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扭矩传感器研究报告
扭矩传感器是一种测量物体转动力大小的装置。
它利用了物体转动的特性，将产生的扭矩转化为电信号输出到测量仪器上，从而实现对扭矩的测量。
随着工业自动化的发展，扭矩传感器的应用越来越广泛，成为现代工业生产过程中不可或缺的重要仪器之一。
扭矩传感器由一个弹性体、一个信号发生器和一个检测仪组成。
当物体发生转动时，扭矩会作用在弹性体上，导致其形变。
利用这种形变来测量扭矩的大小，通常采用电阻应变测量原理。
电阻应变片的电阻值与长度、截面形状有关，当应变值发生变化时，电阻值也会随之改变。
通过检测电阻值的变化，可以推算出扭矩的大小。
扭矩传感器的性能参数包括测量范围、精度、灵敏度、频率响应等。
其中，测量范围是指扭矩传感器能够测量的最大、最小扭矩值。
精度是指扭矩传感器输出信号值与真实扭矩值之间的误差大小，通常用百分比表示。
灵敏度是指扭矩传感器输出信号值与扭矩的变化量之间的关系。
频率响应是指扭矩传感器对不同频率的扭矩变化产生响应的能力。
现在，市场上已经出现了多种类型的扭矩传感器，包括几何式、磁式、电容式、电磁式等。
不同类型的扭矩传感器有着各自不同的特点和适用范围。
在选择适合自己的扭矩传感器时，需要考虑实际应用场景中的要求，以及传感器的性能参数。
总的来说，扭矩传感器在现代工业生产中具有重要的应用价值。
随着科技的不断进步和技术的不断完善，扭矩传感器的性能和性价比也将不断提高，为实现自动化、数字化、智能化生产提供更加可靠的技术支持。
一种应变型扭矩测量仪的设计与实现文章介绍了一种卡环式应变型超大量程扭矩测量仪的设计方法，该扭矩测量仪测量量程大、能够进行静态和非静态测量，满足了巨型远洋油轮超大量程扭矩测试的需要。
标签：扭矩测量仪；超大量程；卡环式应变型1 概述扭矩和转速是反映机械系统传动性能的典型参数，高精度扭矩和转速测量则是完成机械系统动态特性和响应分析的基础[1]。
由我国自主建造的某型巨型远洋油轮（VLCC）需要一套超大量程扭矩测试装置对油轮主机轴的输出扭矩、转速进行精确测量。
根据船厂要求，该扭矩测量仪的主要参数如下：（1）扭矩测量额定值：500kN·m，最大值：600kN·m；（2）扭矩测量最大允许误差：±0.5%FS；（3）转速测量误差：小于0.5r/min；（4）能够进行静态和非静态测量。
2 扭矩测量仪的现状在欧美发达国家，扭矩测量仪是大型船舶必装设备。
在我国，大型船舶均配备了扭矩测量仪。
根据安装方式的不同，扭矩测量仪分为介入式和非介入式两种。
介入式测量仪必须作为传动轴的一部分才能够测量扭矩。
在被测试设备运行期间不允许断开轴系，因此其应用受到限制；非介入式测量仪是采用两组卡环紧固在被测传动轴上，卡环之间安装测力棒，感应扭转变形，因此无需断开轴系即可测得扭矩。
根据信号传输方式的不同，扭矩测量仪分为接触式和非接触式两类。
接触式滑环传输方式，缺点是易磨损、需常清洗、安装难，容易引入干扰信号，信号测量准确度不高。
非接触式传输方式，信号变换处理的方式为先检测变换处理，后进行传输，故不易引入干扰信号，测量准确度高。
3 扭矩测量仪的设计扭矩测量仪量程大，测量精度高，要求动态测量，选择卡环式应变型扭矩仪，采用非接触式传输。
非介入式测试仪将传感器卡在轴上，无须断开轴系，给实际工况测量扭矩带来很大的方便。
测量出扭矩和转速后，根据公式即可计算出油轮主机轴的功率[2]。
P=■上式中，P为功率，T为转矩，n为转速。
应变式传感器实验报告《应变式传感器实验报告》摘要：本实验旨在通过应变式传感器测量不同材料的应变变化，并分析其与外力的关系。
实验结果表明，应变式传感器具有良好的灵敏度和精度，可用于测量材料的应变变化，为工程应用提供了可靠的数据支持。
引言：应变式传感器是一种常用的传感器，可用于测量物体受力时的应变变化。
通过测量应变的变化，可以得到物体受力的情况，为工程设计和科学研究提供了重要的数据支持。
本实验通过使用应变式传感器，测量了不同材料在受力时的应变变化，并分析了应变与外力的关系。
实验方法：1. 准备实验材料：选取不同材料的样品，如金属、塑料、橡胶等。
2. 安装应变式传感器：将应变式传感器与数据采集系统连接，并将传感器安装在样品上。
3. 施加外力：在样品上施加不同大小的外力，记录应变式传感器的输出数据。
4. 数据分析：通过分析实验数据，得出不同材料的应变与外力的关系。
实验结果：通过实验数据的分析，我们得到了不同材料在受力时的应变变化曲线。
实验结果表明，不同材料的应变与外力的关系存在一定的差异，但总体上呈现出线性关系。
同时，应变式传感器的输出数据具有良好的稳定性和重复性，具有较高的测量精度。
讨论：应变式传感器在测量材料应变变化方面具有良好的性能，可以准确地反映材料受力时的应变情况。
通过本实验的结果，我们可以得出结论：应变式传感器可以用于测量不同材料的应变变化，并为工程应用提供可靠的数据支持。
结论：本实验通过测量不同材料在受力时的应变变化，验证了应变式传感器的性能优良，并得出了应变与外力的关系。
实验结果表明，应变式传感器可以用于测量材料的应变变化，为工程设计和科学研究提供了可靠的数据支持。
毕业设计（论文）-基于应变式传感器的扭矩检测系统设计I基于应变式传感器的扭矩检测系统设计摘要近年来，随着科学技术的进步和测试技术的发展，对扭矩传感器提出了更高的要求。
工程和实际中,许多情况下必须控制和知道扭矩的大小。
本文是在对比多种传感器的基础上针对其他扭矩传感器的缺点，研制开发了一种结构简单，工作稳定的新型高精度应变式扭矩测量仪。
本文对扭矩传感器的发展现状进行了分析，并明确了研究内容和工作步骤。
在扭矩传感器主体的设计过程中，首先介绍了应变式扭矩传感器的测量原理，介绍了一种高精度智能控制扭矩测试仪的设计 ,描述了该仪器的主要机械结构、电路结构和工作原理 ,给出了软件程序流程。
采用高精度应变式传感器，数据采集分析技术设计小量程的静态及低转速动态扭矩。
检测装置达到了预期设计目标要求，相对于其他检测方式精度高而且操作方便。
关键词:应变式传感器扭矩测量电桥The design of torque measurement system based on strainABSTRACTRecently，with the development of test technology and the progress of science and technology，torque sensor is put forward higher requirement( The torque moment size mustbe controlled and known in engineering and practicality. This paper contraposing the shortcomings of other torque sensors a kind of straingauge high-precision torque instrument is designed and developed, which has simple structure and high stability.The present development situation of torque sensor is investigatedin this paper, and confirms the research content and procedure(Duringthe course of designing main body oftorque sensor, measurement pimple of strain torque sensor is introduced firstly .This paper introduces the design of a precisetorsion testing instrument based on a single chip , giving the mechanism structure , the circuit diagram and the sample machine.Using of high-precision torque sensors, data acquisition andanalysis techniques to design small range of static torque can achieve the expected requirements and also can get the higher precision and easier operation reliving to the hanging weight detector. KEY WORDS: torque sensor ，torque measurement，bridge methodIII目录摘要 ....................................................................IABSTRACT ................................................................ II 1 绪论 (1)1.1 引言 (1)1.2 课题的研究背景与来源 (1)1.2.1课题研究背景 .................................................11.2.2课题研究来源 .................................................21.3 扭矩测量发展现状及扭矩检测的几种方法 (2)1.3.1扭矩测量的发展现状 ...........................................21.3.2扭矩测量的几种方法 ...........................................31.3.3扭矩测量的发展前景 ...........................................51.4 课题研究的内容和方法 (5)1.4.1 课题研究内容 ................................................51.4.2 课题研究方法 ................................................6 2 检测装置的基本原理和总体方案 (7)2.1引言 (7)2.2检测装置整体系统框图 (7)2.3电阻应变片及扭矩测量的基本原理: ..................................72.3.1电阻应变片的基本原理 .........................................72(3.2扭矩测量的基本原理 (8)2.4各部分功能介绍 ...................................................102.5方案论证 .........................................................11 3 扭矩传感器的设计 (11)3.1引言 .............................................................113.2 应变片的选用 (12)3.3弹性敏感元件设计 .................................................133.4 扭矩传感器的硬件结构 (13)3.4.1 弹性轴材料的选择和确定 .....................................133.4.2 联轴器的选用 (14)3.4.3导电滑环及滑臂电刷的选用 (16)4 扭矩检测系统各部分电路的设计 .......................................174.1引言 .............................................................174.2电桥电路 .........................................................184.2.1电桥电路的选用 ..............................................184.3放大电路的设计及硬件选用。
应变式传感器实验报告引言应变式传感器是一种广泛应用于工程实践和科学研究中的传感器。
它能够测量材料受到的应变变化，并将其转换为电信号输出。
本实验报告旨在通过实验验证应变式传感器的特性及其在实际应用中的可靠性。
实验目的•掌握应变式传感器的基本原理和工作方式；•理解应变式传感器的线性度、分辨率和灵敏度等性能指标；•通过实验验证应变式传感器的性能，并分析实验结果；•探索应变式传感器在不同应变水平下的反应特性。
实验器材和仪器•应变式传感器•桥式电路•电源•数字示波器•电阻箱•电缆和连接线实验步骤1.将应变式传感器固定在实验台上，保证其与测量物体的贴合度。
2.根据实验要求连接相应的电路，使用电缆和连接线将传感器与电源、数字示波器等设备连接好。
3.打开电源，调节电阻箱的电阻值，改变应变式传感器的工作状态。
4.使用数字示波器记录传感器输出的电信号，并进行数据采集。
5.分析所采集的数据，计算应变式传感器的线性度、分辨率和灵敏度等性能指标。
6.将实验结果进行整理和总结。
实验结果与分析1.实验数据记录：应变水平传感器输出电信号0 0V100微应变0.5V200微应变0.8V300微应变 1.2V400微应变 1.5V500微应变 2.0V2.根据实验数据绘制应变水平与传感器输出电信号之间的关系曲线。
通过曲线观察可得到传感器的线性度。
3.计算应变式传感器的分辨率，即传感器输出电信号的最小变化量。
4.计算应变式传感器的灵敏度，即传感器单位应变水平对应的电信号变化量。
5.根据实验结果分析应变式传感器的性能特点和适用范围。
结论通过本实验，我们深入了解了应变式传感器的工作原理，掌握了其性能指标的计算方法，并验证了其在实际应用中的可靠性。
应变式传感器具有良好的线性度、较高的分辨率和灵敏度，可以广泛应用于材料力学、结构工程和自动化控制等领域。
参考文献[1] G. R. Liu, and S. X. Han. “Strain Sensing Using Fiber Bragg Grating Sensors.” Journal of Intelligent Material Systems and Structures, 9(12), pp. 973-986, 2016.[2] T. D. Chung. “Electromechanical Impedance Sensors for Strain and Damage Detection.” Journal of Intelligent Material Systems and Structures, 11(7), pp. 495-509, 2018.。
应变式扭矩传感器，简单的说，其工作原理是应变式物理变化的扭矩传感器，有的又可以称之为转矩转速传感器、非接触扭矩传感器、旋转扭矩传感器和转矩传感器，这一类是属于动态的传感器。
它主要是对各种旋转或非旋转机械部件上对扭转力矩感知的检测。
扭矩传感器将扭力的物理变化转换成精确的电信号。
扭矩传感器可以应用在制造粘度计，电动（气动，液力）扭力扳手，它具有精度高，频响快，可靠性好，寿命长等优点。
扭矩转速传感器采用的是电阻应变原理，精度高、性能稳定可靠、量程范围大、安装使用方便。
其两端连接方式可根据现场需要分别选用法兰连接、四方键连接、键（通槽）连接。
下面以CFND扭矩传感器为例。
一、CFND扭矩传感器实体图
二、CFND扭矩转速传感器主要技术指标
三、CFND扭矩转速传感器规格
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传感器技术实验报告院（系）机械工程系专业班级姓名同组同学实验时间 2014 年月日，第周，星期第节实验地点单片机与传感器实验室实验台号实验一金属箔式应变片——单臂电桥性能实验一、实验目的：了解金属箔式应变片的应变效应，单臂电桥工作原理和性能。
二、实验仪器：应变传感器实验模块、托盘、砝码（每只约20g）、、数显电压表、±15V、±4V电源、万用表（自备）。
三、实验原理：电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化，这就是电阻应变效应，描述电阻应变效应的关系式为：ΔR/R=Kε，式中ΔR/R为电阻丝电阻相对变化，K为应变灵敏系数，ε=Δl/l为电阻丝长度相对变化。
金属箔式应变片就是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感组件，如图1-1所示，四个金属箔应变片分别贴在弹性体的上下两侧，弹性体受到压力发生形变，应变片随弹性体形变被拉伸，或被压缩。
图1-1通过这些应变片转换被测部位受力状态变化、电桥的作用完成电阻到电压的比例变化，如图1-2所示R5、R6、R7为固定电阻，与应变片一起构成一个单臂电桥，其输出电压εk E R RR R R E U 4R 4E 21140=∆⋅≈∆⋅+∆⋅= （1-1） E 为电桥电源电压，R 为固定电阻值，式1-1表明单臂电桥输出为非线性，非线性误差为%10021L ⋅∆⋅-=RR γ。
四、实验内容与步骤1．图1-1应变传感器上的各应变片已分别接到应变传感器模块左上方的R 1、R 2、R 3、R 4上，可用万用表测量判别，R 1=R 2=R 3=R 4=350Ω。
2．从主控台接入±15V 电源，检查无误后，合上主控台电源开关，将差动放大器的输入端U i 短接，输出端Uo 2接数显电压表（选择2V 档），调节电位器Rw 3，使电压表显示为0V ，Rw 3的位置确定后不能改动，关闭主控台电源。
图1-2 应变式传感器单臂电桥实验接线图3．将应变式传感器的其中一个应变电阻（如R 1）接入电桥与R 5、R 6、R 7构成一个单臂直流电桥，见图1-2，接好电桥调零电位器Rw 1，直流电源±4V （从主控台接入），电桥输出接到差动放大器的输入端U i ，检查接线无误后，合上主控台电源开关，调节Rw 1,使电压表显示为零。
应变式传感器实验报告一、引言应变式传感器是一种广泛应用于工业领域的传感器，其主要作用是测量物体的应变量。
本实验旨在通过实验操作和数据分析，深入了解应变式传感器的原理、性能和应用。
二、实验原理1. 应变式传感器的原理应变式传感器是利用金属材料受力时会产生形变而引起电阻值的变化，从而转化成电信号输出。
当物体受到外力作用时，其表面会产生微小的形变，进而改变金属材料内部电阻值，将这种形变转换为电信号输出即可测量物体所受外力大小。
2. 实验仪器与材料（1）多功能测试仪（2）应变片（3）导线3. 实验步骤（1）将应变片粘贴在被测物体表面，并固定好。
（2）将多功能测试仪连接到计算机上，并打开相应软件。
（3）通过测试仪对被测物体施加不同大小的外力，并记录下相应的电信号输出值。
（4）根据实验数据计算出被测物体所受外力大小。
三、实验结果与分析1. 实验数据记录表外力大小（N）电信号输出值（mV）0 010 2.520 5.130 7.840 10.22. 数据分析从实验数据中可以看出，随着被测物体所受外力的增加，其电信号输出值也随之增加，呈现出一定的线性关系。
通过对实验数据进行拟合，可以得到应变式传感器的灵敏度和线性误差等性能指标。
四、实验结论与建议1. 实验结论本实验通过对应变式传感器的原理和性能进行了深入了解，并通过实验操作和数据分析验证了其可靠性和准确性。
应变式传感器在工业领域有着广泛的应用前景。
2. 实验建议（1）在实验过程中要注意被测物体表面必须平整光滑，并且应变片固定牢固。
（2）在进行数据分析时要注意选择合适的拟合方法，并对误差进行修正。
（3）在使用多功能测试仪时要仔细阅读说明书，并按照说明书操作。
五、参考文献[1] 王志勇, 马海彬, 陈明,等. 应变式传感器原理及其应用[J]. 传感器与微系统, 2010(4):1-4.[2] 黄华, 郑海峰. 应变式传感器的原理及应用[J]. 电气自动化,2012(5):25-27.。
一、实验目的本次实训旨在使学生了解应变传感器的结构、工作原理和应用，掌握应变传感器的安装、调试和测试方法，并学会利用应变传感器进行微小形变的测量。
二、实验原理应变传感器是一种将机械应变转换为电信号的传感器，常用于测量材料的应力、应变等物理量。
其基本原理是：当传感器受到外力作用时，其内部敏感元件（如电阻应变片）会发生形变，导致电阻值发生变化。
通过测量电阻值的变化，可以计算出应变的大小。
三、实验设备1. 电阻应变片2. 电桥电路3. 悬臂梁4. 测量仪5. 电源6. 连接线四、实验步骤1. 安装应变片：将电阻应变片粘贴在悬臂梁的预定位置，确保粘贴牢固且平整。
2. 搭建电桥电路：按照实验要求，将电阻应变片、补偿电阻、电源和测量仪连接成电桥电路。
3. 调试电路：调整电桥电路，使电路处于平衡状态，即电桥两端的电位差为零。
4. 施加力：在悬臂梁的一端施加力，使悬臂梁发生形变。
5. 测量电阻值：利用测量仪测量电阻应变片两端的电阻值。
6. 计算应变：根据电阻值的变化，计算出悬臂梁的应变。
五、实验结果与分析1. 电阻值变化：在悬臂梁施加力的情况下，电阻应变片的电阻值发生了明显的变化。
随着力的增大，电阻值逐渐减小，呈现出线性关系。
2. 应变计算：根据电阻值的变化，计算出悬臂梁的应变。
结果表明，悬臂梁的应变与施加的力成正比。
3. 误差分析：实验过程中，由于仪器精度、环境因素等因素的影响，测量结果存在一定的误差。
通过对比理论值和实验值，分析误差产生的原因，并提出改进措施。
六、实验结论1. 应变传感器能够有效地将机械应变转换为电信号，实现微小形变的测量。
2. 电桥电路是测量应变的基本电路，具有测量精度高、稳定性好的特点。
3. 在实际应用中，应充分考虑实验条件、仪器精度等因素，以提高测量结果的准确性。
七、实验拓展1. 研究不同类型的应变传感器，如压阻式应变传感器、光电式应变传感器等，比较其优缺点。
2. 研究应变传感器的抗干扰能力，提高测量精度。
应变式扭矩传感器简单设计报告一、设计目标本次设计的目标是设计一个简单的应变式扭矩传感器，用于测量旋转系统中的扭矩大小。
传感器应具备以下特点：1.简单实用：设计的传感器应该结构简单且易于制造和使用。
2.高精度：传感器应该具备高精度的扭矩测量能力，误差应尽量减小。
3.广泛适用性：传感器应适用于不同种类的旋转系统，包括小型电机、汽车发动机等。
4.经济实惠：传感器的制造成本应该尽量降低，以提高市场竞争力。
二、设计原理传感器的设计基于应变测量原理，即利用材料在受力后产生的应变来测量力的大小。
在这种设计中，将扭矩作用在一个特定材料上，然后通过测量该材料的应变来推导出扭矩的大小。
三、设计步骤1.材料选择：选择合适的材料作为传感器的基底，应具备耐高温、高强度和良好的弹性恢复性能。
常用的材料有弹簧钢、合金钢等。
2.结构设计：设计一个细长的杆状结构，可通过键槽与扭矩源连接。
杆状结构的一端用于固定，另一端用于连接受力，可通过设计合适的连接口与测试对象连接。
3.应变测量：在杆状结构上安装一对应变片，以测量杆状结构在扭矩作用下发生的应变。
应变片可采用金属薄片，如常用的金属片或金属箔。
4.传感器电路设计：将应变片接入一个电桥电路，用于测量应变片的阻值变化。
通过在电桥电路中接入精密电阻，可得到通过传感器的电流，从而推导出扭矩大小。
5.实时监测与输出：设计一个电压表或模拟输入电压的数据采集器，将传感器输出的电流转化为实际扭矩，并进行实时监测和数据输出。
四、预期效果通过以上设计，预期能够设计出一个简单实用的应变式扭矩传感器，能够准确测量扭矩大小，并输出给用户。
传感器结构简单，易于制造和使用，同时具备高精度和广泛适用性。
制造成本较低，具备较高的市场竞争力。
五、可能遇到的问题与解决方案1.设计材料的选取问题：根据需要选择适合的材料，比如弹簧钢（经济实惠）、合金钢（高强度）等，同时评估材料的性能以确保其满足设计要求。
2.结构设计问题：设计过程中需考虑连接接口、材料选择、结构强度等问题，可以通过借鉴现有的扭矩传感器设计经验来解决。
扭矩传感器的原理及应用实验报告1. 引言本实验报告旨在研究和分析扭矩传感器的原理及其在实际应用中的效果。
通过对扭矩传感器进行实验测试，我们可以更深入地了解其工作原理和应用领域。
2. 实验目的本实验的主要目的是：•研究扭矩传感器的工作原理；•分析扭矩传感器在不同应用场景下的性能。
3. 实验设备本次实验使用的设备和材料如下：•扭矩传感器•电子称•示波器•运动控制系统•计算机4. 实验步骤实验过程中，我们采取以下步骤进行：1.将扭矩传感器安装到测试平台上；2.连接扭矩传感器与示波器，记录输出信号；3.设置不同的扭矩值，分别进行测试；4.记录并比较实验数据；5.分析实验结果。
5. 实验结果与分析根据实验数据，我们可以得到以下结论：•扭矩传感器在不同的扭矩值下具有较高的精确度；•扭矩传感器的输出信号与输入扭矩呈线性关系；•扭矩传感器在工作范围内具有较好的稳定性和重复性。
6. 应用领域分析通过本实验可以看出，扭矩传感器在许多领域中具有广泛的应用前景。
以下是扭矩传感器的一些常见应用场景：•工业生产：扭矩传感器可以用于监测机械设备的运行状态，确保生产过程的稳定性和安全性；•汽车工业：扭矩传感器可以用于检测汽车发动机的扭矩输出，提高发动机效率；•航空航天：扭矩传感器可以用于监测航空航天器件的转动情况，确保飞行安全。
7. 结论通过本次实验，我们深入了解了扭矩传感器的工作原理及其在实际应用中的表现。
扭矩传感器具有较高的精确度、线性关系、稳定性和重复性，因此在工业生产、汽车工业和航空航天等领域具有广泛的应用前景。
8. 参考文献•张三，李四。
《扭矩传感器原理与应用》。
科学出版社，2020年。
9. 致谢感谢实验中给予指导和支持的老师和同学们。
以上为扭矩传感器的原理及应用实验报告的基本结构和内容，通过对实验步骤、实验结果和应用领域的分析，我们能够更全面地了解扭矩传感器的工作原理和实际应用。
基于电阻应变式扭矩传感器与MSP430的扭矩测量系统设计2.应变式扭矩传感器2.1 金属应变计工作原理电阻应变片的工作原理是基于金属的应变效应[4]。
金属丝的电阻随着它所受的机械变形的大小而发生相应的变化的现象称为金属的电阻应变效应。
例如，一段金属丝的电阻R 与丝的长度L ，横截面A 有如下关系：LR Aρ= （2-1）若金属丝受到拉力F 作用伸长，伸长量设为l ∆，横截面积相应减少A ∆，电阻率的变化设为ρ∆，则电阻的相对变化量为：R l A R l A ρρ∆∆∆∆=-+（2-2）又因为对金属丝来说222,2,2A r r rA r A rdr A r rππππ∆∆∆=∆===于是有：2R l r R l r ρρ∆∆∆∆=-+（2-3）由材料力学知，弹性限度内材料的泊松系数为//r rl lμ∆=-∆，则有0(12)R l lK R l l ρμρ∆∆∆∆=++=（2-4）式中0/12/K l lρρμ∆=++∆为金属丝的灵敏度系数，它越大表明单位应变引起的电阻相对变化越大。
若令llε∆=为金属丝的轴向相对应变，则(12)RR ρρμεε∆∆=++（2-5）从上式可知，灵敏度系数受两个因素影响：一个是受力后材料的几何尺寸的变化，即12μ+；另一个是受力后材料晶格畸变引起电阻率发生的变化及ρρε∆。
对金属材料电阻丝来说，灵敏度系数表达式中12μ+的值要比ρρε∆大得多。
因此在相当的范围内，电阻的相对变化与金属丝的纵向应变ε成正比，也及金属丝有着不错的线性度。
2.2 扭矩测量原理弹性体是扭矩传感器的关键部件，它直接与被测对象接触（例如电机转轴）并引起应变片产生形变。
弹性轴在受到扭转时发生形变（如图），轴上会有应力和应变产生。
其横截面会受到一个剪应力，该剪应力按照直线规律变化，在轴的中心处为零，轴的表面达到最大[4]。
(1)弹性轴横截面剪应力（2）弹性走表面法向张力图2.1 弹性轴横截面与表面手里分析现在从弹性轴的径向表面上取一个单元进行研究，如图，在其与杆轴成45度与135度的斜面上，受到法向应力，此法向应力为主应力，其数值等于横截面上的剪应力τ[4]。
实验二应变式压力传感器的制作一、实验目的掌握应变式压力传感器的工作原理和制作方法。
二、实验设备数字万用表；试件：电阻应变片；KH-502；丙酮：乙醇：脱脂棉；银子：砂布：放大镜：白布带：胶带：白胶布等。
三、实验原理将应变片粘固在弹性元件或需要测屋变形的物体表而上。
在外力作用下，电阻丝即同弹性件一起变形，其电阻值发生相应的变化。
由此，将被测疑转换为电阻变化。
由于电阻值R = pL/A,H 中长度L,截而积止电阻率Q均将随电阻丝的变化而变化。
而L, A, q的变化又将引起R的变化。
当每一可变因素分别有一增量dL, dA, dp时，所引起的电阻增疑为：dR dR dRdR = dL dL + dX dA + d^dp式中力=rrr2,则电阻的相对变化：dR dL 2dr dp__ = ___ —____ +__R L r p式中dL/L = s—电阻丝轴向相对变形，或纵向应变。
dr/r—电阻丝径向相对变形，或称横向应变。
当电阻幺幺沿轴向伸长时，必沿径向缩小，两者之间的关系为：dr dL——=—v —T L式中V—电阻丝材料的泊桑比：dp/p = Aa = XEs—电阻丝电阻率相对变化；E—电阻丝材料的弹性模量;四、实验步入一压阻系数。
则有：—=£ + 2vs + XEs = (1 + 2v + AE )£由于;IE 很小，对同一材料，l + 2v 是常数，则dR —=(l + 2v>由此表明了电阻相对变化率与应变成正比。
(一)传感器弹性元件的设计;受力弹性元件设让为圆简形，见图，基本参数为P=100KN,材料：40Cr o技术要求：调质处理。
弹性元件的径向尺寸主要根据强度条件确左，假如最大载荷为P,材料的许用应力为[e], 则弹性元件承载而积F 应为：F = P/[a].弹性元件为圆筒体，可根据结构需要先选泄外径D 或内径d,然后由下式确立d 或D ：弹性元件髙度H 的确左，要考虑弹性元件的应力分布均匀，稳泄性及动态特性。
扭矩测量仪设计说明书目录一、设计背景 (3)二、设计题目与设计要求 (3)三、扭矩测量及应变片的原理 (3)1、扭矩测量的原理 (4)2、应变片的原理 (4)四、总体方案确定 (5)五、具体方案设计 (5)1、扭矩传感器的设计 (6)2、信号的中间变换与传输 (7)3、试验数据采集系统设计 (10)六、测量误差分析及数据处理 (11)七、参考文献 (12)八、附件1、CAD图2、感想一、设计背景不久前，市场研究机构Darnell Group在一份报告中指出，2010年扭矩测量仪价格预计将与现有模拟产品持平。
扭矩测量仪的平均价格已经从几年前的6美元降到了目前的3美元以下，预计2010年将跌破2美元。
Darnell表示，随着数字与模拟控制器解决方案价格趋同，更多、更符合具体应用的第二代扭矩测量仪推出，软件开发环境持续改善，以及市场更加了解扭矩测量技术等因素的推动，扭矩测量产品生命周期的“引入”阶段接近结束，扭矩测量仪市场将迎来加速增长。
现在，中国已成为全球最大的数字式控制产品应用市场。
汽车电子和工业电子成为维持中国数字是控制器市场增长的关键推动因素。
此外，监控、马达控制和测量仪器市场的增长也对中国市场有较大贡献，特别是安全系统、马达控制、电力机车、安全与控制以及车载娱乐系统将成为扭矩测量仪的新驱动力。
扭矩传感器，分为动态和静态两大类，其中动态扭矩传感器又可叫做转矩传感器、转矩转速传感器、非接触扭矩传感器、旋转扭矩传感器等。
扭矩传感器是对各种旋转或非旋转机械部件上对扭转力矩感知的检测。
扭矩传感器将扭力的物理变化转换成精确的电信号。
扭矩传感器可以应用在制造粘度计，电动（气动，液力）扭力扳手，它具有精度高，频响快，可靠性好，寿命长等优点。
二、设计题目与设计要求1、设计题目：设计一款扭矩仪及扭矩传感器。
2、设计要求：1）精度高，频响快，可靠性好，寿命长；2）体积小、质量轻，便于安装使用；4）没有导电环等磨损件，可以高速长时间运行；3、使用条件：由于扭矩测量仪一般用在机器之间的传动轴上，振动大，灰尘、油雾、水污比较多，故要求传感器封闭，只留下两个轴端在外面，工作温度在0~60度。
应变式传感器实验报告应变式传感器实验报告一、引言传感器是现代科技领域中不可或缺的重要组成部分，它们能够将物理量转化为电信号，为我们提供了丰富的数据信息。
应变式传感器作为一种常见的传感器类型，广泛应用于工业控制、结构监测等领域。
本实验旨在通过实际操作，探究应变式传感器的原理和特性。
二、实验目的1. 了解应变式传感器的工作原理；2. 掌握应变式传感器的基本特性；3. 学会使用应变式传感器进行应变测量。
三、实验装置与步骤1. 实验装置：应变式传感器、电桥、示波器、电源等；2. 实验步骤：a. 将应变式传感器与电桥相连，并接通电源；b. 调节电桥平衡，使示波器显示零信号；c. 在应变式传感器上施加不同的应变，观察示波器的变化；d. 记录不同应变下的电桥输出电压。
四、实验结果与分析1. 实验结果：在不同应变下，电桥输出电压呈线性变化，且随着应变的增加而增加。
2. 实验分析：应变式传感器的工作原理是基于材料的应变与电阻变化之间的关系。
当外力作用于传感器时，传感器的材料会发生应变，导致电阻发生变化，进而改变电桥的平衡状态。
因此，通过测量电桥的输出电压，我们可以间接地获得应变的信息。
五、实验讨论1. 实验误差：在实验过程中，由于实验条件的限制以及仪器的精度等因素，可能会导致实验结果存在一定的误差。
为减小误差，可以采取多次实验取平均值的方法，同时注意操作的准确性。
2. 应用领域：应变式传感器在工业控制、结构监测等领域具有广泛的应用。
例如，在航空航天领域中，应变式传感器可以用于飞机结构的应变监测，确保飞机的安全性和可靠性。
3. 发展前景：随着科技的不断进步，应变式传感器的性能也在不断提高。
未来，我们可以预见，应变式传感器将更加精确、灵敏，并且能够应用于更多的领域，为人们的生活带来更多便利和安全。
六、结论通过本次实验，我们深入了解了应变式传感器的工作原理和特性，并通过实际操作获得了一定的实验数据。
应变式传感器作为一种重要的传感器类型，在工业控制、结构监测等领域发挥着重要作用。
基于电阻应变式扭矩传感器与MSP430的扭矩测量系统设计2.应变式扭矩传感器2.1 金属应变计工作原理电阻应变片的工作原理是基于金属的应变效应[4]。
金属丝的电阻随着它所受的机械变形的大小而发生相应的变化的现象称为金属的电阻应变效应。
例如，一段金属丝的电阻R 与丝的长度L ，横截面A 有如下关系：L R Aρ= （2-1）若金属丝受到拉力F 作用伸长，伸长量设为l ∆，横截面积相应减少A ∆，电阻率的变化设为ρ∆，则电阻的相对变化量为：R l A R l A ρρ∆∆∆∆=-+（2-2）又因为对金属丝来说222,2,2A r r rA r A rdr A r rππππ∆∆∆=∆===于是有：2R l r R l r ρρ∆∆∆∆=-+（2-3）由材料力学知，弹性限度内材料的泊松系数为//r rl lμ∆=-∆，则有0(12)R l lK R l l ρμρ∆∆∆∆=++=（2-4）式中0/12/K l l ρρμ∆=++∆为金属丝的灵敏度系数，它越大表明单位应变引起的电阻相对变化越大。
若令llε∆=为金属丝的轴向相对应变，则(12)RR ρρμεε∆∆=++（2-5）从上式可知，灵敏度系数受两个因素影响：一个是受力后材料的几何尺寸的变化，即12μ+；另一个是受力后材料晶格畸变引起电阻率发生的变化及ρρε∆。
对金属材料电阻丝来说，灵敏度系数表达式中12μ+的值要比ρρε∆大得多。
因此在相当的范围内，电阻的相对变化与金属丝的纵向应变ε成正比，也及金属丝有着不错的线性度。
2.2 扭矩测量原理弹性体是扭矩传感器的关键部件，它直接与被测对象接触（例如电机转轴）并引起应变片产生形变。
弹性轴在受到扭转时发生形变（如图），轴上会有应力和应变产生。
其横截面会受到一个剪应力，该剪应力按照直线规律变化，在轴的中心处为零，轴的表面达到最大[4]。
(1)弹性轴横截面剪应力（2）弹性走表面法向张力图2.1 弹性轴横截面与表面手里分析现在从弹性轴的径向表面上取一个单元进行研究，如图，在其与杆轴成45度与135度的斜面上，受到法向应力，此法向应力为主应力，其数值等于横截面上的剪应力τ[4]。
图中，此应力在一个方向上受拉伸，另一个方向上受压缩。
因此，圆轴扭转时，表面受到最大拉应力1σ和压应力2σ，且12max σστ=-=。
在测量弹性轴扭矩时，在与轴线呈45°和135°的两个方向（互相垂直）各贴一片应变片，如图。
根据材料力学，沿1R 方向和2R 方向的应变1ε和2ε分别为：121EE σσεν=-（2-6）212EE σσεν=-（2-7）式中，ν表示泊松比，E 表示弹性模量易知应变片1R 和应变片2R 受到的应变数值一样，符号相反。
图2.2 传统贴片方式示意图根据材料力学原理，受纯扭矩的轴，其横截面上的剪应力τ与轴上扭矩的关系为：pM W τ=（2-8）式中M 为轴上扭矩，p W 为轴截面的抗扭模数。
因此12pMW σστ=-==，对于应变片1R ，可以求出其应变为 11pME W νε+= 整理得到：1011p W E M C εεν==+（2-9）式中0C 是个常数，其数值为01p W E C ν=+。
又由于RK Rε∆=，所以： 0C M R KR=∆ （2-10）从上式知，圆轴的扭矩大小与应变片的电阻该变量呈正比，因此通过应变片测量扭矩理论可行。
另外在图。
中在测点处与轴线呈45°和135°的两个方向各贴一片应变片，形成一对应变花，如果采用半桥片和全桥四片测扭，能排除横剪力的影响。
但是由于两片应变片花相互有重合的部分，会降低应变片的应变能力，因此实际中应变片可分开贴，例如每90°均匀分布。
图2.3 分布贴片方式立体图2.3扭矩传感器成品应变式扭矩传感器是以图所示结构为核心制造的。
除此以外还有减震的基座，以及配套的联轴器。
并且为了减少带来的额外负载，成品扭矩传感器制造精度很高，内部摩擦力很小。
另外图。
中给出了常见扭矩传感器的安装方式。
显然若使用刚性联轴器，由于无减震作用，对两轴的安装要求比较高。
若使用带减震功能的联轴器，则会抬高成本。
不过与声波表面力矩传感器等相比，扭矩传感器依然是在一般工况下最合适的扭矩传感器之选。
（1）扭矩传感器水平安装方式（2）扭矩传感器竖直安装方式图2.4 扭矩传感器的两种常见安装方式3.电路设计3.1 总体电路结构设计传感器采集的信号需要通过一系列处理才能使用。
经过学习与资料查找，一个典型的信号采集处理的电路部分如下图图3.1 扭矩传感器系统设计图由于本次实验设计中指定了单片机为MSP430，所以决定在单片机已定的情况下，逆向设计并决定各部分的芯片选型。
3.2 MSP430芯片在信号采集处理电路中，单片机对信号做各种算法处理后传递给后续电路，是很重要的部分，为了使其正常工作，其信号输入必须符合规定。
MSP430P325芯片（PG封装）的管脚图如下：图3.2 MSP430P325PG芯片引脚图内部功能模块图如下：图3.3 MSP430内部功能图很显然我们可以利用MSP430自带的ADC模块来简化总的电路处理设计。
实际上MSP430本身就是一款混合信号处理芯片，所以实际上在图…中可以省略AD模块的设计，直接将滤波后得到的信号输入A0至A5引脚中的一个。
查阅资料知MSP430的ADC 采用模拟输入时输入范围在VCC 到GND 之间，查阅后将AVCC ，DVCC 置为5v ，AVSS ，DVSS 接地，这样ADC 模块的模拟输入范围在0到5伏之间。
3.3 滤波电路由于在实际电路中，电路不可避免地会受到干扰，并且应变片也可能受到扰动，所以需要采用滤波电路来消除噪音的影响。
通过查询知，一般应变式扭矩传感器输出信号的频率在10到10kHZ 之间。
而干扰以外界的高频干扰为主，所以滤波电路可以采用简单的一阶有源低通滤波器。
另外如果我们把信号放大功能全部在放大电路中实现时，此处就不需要再对电压进行放大。
因此可以使用电压跟随器来代替原本的同相比例放大电路，电压跟随器输入阻抗刚，输出阻抗很低，因此带负载能力很强。
如下图所示：图3.4 低通滤波电路原理图由图可得：1111()()()11out in in SCU S U S U S SR CR SC==++（3-1）因此，电路的传递函数为：1A(S)1out in U S U ω==+（3-2）式中011R C ω=，则其截止频率为112c f R Cπ=。
本次实验设计中，考虑到直流信号频率比较低，折衷考虑后设置1c f kHZ =，则可取11R k =Ω，0.18C F μ=。
在为运放选型时，考虑到运放的增益带宽积（Gain Bandwidth Product ）要比滤波器截止频率高至少100倍。
转换率（Slew Rate ）要至少为2outp p c V f π-，其中outp p V -为滤波器输出电压的峰峰值，于是选择OP07作为运放。
实际上OP07是一种精密运放，它有很低的输入失调电压，很高的开环增益，特别适合用于放大传感器的微弱信号，再后续讲到放大电路时我们仍然选择OP07作为主要运放。
用multisim 仿真对低通滤波电路进行观察[5]，发现其幅频特性符合我们预期的要求，如图：图3.5 低通滤波仿真电路图3.6 低通滤波电路副频特性在仿真波特图曲线中，-3dB 处频率为1kHz ，满足设计要求。
3.4 电桥电路必须要先设计好电桥电路，因为放大电路的放大倍数是由输入和输出一起决定的。
由于采用了2.2中的应变片粘贴方式，所以决定采用全桥电路进行测量。
一个典型的全桥电路原理图如下：图3.7 全桥电路原理图我们选择1234R R R R ===，即在初始条件下1423R R R R =，此时0U =，当四个电阻分别变化1234,,,R R R R ∆∆∆∆时：114422331212343431241234()()()()(R R R R )(R R )()4R R R R R R R R R R U R R R R R R E R R +∆+∆-+∆+∆=++∆+∆++∆+∆∆∆∆∆≈--+（3-3）由于四个电阻的初值大小一致，而且1234R R R R R ∆=-∆=-∆=∆=∆，所以：RU ER∆= （3-4）图3.8 全桥电路仿真电路利用可变电阻代替应变片进行仿真，电阻原阻值大小为100欧姆，E 大小为10伏特，当电阻变化4欧姆时，如下图所示，输出电压为0.4伏，与上述推理相符。
图3.9 全桥电路仿真结果在查阅了若干资料后，发现应变片的电阻值一般在百欧姆级别，采用全桥电路输出电压往往在几毫伏到几十毫伏之间。
在比较不严谨的考虑过后，人为52 %48 %XSC1将后续放大电路的放大倍数定为 200。
但实际中，应当对应变片进行标定并对电桥电路经过足够测试后再得到一个合适的放大倍数值。
3.5 放大电路查阅了若干资料后，决定再本次仿真设计中采用带运放的差分放大电路。
其一般原理图如图。
它具有高共模抑制比，高输入阻抗，低噪声，低线性误差，高信噪比等特点。
它的应用十分广发从仪器测量放大器到特种测量放大器都有其踪影。
图3.10 差分放大电路原理图从上图中可看出，电路主要由两级放大电路构成，A1，A2为同相差分输入方式，提高了电路输入阻抗，减小了电路对微弱输入信号的衰减，而差分输入使电路只对差模信号放大，对共模信号只起跟随作用，使得输入到后级信号的共模抑制比得到提高。
在图中有以下关系成立：10122012123U U U U U U R R R ---== （3-5）204457outU U U U R R --= （3-6）103346U U U R R -= （3-7）由于31R R =于是可得到：U1U10U2 U20U3U4UoR1R2R3R4R5R6R7A1A2A311020122(12)()R U U U U R -=+- （3-8）又由于45R R =，67R R =再结合“虚短虚断”的概念可得：510206out R U U U R -=（3-9）所以：611252(12)()out R RU U U R R =+- （3-10）若取63100R R k ==Ω，5210R R k ==Ω，则得放大倍数为210，与之前的设计要求基本相符下图是multisim 仿真电路以及仿真结果图，示波器的A 通道显示差分输入的大小，B 通道显示的是放大电路的输出大小，可以看出，电路的放大倍数基本符合要求图3.11 差分放大电路仿真电路XSC1图3.12 差分放大电路仿真结果3.6 后续功能现在整个系统的信号采集部分已经设计完成，各部分的功能也基本满足要求。
但是采集后的信号需要经过合适的处理才能进行后续的应用。
