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1、基于電阻應(yīng)變式扭矩傳感器與 MSP430勺扭矩測量系統(tǒng)設(shè)計2. 應(yīng)變式扭矩傳感器2.1金屬應(yīng)變計工作原理電阻應(yīng)變片的工作原理是基丁金屆的應(yīng)變效應(yīng)4。金屆絲的電阻隨著它所受的機(jī)械變形的大小而發(fā)生相應(yīng)的變化的現(xiàn)象稱為金屆的電阻應(yīng)變效應(yīng)例如,一段金屆絲的電阻R與絲的長度L,橫截面A有如下關(guān)系:R = P?(2-1)若金屬絲受到拉力 F作用伸長,伸長量設(shè)為 Al ,橫截面積相應(yīng)減少 AA,電阻率的變化設(shè)為AP,則電阻的相對變化量為:=R(2-2)又因?yàn)閷饘俳z來說 A =二r2, lA = 2二rdr,f =2= 2 于是有:R d _.擇.捉=_2 -(2-3)(2-4)R l r .: r / r
2、 .由材料力學(xué)知,彈性限度內(nèi)材料的泊松系數(shù)為P =蘭,則有Al0 了M / IR .:l , =(1 2)=KR l己.;:/ ,式中K0 =1 + 2卜+為金屬絲的靈敏度系數(shù),它越大表明單位應(yīng)變引起的電阻相 =l /l對變化越大。若令 ,=為金屬絲的軸向相對應(yīng)變,則lAR三D_ . P(2-5)B =(1 . 2)從上式可知,靈敏度系數(shù)受兩個因素影響:一個是受力后材料的幾何尺寸的 P、 P變化,即1 +2卜;另一個是受力后材料晶格畸變引起電阻率發(fā)生的變化及。z P ,P ,一, 對金屆材料電阻絲來說,靈敏度系數(shù)表達(dá)式中 1+2卜的值要比 大得多。因此z在相當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi),電阻的相對變化與金屆絲的
3、縱向應(yīng)變8成正比,也及金屆絲有著不錯的線性度。2.2扭矩測雖原理彈性體是扭矩傳感器的關(guān)鍵部件,它直接與被測對象接觸(例如電機(jī)轉(zhuǎn)軸) 并引起應(yīng)變片產(chǎn)生形變。彈性軸在受到扭轉(zhuǎn)時發(fā)生形變(如圖),軸上會有應(yīng)力和應(yīng)變產(chǎn)生。其橫截 面會受到一個剪應(yīng)力,該剪應(yīng)力按照直線規(guī)律變化,在軸的中心處為零,軸的表 面達(dá)到最大4。彈性軸橫截面剪應(yīng)力(2)彈性走表面法向張力圖2.1彈性軸橫截面與表面手里分析現(xiàn)在從彈性軸的徑向表面上取一個單元進(jìn)行研究,如圖,在其與桿軸成 45 度與135度的斜面上,受到法向應(yīng)力,此法向應(yīng)力為主應(yīng)力,其數(shù)值等丁橫截面 上的剪應(yīng)力H4。圖中,此應(yīng)力在一個方向上受拉伸,另一個方向上受壓縮。二1
4、。2;2 =二 1V E£2T因此,圓軸扭轉(zhuǎn)時,表面受到最大拉應(yīng)力 可和壓應(yīng)力饑,且Ol=q2=1max。在 測量彈性軸扭矩時,在與軸線呈45 °和135°的兩個方向(互相垂直)各貼一片 應(yīng)變片,如圖。根據(jù)材料力學(xué),沿 R方向和艮方向的應(yīng)變中和電分別為:(2-6)(2-7)式中,¥表示泊松比,E表示彈性模量易知應(yīng)變片Ri和應(yīng)變片R2受到的應(yīng)變數(shù)值一樣,符號相反。圖2.2傳統(tǒng)貼片方式示意圖根據(jù)材料力學(xué)原理,受純扭矩的軸,其橫截面上的剪應(yīng)力T與軸上扭矩的關(guān)系為:(2-8)式中M為軸上扭矩,Wp為軸截面的抗扭模數(shù) p3 / 15因此=TT2=E=M,對丁應(yīng)變片
5、R,可以求出其應(yīng)變?yōu)閃p1、. MEW整理得到:WpEM =&1 =Co&1(2-9)1式中Co是個常數(shù),其數(shù)值為Co=WpE。1乂由于竺=弟,所以:RM =*AR(2-10)從上式知,圓軸的扭矩大小與應(yīng)變片的電阻該變量呈正比,因此通過應(yīng)變片 測量扭矩理論可行。另外在圖。中在測點(diǎn)處與軸線呈 450和135°的兩個方向各貼一片應(yīng)變片, 形成一對應(yīng)變花,如果采用半橋片和全橋四片測扭,能排除橫剪力的影響。但是 由丁兩片應(yīng)變片花相互有重合的部分,會降低應(yīng)變片的應(yīng)變能力,因此實(shí)際中應(yīng) 變片可分開貼,例如每90°均勻分布。2.3扭矩傳感器成品應(yīng)變式扭矩傳感器是以圖所示結(jié)
6、構(gòu)為核心制造的。 除此以外還有減震的 基座,以及配套的聯(lián)軸器。并且為了減少帶來的額外負(fù)載,成品扭矩傳感器制造 精度很高,內(nèi)部摩擦力很小。另外圖。中給出了常見扭矩傳感器的安裝方式。顯然若使用剛性聯(lián)軸器, 由丁無減震作用,對兩軸的安裝要求比較高。若使用帶減震功能的聯(lián)軸器,則會 抬高成本。不過與聲波表面力矩傳感器等相比,扭矩傳感器依然是在一般工況下 最合適的扭矩傳感器之選。劫力設(shè)備(1)扭矩傳感器水平安裝方式基座板上(2)扭矩傳感器豎直安裝方式圖2.4扭矩傳感器的兩種常見安裝方式3. 電路設(shè)計3.1總體電路結(jié)構(gòu)設(shè)計傳感器采集的信號需要通過一系列處理才能使用。經(jīng)過學(xué)習(xí)與資料查找, 個典型的信號采集處理
7、的電路部分如下圖圖3.1扭矩傳感器系統(tǒng)設(shè)計圖由丁本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計中指定了單片機(jī)為 MSP430所以決定在單片機(jī)已定的情況 下,逆向設(shè)計并決定各部分的芯片選型。3.2 MSP430 芯片在信號采集處理電路中,單片機(jī)對信號做各種算法處理后傳遞給后續(xù)電路, 是很重要的部分,為了使其正常工作,其信號輸入必須符合規(guī)定。MSP430P32芯片(PG封裝)的管腳圖如下:16 / 15MQQ eqql 一auooj_ dd/vBMME LMXC av -< «S><G 箸CAS Xin XquVTCLKCIN TPO.O TPO.1 TPO.2 TPO.3 TPO.4 TPO.5 PO
8、O PO.VFIXDo 1 2 3 4 5 6 7 8 9 234 5 6 7891111111111COMOS20/020/CMPIS1MS191 S1A7O18J S17/O17J S16/O16S15/O15SW014S13/O13J S12/O12J Sii/Oii1 S10/010ss/ogSB/08J S7/O7S6/O6J S5/O5J S4/O4S3/O3QKtzodI JIs圖3.2 MSP430P325PG芯片引腳圖內(nèi)部功能模塊圖如下AIN Xaui/TCLK X9UF一一卜一!一一+-q iTBUVPPTDCMTDICFOE M RwTimmPg aApfjfasalia
9、-n. AJD Zrw. Tiirw, OT圖3.3 MSP430內(nèi)部功能圖很顯然我們可以利用 MSP43曲帶的ADO®塊來簡化總的電路處理設(shè)計。實(shí)際上MSP43亦身就是一款混合信號處理芯片, 所以實(shí)際上在圖,中可以省略 AD模塊的設(shè)計,直接將濾波后得到的信號輸入A0至A5引腳中的一個查閱資料知MSP43但勺ADC用模擬輸入時輸入范圍在 VCC®J GNDlR,查 閱后將AVCC DVC(g為5v, AVSS DVS骸地,這樣ADC莫塊的模擬輸入范圍在 0到5伏之間。3.3濾波電路由丁在實(shí)際電路中,電路不可避免地會受到丁擾,并且應(yīng)變片也可能受到擾 動,所以需要采用濾波電路來
10、消除噪音的影響通過查詢知,一般應(yīng)變式扭矩傳感器輸出信號的頻率在10到10kHZ之間而干擾以外界的高頻干擾為主,所以濾波電路可以采用簡單的一階有源低通濾波器。另外如果我們把信號放大功能全部在放大電路中實(shí)現(xiàn)時,此處就不需要再對電壓進(jìn)行放大。因此可以使用電壓跟隨器來代替原本的同相比例放大電路,電壓跟隨器輸入阻抗剛,輸出阻抗很低,因此帶負(fù)載能力很強(qiáng)。如下圖所示:由圖可得:Uout(S)-SCrUUS) = R SC11 SRCUin(S)(3-1)因此,電路的傳遞函數(shù)為:A(S) =%Uin(3-2)1式中“0 =,則其截止頻率為R1Cfc12二 RC本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計中,考慮到直流信號頻率比較低,折衷考慮
11、后設(shè)置fc = 1kHZ,則可取 R =1kQ , C =0.18PF。在為運(yùn)放選型時,考慮到運(yùn)放的增益帶寬積(Gain Bandwidth Product )要比濾波器截止頻率高至少100倍。轉(zhuǎn)換率(Slew Rate)要至少為Voutpfc,其 中場帥工為濾波器輸出電壓的峰峰值,丁是選擇 OP07作為運(yùn)放。實(shí)際上OP07是 u lp P一種精密運(yùn)放,它有很低的輸入失調(diào)電壓,很高的開環(huán)增益,特別適合用丁放大 傳感器的微弱信號,再后續(xù)講到放大電路時我們?nèi)匀贿x擇OP07作為主要運(yùn)放。用multisim仿真對低通濾波電路進(jìn)行觀察5,發(fā)現(xiàn)其幅頻特性符合我們預(yù) 期的要求,如圖:圖3.5低通濾波仿真電路
12、圖3.6低通濾波電路副頻特性在仿真波特圖曲線中,-3dB處頻率為1kHz,滿足設(shè)計要求3.4電橋電路必須要先設(shè)計好電橋電路,因?yàn)榉糯箅娐返姆糯蟊稊?shù)是由輸入和輸出一起決 定的。由丁采用了 2.2中的應(yīng)變片粘貼方式,所以決定采用全橋電路進(jìn)行測量。 一個典型的全橋電路原理圖如下:圖3.7全橋電路原理圖我們選擇& =艮=R3 =R4,即在初始條件下RR4 = R2R3,此時U = 0 ,當(dāng)四個電阻分別變化AR, &,&,&時:(R.R)g0-(&0(僅FQ(3-3)由于四個電阻的初值大小一致,而且(Ri R2 Ri R2)(R3 R4R)Ri = AR2 = A
13、R=AR=AR,所以:(3-4)XSC1R3200 Q Key=AR552 %48 %圖3.8全橋電路仿真電路利用可變電阻代替應(yīng)變片進(jìn)行仿真,電阻原阻值大小為100歐姆,E大小為10伏特,當(dāng)電阻變化4歐姆時,如下圖所示,輸出電壓為0.4伏,與上述推理相符。rrrOsolloscopXSClT1 3g 口 SBTine 17305 1,7305Charnel知口 .000 mV-00.000 mVChannel_BT2-T1 _O.OOOs0.000 VReverseSaveTtmebaseChannel AChannel EScale: 1。ms/t>vScale 5 V/DivScal
14、e; S VjDivX fKS.(piv); 0V pos.fDivj: 0Y pos.(Div): 口yr|Add| 垂 1 逅匠O回®IT 園 IZITiggerEdge;國國區(qū)回國Levsl:I-Sing上 枷ma I Auto | NorieExt. trigger圖3.9全橋電路仿真結(jié)果在查閱了若干資料后,發(fā)現(xiàn)應(yīng)變片的電阻值一般在白歐姆級別,采用全橋電路輸出電壓往往在幾毫伏到幾十毫伏之間。在比較不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目紤]過后,人為將后續(xù)放大電路的放大倍數(shù)定為200。但實(shí)際中,應(yīng)當(dāng)對應(yīng)變片進(jìn)行標(biāo)定并對電橋電 路經(jīng)過足夠測試后再得到一個合適的放大倍數(shù)值。3.5放大電路查閱了若干資料后,決定再
15、本次仿真設(shè)計中采用帶運(yùn)放的差分放大電路。其 一般原理圖如圖。它具有高共模抑制比,高輸入阻抗,低噪聲,低線性誤差,高 信噪比等特點(diǎn)。它的應(yīng)用十分廣發(fā)從儀器測量放大器到特種測量放大器都有其蹤 影。圖3.10差分放大電路原理圖從上圖中可看出,電路主要由兩級放大電路構(gòu)成,A1, A2為同相差分輸入方 式,提高了電路輸入阻抗,減小了電路對微弱輸入信號的衰減, 而差分輸入使電 路只對差模信號放大,對共模信號只起跟隨作用,使得輸入到后級信號的共模抑 制比得到提高。在圖中有以下關(guān)系成立:Ui0 -Ui Ui -U2 U2 -U20RR2R3(3-5)(3-6)(3-7)U20 U4 業(yè)4一0血R5一R7U10
16、-U3 U3R4 R6由于R3 = R于是可得到:RUio -So =(1 2 1)(Ui -U2)R2(3-8)乂由丁 R4 =R5 , R =R7再結(jié)合“虛短虛斷”的概念可得:R5U10 -So =竺UoutR6(3-9)所以:R6RUm =:(1 2】)(Ui -U2)R5R2(3-10)若取R6 =r =i00kQ , R = R2 =10kQ ,則得放大倍數(shù)為210,與之前的設(shè)計要求基本相符下圖是multisim仿真電路以及仿真結(jié)果圖,示波器的 A通道顯示差分輸入 的大小,B通道顯示的是放大電路的輸出大小,可以看出,電路的放大倍數(shù)基本 符合要求XSC1圖3.11差分放大電路仿真電路D
17、eri I Ie 8 XW1"1 gTmeL134sOianrelcmelj-13. D 75 inV-3.863ReverseT2 fa K)1.154E0,000 5, 13.D75 mV-M.能MF5.001 V0,000 VT2-T1Sdve | Ext. tngger"TimsbeiEdhanrEd Ak.riafinci riggerScalt; 20(,Scale: R口 mvjDivW: Eg噸;國國BESS* pM.py):0f POSrPlV): 0Y p皓 g); ClsvsIi ov環(huán)'標(biāo)*cinis3 ®single hixnd Auto 阮曲圖3.12差分放大電路仿真結(jié)果3.6后續(xù)功能現(xiàn)在整個系統(tǒng)的信號采集部分已經(jīng)設(shè)計完成,各部分的功能也基本滿足要求。但是采集后的信號需要經(jīng)過合適的處理才能進(jìn)行后續(xù)的應(yīng)用。通過MSP43OT以完成信號處理,申口通信等等功能,將扭矩信息直觀呈現(xiàn)在人們眼前。4. 總結(jié)通過本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計,我對傳感器以及傳感器采集處理系統(tǒng)的設(shè)計乂有了一個 更深的認(rèn)識,并且在查找資料與學(xué)習(xí)的過程中乂重溫了電路設(shè)計的知識以及很多 經(jīng)典的在工程中應(yīng)用的電路。本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計側(cè)重于仿真與驗(yàn)證,并沒有進(jìn)行實(shí)物開發(fā);主要設(shè)計了傳感器
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