便携式智能化扭矩测定仪

　　一、前言

　　随着工业自动化技术的不断提高,在汽车、摩托车、飞机、内燃机、机械制造和家用电器等工业领域,依靠扭矩提供作业信号的自动化生产工具和装置被广泛应用在流水装配线上,如气(电)动扭矩扳手,扭矩螺丝刀,扭矩气扳机等。这些工具的拧紧力矩(静态)必须严格按规定设定。静态扭矩也是许多器件和装置的重要特性参数,如阀门、锁、盘簧等。本文介绍了一种便携式、智能化的扭矩测定设备,该设备采用金属电阻应变片作为应变敏感元件,其结构和制造工艺简单,体积小,精度高。经实验证明能准确、可靠、方便、快捷的设定扭矩工具的拧紧力矩及检测静态扭矩。

　　二、扭矩传感器介绍

　　1.扭矩传感器工作原理

　　扭矩传感器工作原理是通过弹性支撑元件将扭矩转换成弯矩进行测量的。其结构及工作原理如图1所示:图中1.转轴;2.轴承;3.铜套;4.螺孔;5.梁。本设备中弹性敏感元件采用等强度悬臂梁形式。根据传感器各组成部件的结构所形成的约束条件,传感器在工作时,其受力及约束形式如图2所示。梁的固定端受扭矩M及由支座产生的反力偶Ma及反力Ra的作用,根据梁平衡条件则有:Ma=-M,又设梁的固定端的弯矩Mx则Mx=-M=M=FL,所以

　　F=M/L (1)

　　由等悬臂梁的力学特性知等强度梁各点的应变值为:

　　式中:b为梁的固定端宽度;L为梁长;h为梁厚;E为材料的弹性模量;F为梁所受的力;ε为应变;则将式(1)代入式(2)可得:

　　在等臂梁上贴应变片,并取梁的应变值ε,则可得扭矩M。

　　2.弹性敏感元件参数的确定

　　选用40CrNiMo作为弹性敏感元件的材料,则它的强度极限σb= 110MPa,比例极限σp=800MPa,弹性模量E= 210GPa,泊松系数μ=0.29。为减少应变片胶层的蠕变和漂移,额定许用应变[ε]=5000×10-6。则等强度梁在许用应变下的应力[2]为:

　　设梁长为50mm,在超过量程150%的情况下(即承受15N·m的扭矩)则梁的最大截面应力为

　　则得,不妨取b=12mm,h=4mm,则,满足尺寸条件。在该尺寸条件下可得传感器的理论灵敏度为Si=2.352mV/V,实际上由于制造和贴片等工艺的影响,Si为2.001mV/V。可见这种扭矩传感器灵敏度较一般的扭矩传感器要高。

　　三、仪表的总体结构

　　仪表的总体结构如图3所示:在电路设计中,采用低功耗元件并尽量简化电路,设备中单片机监控程序的某些功能模块取代了部分硬件的电路,使仪表对硬件电路的要求降低,从而简化了仪表电路。整个电路系统中的元件都采用低功耗的CMOS芯片,并由电源管理模块对电源进行监控,仪表采用干电池供电,从根本上解决了市电工频干扰问题,同时使仪器小型化,便于携带使用。