿足力矩檢測要求。

4 結(jié)束語

本文提出一種低成本高精度力矩傳感器設(shè)計與實(shí)現(xiàn)方案，由應(yīng)變片和彈簧鋼組成高精度力矩傳感器，通過形變感應(yīng)力矩信號，經(jīng)儀表放大器外圍硬件電路對傳感器零點(diǎn)及放大倍數(shù)進(jìn)行調(diào)整，再由軟件根據(jù)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，最終實(shí)現(xiàn)了某型產(chǎn)品舵機(jī)輸出力矩精確測量的目的。試驗(yàn)結(jié)果表明該力矩傳感器在98N·m 范圍內(nèi)測量誤差不大于0.3N·m，達(dá)到了設(shè)計預(yù)期目的。