潘水 楊雷/ 國營洛陽丹城無線電廠 空裝駐洛陽地區第一軍事代表室
力矩傳感器又稱扭矩傳感器,主要用來檢測轉動機械部件產生力矩的大小,將彈性體受到力矩作用產生的微小物理變化轉換成精確的電信號。為滿足某型產品舵機輸出力矩測量精度小于0.5N·m 的要求,設計了一種低成本高精度力矩傳感器,通過硬件電路調整和軟件校準修正,最終達到精確測量的目的,滿足力矩檢測精度要求。
由高精度應變片和優質彈性體組成的力矩傳感器,感應舵機輸出的力矩信號,由儀表放大器外圍電路進行調整,經軟件校準修正后輸出測量結果。系統由力矩傳感器、儀表放大器、硬件調整電路、軟件校準修正等組成,系統組成框圖如圖1 所示。儀表放大器對力矩傳感器輸出的微小電壓信號進行放大,并通過硬件電路對儀表放大器零點、力矩傳感器零點以及放大倍數進行調整;軟件根據校準數據對實際測量數據進行修正,最終輸出理想的測量結果。
硬件電路由力矩傳感器、儀表放大器、運算放大器、三位開關、電位器、電阻和電容等組成,力矩傳感器及其調理電路如圖2 所示。
圖1 系統組成框圖
力矩傳感器主要由應變片和彈性體組成。
1)應變片
應變片選用BF350-3HA 高精度半橋應變片,具有精度高、柔韌性好、性能穩定、重復性好等優點,應變片及等效示意圖如圖3 所示。
選取兩片BF350-3HA 半橋應變片組成測量電橋,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
彈性體選用優質彈簧鋼材質,結構示意圖如圖5 所示。
將應變片粘貼在彈性體上,當彈性體受到力矩作用產生微小變形后,引起電橋電阻值變化,應變電橋電阻的變化轉變為電壓信號的變化,從而實現力矩測量。
AD625 是一款精密儀表放大器,專為滿足非標準增益應用要求而設計,還可以對放大器零點、力矩傳感器零點和放大倍數進行調整,最大限度地減小誤差,選取適宜的放大倍數。
當彈性體受到外力作用時產生細微形變,應變片阻值隨之發生變化,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行放大處理,然后經運算放大器隔離后送工控機數據采集卡進行采集。
圖2 力矩傳感器及其調理電路圖
圖3 應變片及等效示意圖
圖4 測量電橋等效示意圖
圖5 彈性體結構示意圖
表1 硬件調整電路實際輸出電壓
電路調整包括三部分,分別是儀表放大器零點調整、力矩傳感器零點調整和放大倍數調整。
儀表放大器零點調整:先將開關S1置于常開位置,調整W1 電位器,使儀表放大器輸出電壓為0V,調整結束后將開關S1 置于常閉位置。
力矩傳感器零點調整:由于應變片阻值存在細微偏差、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,對力矩傳感器零點進行調整。調整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調整:使用專用校準工裝,對力矩傳感器順時針施加定力98N·m,調整W3 電位器,使儀表放大器輸出電壓為4.9V。
對硬件調整電路實際輸出電壓數據進行分析統計,理想數據和實測數據統計見表1。
表2 硬件調整電路輸出電壓修正
表3 硬件調整電路輸出電壓測量結果
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,達到0.2V。需要通過軟件對其進行修正,根據差值,設定不同區間的修正值,具體修正區間和修正值見表2。修正誤差計算規則為取區間上限誤差和區間下限誤差的平均數。
將表2 修正區間的修正誤差配置到軟件校準列表中,軟件測試時根據實際測量數據,對其進行修正后輸出測量結果,最終輸出測量結果見表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。
本文提出一種低成本高精度力矩傳感器設計與實現方案,由應變片和彈簧鋼組成高精度力矩傳感器,通過形變感應力矩信號,經儀表放大器外圍硬件電路對傳感器零點及放大倍數進行調整,再由軟件根據校準數據對測量數據進行修正,最終實現了某型產品舵機輸出力矩精確測量的目的。試驗結果表明該力矩傳感器在98N·m 范圍內測量誤差不大于0.3N·m,達到了設計預期目的。