新型压电扭矩传感器的结构与标定
2006年 第5期
仪表技术与传感器
Instrument Technique and Sensor2006 No15
新型压电扭矩传感器的结构与标定
高长银1,赵 辉1,马龙梅1,王金凤1,孙宝元2
(1.郑州航空工业管理学院机电工程系,河南 郑州,450015;2.大连理工大学机械工程学院,辽宁 大连,116024)
摘要:介绍了以压电扭转效应为基础的新型扭矩传感器。该传感器的扭矩测量晶组仅由3片石英晶片与4片半圆分割电极组成,它的主要特征是利用石英晶片的扭转效应,而不是常用的剪切效应。所谓扭转效应是指当压电晶体受到
扭矩作用时,在压电晶体的某些表面产生扭转极化电荷的现象。利用积分法理论上得出该传感器量程的理论计算公式,通过静态,该传感器的测量范围为-9~9N#m,而且具有良好的线性,该扭矩传感器的各项静态指标均达到了CIRP-STCC标准。同时动态标定表明,它的固有频率高达12kHz.
关键词:扭矩传感器;扭转效应;固有频率;标定
中图分类号:TP212.2 文献标识码:A 文章编号:1002-1841(2006)05-06-02
StructureandCalibrationofNewTypeofPiezoelectricTorqueSensor
GAOChang-yin1,ZHAOHui1,MALong-mei1,WANGJin-feng1,SUNBao-yuan2
(1.DepartmentofMechanicalandElectricalEngineering,ZhengzhouInstituteofAeronauticalIndustryManagement,Zhengzhou450015,China;2.SchoolofMechanicalEngineering,DalianUniversityofTechnology,Dalian116024,China)
Abstract:Anewtypeoftorquesensorbasedonthepiezoelectrictorsionaleffectintroduced.Thetorquemeasuringcellofthetorquesensorisonlymadeupofthreepiezoelectricquartzdiscsandfoursemicircularelectrodes,whoseoutstandingfeatureisthatthenewtorquesensorusesthepiezoelectrictorsionaleffect,ratherthanthesheareffect.Thetorsionaleffectisthatwhenatorqueisappliedtoapiezoelectriccrystal,thepolarizedchargeproducesonitssurfaces.Accordingtotheintegralmethod,thetheoreticalformulaofrangeisobtained.Thestaticcalibrationshowstherangeofthenew-typetorquesensoris-9~9N#m,anditslinearityisverywell,whicha-lreadyreachthestandardstipulatedbytheCIRP-CTCC.Atthesametime,throughdynamiccalibrationthenaturalfrequencyofthetorquesensorexceeds12kHz.
KeyWord:torquesensor;torsionaleffect;naturalfrequency;calibration0 引言
当前,采用压电石英测量扭矩的方法是将许多对(1对为两片)Y0切型的石英晶片均匀分布在以半径为R的分布圆上,要求每对Y0切型晶片的最大灵敏度方向严格与分布圆相切,电极从每对晶片中间引出,以实现/力@力臂0的扭矩测量方法[1]。采用力臂法测量扭矩对传感器的制造与使用都提出了很高的要求。既要保证各晶片均匀受力,也就是说要求晶片对之间有严格的等高性,晶片与壳体接触表面之间有较高的平面度和粗糙度;又要求在测量时,扭矩作用线与晶片分布圆中心线相一致,否则将造成测量误差。这些都导致了传感器结构复杂,工艺要求高,调试难度大,成本提高。
1 扭矩传感器的结构
新型扭矩传感器是利用石英晶体的压电效应研制而成[2],扭矩测量晶组与电极间连线见图1,主要由3片Y0b切型的石英晶片与4片半圆分割电极组成。
图2为传感器的结构示意图。首先将扭矩测量晶组贴放在上盖和下壳体的内腔凸台中心上,绝缘定位环紧贴在下壳体的内腔表面,上盖通过螺钉与下壳体连接在一起,并将预紧力施加到扭矩测量晶组上。最后,在下壳体上装有插头,插头与
扭矩测量晶组的电极引线相连,将产生的电荷引出,通过电荷放大器放大并转变成电压信号由数字表读取或由计算机进行采集记录和处理。
图1 扭矩测量晶组与电极连线
1)下壳体;2)绝缘定位环;3)螺钉;4)扭矩测量晶组;5)上盖;6)插头
图2 扭矩传感器的结构图
:2 扭矩传感器的量程计算
扭矩值的大小是传感器的重要参数,也是设计的依据。
第5期
高长银等:新型压电扭矩传感器的结构与标定
表1 扭矩传感器静态标定数据表
扭矩/N#m
输出电压/mV1 2 3
7
要利用石英晶片的压电效应测量扭矩,主要是利用晶片与壳体之间的摩擦力,若沿传感器轴向施加上一定的预载荷N,则在扭矩测量晶组的结合面上便产生了一定的摩擦力,可求得摩擦力大小为
Ff=f#N
式中f为石英与金属的摩擦系数,一般取0.1[3]。
由摩擦力Ff乘以摩擦力半径便得到摩擦力矩Mf.如果忽略壳体弹性变形影响的话,所得到摩擦力矩Mf即为所要求检测的外力矩Mf,二者总是相等的,即
Mf=Mt
(2)(1)
平均值/mV理论值/mV线性度/%FS重复性/%FS
摩擦力矩的计算采用积分法,见图3。图中微分面元上的扭矩为
Q2dQdHA
式中:A为晶片的面积;Q为摩擦半径。
dMt=f#dN#Q=f#
(3)
[***********][***********][***********][***********][***********]1005010099.67149.67201.[***********]00406.[1**********]0
51111102.22153.33204.44255.56306.67357.78408.89460100
01770187
压电扭矩传感器固有频率测试系统如图4所示,测试方法采用钢球冲击法。测试过程为:由压电加速度传感器测出钢球
对压电传感器的时间响应,电荷放大器将压电加速度传感器输出的电荷信号转换为电压信号并进一步放大,电荷放大器的输出信号分为两路,一路输入示波器,用于观察信号的时域波形;另一路输入结构动态分析仪,对时域信号进行FFT分析,绘图仪在结构动态分析仪分析的同时绘出信号的频谱。动态标定结果见图5
。
取正压力N=15000N,通过积分可得到总的摩擦扭矩为
r2P
N2
Mt=f##Q2#dQdH=fNr=9175N#m(
4)
A300
图4
压电扭矩传感器固有频率测试系统
图3 扭矩量程的积分确定法
由于该计算方法的近似性,为了减小误差,取9N#m作为该扭矩传感器的量程。
3 扭矩传感器的静态性能标定
扭矩标定的关键是要将一个纯扭矩(不附加任何其他外力)加到被标定传感器的承载面上,而且应把整个标定装置传动链中由摩擦等引起的扭矩损失降低到最低限度,这往往需要采用专用的扭矩标定装置。扭矩传感器的标定采用自行设计的标准标定装置上进行采用两个三级标准测力计在一定的力臂上垂直施加两个大小相等、方向相反的力来形成扭矩,传感器的输出信号经FDH-2型电荷放大器放大后,由数字电压表直接显示电压值。
扭矩传感器的标定结果见表1,各项指标按满量程法计算,经计算可知传感器的线性度与重复性均小于1%,标定结果表明,该扭矩传感器的各项静态指标已达到了CIRP-STCC(国际生产工程研究会)切削科学技术委员会)规定的标准[4]。4 压电传感器的动态性能标定
传感器的动态标定主要是研究传感器的动态响应性能指标,一般主要包括幅频特性与相频特性。对压电传感器来说,与动态响应有关的参数主要是固有频率Xn.
(b)径向频率响应特曲线图5 传感器的频率响应特性曲线
(a)
轴向频率响应特性曲线
从图5中可以看出,扭矩传感器轴向第一阶固有频率为Xa=131824kHz,径向第一阶固有频率为Xr=121672kHz.一般压电式传感器可以测量到测量系统的第一阶固有频率的一半左右[5]。5 结论
扭矩传感器是根据压电石英晶片扭转效应理论设计与制
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InstrumentTechniqueandSensor
参考文献:
May12006
中夹入两块PDMS,微流控沟道和光纤位于两块PDMS之间,芯片俯视图如图6所示。在进行实验时,把该芯片放在一个特制的测试盒中,芯片上的沟道与光纤交叉处刚好对准光电倍增管,用蓝色发光二极管作为激发光源,通过光学透镜把蓝光引入到光纤中,光纤照射到微流控沟道后激发沟道中的荧光物质使其发出荧光,荧光信号经过滤光片滤光后通过光电倍增管进行收集。检测原理如图7
所示。
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图6
夹心式微流控光纤芯片俯视图
图7 检测原理
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作者简介:苏波,(1975)),博士,主要从事光电检测技术的研究。
实验中也发现,若用蓝色发光二极管对准芯片上的微流控
沟道与光纤交叉处来激发荧光,并用光纤收集荧光信号,光纤另一端经滤光片滤光后送往光电倍增管也能得到相同的实验结果,但噪声信号有所降低,同时省去了光学透镜,操作比较简单。这种芯片是可逆封装的,能够重复使用,清洗比较方便;芯片上的两块PDMS比较薄,散热好,在电泳时微流控沟道中不容易产生气泡,能够加高压,使电泳分离效率有所提高。3 结束语
综述了目前几种带有光纤的微流控芯片的制作以及检测方法,分析了它们的优缺点以及存在的问题。用雪崩光电二极管作为荧光收集器件和用有机发光二极管作为激发光源,在微流控芯片的制作和检测方面是两个很好的发展方向。但是,芯片及其检测系统的小型化是目前发展的主流,在技术成熟的情况下,若能把微雪崩二极管和有机发光二极管都集成在芯片上,则省去了光电倍增管和激光器件或者发光二极管,这样整个系统的体积必将大为减小,检测灵敏度也相应地提高。
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造的,传感器只采用3片普通Y0o石英晶片作为测量元件,具有结构简单,调整方便,成本低等特点,该扭矩传感器适用于小扭矩测量。经过严格的静态标定,该传感器的技术指标全面达到CIRP-STCC规定的测力仪标准。参考文献:
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作者简介:高长银,(1975)),博士,主要从事传感器与执行器、智能仪
表的开发和研究。