鄭益斌+殷杰

摘要：隨著這些年的科技發(fā)展，壓電扭力傳感器不斷出現(xiàn)新的產(chǎn)品，在很大程度上滿足了工業(yè)發(fā)展的要求。文章以壓力扭轉(zhuǎn)效應(yīng)為基礎(chǔ)，探討了新型扭矩傳感器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及相應(yīng)的標(biāo)定情況。

關(guān)鍵詞：壓電扭矩傳感器；量程計(jì)算；靜態(tài)性能標(biāo)定；動(dòng)態(tài)性能標(biāo)定；壓力扭轉(zhuǎn)效應(yīng) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TP212 文章編號(hào)：1009-2374（2015）35-0028-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.35.014

對(duì)于目前的情況來說，壓電石英測(cè)量扭矩的方法主要是采取將很多對(duì)的YO切型的石英片有規(guī)律的同時(shí)還要保持一定的均勻度，然后分布在一個(gè)半徑為R的圓上。這時(shí)候的具體要求就是使得切型晶片具有最大的靈敏度，方向要嚴(yán)格地和分布圓進(jìn)行相切，這樣電極才可以從每一對(duì)晶片中引出，通過這種方法可以實(shí)現(xiàn)力和力臂之間的扭矩測(cè)算。實(shí)際上采用力臂的方法來實(shí)現(xiàn)對(duì)扭矩的測(cè)量，那么對(duì)傳感器本身的制造和使用都再一次提出了更高的要求。這時(shí)候要保證每一個(gè)晶片受到均勻的力，具體的實(shí)現(xiàn)過程中就是要每個(gè)晶片對(duì)之間一定要有相應(yīng)的等高性，還要求殼體的解除表面和所有的晶體表面存在著一定的粗糙度和平面度；而且在測(cè)量過程中，扭矩的作用線還要和那些晶片圍成的圓的中心相對(duì)應(yīng)，只有這樣才不會(huì)造成誤差。從描述中就可以看出傳感器結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度以及對(duì)工藝的要求之高，同時(shí)在調(diào)試中還比較困難，這樣就會(huì)很大程度提高成本。在當(dāng)下新型的扭矩傳感器之所以顯得比較簡(jiǎn)單和實(shí)用，主要是由于在扭矩的實(shí)際測(cè)量過程中僅僅使用了3片石英晶片和4片的分割電極。最為關(guān)鍵的是它的整個(gè)特性是利用試映晶片的扭力來產(chǎn)生的效應(yīng)，而不是我們常見的那種剪切式的效應(yīng)。這里面說的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)其實(shí)就是在壓電晶體受到外界的扭矩以后，這時(shí)的壓電晶體的表面會(huì)出現(xiàn)和產(chǎn)生相應(yīng)的扭轉(zhuǎn)激化的電荷。這些電荷可以通過放大作用傳遞到相應(yīng)的數(shù)字轉(zhuǎn)化器中，以數(shù)字的形式顯示在人們的面前，這就是新型壓電扭矩傳感器的實(shí)際工作原理。

1 扭矩傳感器的結(jié)構(gòu)

這種新型的扭矩傳感器制成的原理是借助于石英晶體具有的壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的，這個(gè)電極和扭矩測(cè)量晶組的實(shí)際連線可以參照實(shí)際的圖形，其中主要是通過3片切型石英和4個(gè)半片的圓分割電極組成的。還可以根據(jù)實(shí)際的整合傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖來進(jìn)行探究。具體的操作方法是把各個(gè)測(cè)量晶體組安裝一定的規(guī)律貼到上蓋和下殼體相應(yīng)的位置，比如內(nèi)腔突出的臺(tái)面的正中心，同時(shí)還要保證絕緣地位的環(huán)在整個(gè)殼體的表面，而上蓋和下蓋的鏈接方式是通過螺絲固定的，可以把相應(yīng)的力施加到需要測(cè)量的扭力組上。然后，下殼體上是有插頭的，實(shí)際上這根插頭是和扭矩測(cè)量晶體組所引出的線相連接在一起的，這樣就可以把電荷引出來了，之后再進(jìn)行放大器的放大，通過AD轉(zhuǎn)換使得電壓信號(hào)變成數(shù)字信號(hào)讀出來，當(dāng)然也可以采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行一定的處理和相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集及記錄。

3 扭矩傳感器的靜態(tài)性能標(biāo)定

關(guān)于扭矩傳感器的標(biāo)定方法其實(shí)有兩種方法，這里我們來先討論靜態(tài)的標(biāo)定方法。實(shí)際上標(biāo)定的過程中最關(guān)鍵的就是將一個(gè)不加任何外力的扭矩施加到承載面上，這個(gè)承載面一定是被標(biāo)定過的傳感器。這時(shí)候要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行一定的處理，例如將整個(gè)被標(biāo)定的系統(tǒng)的傳動(dòng)鏈所引起的各種摩擦產(chǎn)生的扭矩?fù)p失降低到最小的范圍，這個(gè)步驟并不是那么簡(jiǎn)單，而是需要利用專門的扭矩標(biāo)定的裝置。一般情況下，扭矩傳感器的標(biāo)定可以采取自己設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行相應(yīng)的標(biāo)定過程，這樣的裝置需要利用不同的級(jí)別，最常見的是采取兩個(gè)三級(jí)的具備標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)力計(jì)。具體的方法是在一個(gè)固定的力臂上施加兩個(gè)力，這兩個(gè)力的要求是，垂直方向上的同時(shí)要求力的大小相等但是方向相反，以這種方式形成一種扭矩。這時(shí)候的傳感器可以輸出相應(yīng)的信號(hào)，而信號(hào)又可以通過FDH-2的電荷放大器來進(jìn)行放大，數(shù)字電壓表就可以在顯示器上直接地顯示出相應(yīng)的電壓值。

在這個(gè)過程中，扭矩傳感器的標(biāo)定結(jié)果可以參照表1，同時(shí)我們將各項(xiàng)的指標(biāo)都是按照滿量程的方法來計(jì)算，通過一系列的演算過程可以得到傳感器的線性度以及重復(fù)性都是小于1%的，從標(biāo)定的結(jié)果可以表明，這個(gè)扭矩傳感器的各項(xiàng)靜態(tài)的指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到了一定的指標(biāo)，準(zhǔn)確來說達(dá)到了CIRP-STCC的規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。

表1 扭矩傳感器的靜態(tài)標(biāo)定數(shù)據(jù)表

4 壓電傳感器的動(dòng)態(tài)性能標(biāo)定

對(duì)于傳感器的動(dòng)態(tài)標(biāo)定，實(shí)際上就是研究傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)的實(shí)際性能的指標(biāo)，包括的實(shí)際項(xiàng)目是相頻的特性和幅頻的特性。相對(duì)于壓電的傳感器來說，任何與動(dòng)態(tài)性能有關(guān)的數(shù)據(jù)需要參數(shù)存在著一定的固有頻率。對(duì)于壓電扭矩傳感器的測(cè)試中需要固定的頻率測(cè)試系統(tǒng)，有很多的辦法這里我們只介紹鋼球法。具體的鋼球沖擊測(cè)試方法是采用了鋼球沖擊測(cè)量法，在整個(gè)測(cè)試中：首先要采取壓電的加速度來測(cè)出要試驗(yàn)的鋼球能夠?qū)弘妭鞲衅鞯臅r(shí)間響應(yīng)的速度的快慢。這時(shí)候的電荷放大器可以將壓電的加速度的響應(yīng)信號(hào)傳輸出來并且經(jīng)過一系列的放大過程。而這時(shí)的電荷放大信號(hào)可以被分為兩個(gè)路線，其中的一路需要輸入到事先準(zhǔn)備好的示波器中，這樣就可以對(duì)信號(hào)的時(shí)域波形進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的觀察；而另一路就需要輸入到結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)的分析儀中，其可以對(duì)此時(shí)的時(shí)域信號(hào)進(jìn)行FFT的現(xiàn)場(chǎng)分析，同時(shí)繪圖儀通過結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)儀器的分析過程中可以把信號(hào)的頻譜繪制出來。其中的動(dòng)態(tài)標(biāo)定結(jié)果是一個(gè)仿真的過程，這里面我們就不再附上圖形了。

根據(jù)對(duì)仿真圖形的分析，我們可以清楚地看出，當(dāng)扭矩傳感器的軸向中的第一個(gè)階段，它所具備的固有的頻率可以達(dá)到13.824kHz；其中在徑向方向上它的第一個(gè)階段所實(shí)際具有的頻率可以達(dá)到12.672kHz。一般情況下壓電式的傳感器可以測(cè)量到的測(cè)量系統(tǒng)的第一個(gè)階段實(shí)際固有的頻率的一半以上。

5 結(jié)語

經(jīng)過以上的研究我們可以發(fā)現(xiàn)，實(shí)際上扭矩傳感器的工作原理主要是根據(jù)壓電石英晶片的特性實(shí)現(xiàn)的。石英晶片在扭轉(zhuǎn)效應(yīng)原理可以設(shè)計(jì)和制造出相應(yīng)的專用的扭力傳感器，而傳感器是需要采取3片比較普通的石英晶片來作為系統(tǒng)的測(cè)量元件，所以這樣一來整個(gè)系統(tǒng)就顯得比較簡(jiǎn)單，并且在調(diào)整中就會(huì)更加方便自如，相應(yīng)的在制造的成本上就會(huì)大大降低，在應(yīng)用的方向上，像這樣的扭矩傳感器實(shí)際上比較適合用于小力矩的測(cè)量中。在前面我們已經(jīng)采取了嚴(yán)格的靜態(tài)標(biāo)定，這時(shí)候傳感器的技術(shù)指標(biāo)就會(huì)有很大的提高，基本上可以達(dá)到國(guó)家規(guī)定的測(cè)力標(biāo)準(zhǔn)?？梢灶A(yù)見的是，新的壓電扭矩傳感器在未來的使用上將是非常廣泛的，然而了解它的結(jié)構(gòu)和進(jìn)行合理科學(xué)的標(biāo)定，是正確使用它的基礎(chǔ)和保證。所以各個(gè)研發(fā)部門還要加大在這方面的研究力度，使得這種傳感器在應(yīng)用中更加方便，精確度也可以更高。

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作者簡(jiǎn)介：鄭益斌（1971-），男，湖北黃陂人，供職于杭州前進(jìn)齒輪箱集團(tuán)股份有限公司，研究方向：齒輪箱試驗(yàn)臺(tái)架的設(shè)計(jì)及標(biāo)定。

（責(zé)任編輯：周 瓊）