傾角傳感器在扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)中的巧妙應(yīng)用

高 辰，李躍光

(1.長(zhǎng)春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022;2.長(zhǎng)春大學(xué) 機(jī)械與車(chē)輛工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022)

0 引言

扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)是材料力學(xué)性能試驗(yàn)領(lǐng)域中廣泛采用的一種試驗(yàn)方法，材料扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)主要是對(duì)材料進(jìn)行扭轉(zhuǎn)檢測(cè)試驗(yàn)，檢測(cè)材料的柔性，硬度，剛度，強(qiáng)度等，由手動(dòng)加載、光電編碼器檢測(cè)轉(zhuǎn)角、高精度扭矩傳感器檢測(cè)扭矩、數(shù)字顯示檢測(cè)結(jié)果。主要應(yīng)用于科研機(jī)構(gòu)以及工業(yè)控制企業(yè)的力學(xué)研究用來(lái)檢測(cè)材料的扭轉(zhuǎn)性能的好壞。由于扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)夾具與被測(cè)試樣件之間的連接不可避免的存在間隙，使試驗(yàn)的扭矩—扭角曲線(xiàn)在換向時(shí)會(huì)產(chǎn)生間隙，造成試驗(yàn)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確［3］。另外，在扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中扭矩—扭角曲線(xiàn)，特別是彈性模量的檢測(cè):要求的是試樣在有效標(biāo)距范圍內(nèi)的相對(duì)轉(zhuǎn)角變化量，由于標(biāo)準(zhǔn)試樣在標(biāo)距范圍外的部分仍有少量變形存在，所以單純依靠動(dòng)力端的扭轉(zhuǎn)傳感器測(cè)量出的轉(zhuǎn)動(dòng)量作為轉(zhuǎn)角變化量計(jì)算出來(lái)的彈性模量準(zhǔn)確性很差。要獲得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，必須要能準(zhǔn)確的測(cè)量出扭轉(zhuǎn)試樣在標(biāo)距范圍內(nèi)的相對(duì)轉(zhuǎn)角。

拉/壓試驗(yàn)機(jī)在標(biāo)距范圍內(nèi)的測(cè)量，采用的大多是應(yīng)力應(yīng)變式引伸計(jì)，效果非常好。而扭轉(zhuǎn)試樣由于長(zhǎng)短及直徑變化非常大，采用拉伸引伸計(jì)的原理方式，安裝和固定就非常困難了。不僅實(shí)現(xiàn)的手段非常復(fù)雜、應(yīng)用也很繁瑣，測(cè)量效果也不理想。在試驗(yàn)機(jī)行業(yè)，還有采用空心光電編碼器制作成轉(zhuǎn)角引伸計(jì)的。這種方式對(duì)試樣直徑比較小或比較大兩種極端情況的安裝就比較困難，而且由于自身的重量比較大，空心光碼的轉(zhuǎn)動(dòng)也附加一定的小扭矩，對(duì)精確測(cè)量要求也不夠理想。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是很多以往應(yīng)用在軍事方面的高端產(chǎn)品開(kāi)始進(jìn)入一般的工業(yè)領(lǐng)域，應(yīng)用在陀螺技術(shù)上的傾角傳感器就是其中的一種。傾角傳感器具有體積小、重量輕、精度高和穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，應(yīng)用在扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)引伸計(jì)的測(cè)量上非常合適。我們就是采用兩支同型號(hào)的傾角傳感器，由于傳感器體積小(直徑僅為17mm、高為10mm)，重量輕(僅為20克)，將傳感器固定在塑料夾子上。然后分別夾在扭轉(zhuǎn)試樣的兩個(gè)標(biāo)距點(diǎn)上，通過(guò)兩支傳感器測(cè)量的差值計(jì)算出標(biāo)距范圍內(nèi)的相對(duì)轉(zhuǎn)角。這種方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便，測(cè)量精度高。下面就詳細(xì)介紹使用芬蘭進(jìn)口的SCA103T傾角傳感器實(shí)現(xiàn)的具體電路及應(yīng)用測(cè)量的參數(shù)。

1 傾角傳感器

傾角傳感器是用來(lái)對(duì)系統(tǒng)的水平方向進(jìn)行測(cè)量的傳感器，工作原理有三種分別是:“固體擺”式、“氣體擺”式、“液體擺”式。本系統(tǒng)采用的是“固體擺”式的SCA103T高精度傾角傳感器如圖1所示，其原理是根據(jù)牛頓慣性定律，當(dāng)傾角傳感器處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，作用在傳感器上只有重力提供加速度，根據(jù)慣性定律公式F=mgsinθ可知道重力方向與傳感器方向之間的夾角就是所要求的傾角。

SCA103T是使用差分測(cè)量原理的單軸傾角傳感器，具有校準(zhǔn)精度高，高分辨率，低噪聲，工作范圍寬等特點(diǎn)，其測(cè)量范圍可以達(dá)到±30°，測(cè)量精度可高達(dá)到0.001°，從而使得SCA103T成為工業(yè)控制中高精度測(cè)量?jī)A角最為理想選擇。

SCA103T系列的高精度測(cè)量?jī)A角傳感器有12引腳，內(nèi)部集成了SPI接口輸出和2通道的一般模擬輸出，用戶(hù)可以隨意使用，SCA103T系列有兩個(gè)型號(hào)一個(gè)是靈敏度為8V/g的±30°的型號(hào)另外一個(gè)是靈敏度為16V/g的±15°的型號(hào)，本設(shè)計(jì)采用的是靈敏度為8V/g的±30°的型號(hào)［1］。

圖1 傾角傳感器外形圖

2 測(cè)量電路的設(shè)計(jì)

雖然SCA103T傾角傳感器自身帶有一個(gè)SPI串行接口，但該接口的AD分辨率比較低，所以沒(méi)有采用這個(gè)接口。而是利用該模擬電壓輸出口，外電路配備了一個(gè)16位的AD974芯片作為AD測(cè)量，接口采用TI的240系列DSP器件，實(shí)現(xiàn)AD采樣和232串口通信輸出。整個(gè)電路的實(shí)現(xiàn)如圖2所示。AD974是一個(gè)具有4個(gè)通道、16位分辨率、測(cè)量速率高達(dá)200KHZ的芯片，該AD設(shè)計(jì)以5000次/秒的采樣速率分時(shí)對(duì)四個(gè)傾角傳感器進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)數(shù)據(jù)處理，最后以20Hz的輸出速率通過(guò)RS232接口傳送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行顯示處理，如圖2所示為測(cè)量電路的原理圖。

圖2 硬件電路圖

圖3 試驗(yàn)臺(tái)的硬件連接

3 結(jié)語(yǔ)

我們將設(shè)計(jì)的四通道傾角傳感器應(yīng)用在汽車(chē)轉(zhuǎn)向機(jī)萬(wàn)向聯(lián)軸器剛度測(cè)量試驗(yàn)中，主要測(cè)量其各萬(wàn)向節(jié)的相對(duì)間隙及剛度。試驗(yàn)臺(tái)的硬件連接方式如圖3所示，這是一個(gè)最大50Nm的扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)，計(jì)算機(jī)的測(cè)量結(jié)果曲線(xiàn)如圖4所示，通過(guò)四種顏色的曲線(xiàn)可以看出各傾角傳感器的測(cè)量輸出結(jié)果。在這些測(cè)量曲線(xiàn)中排除了轉(zhuǎn)向機(jī)機(jī)械系統(tǒng)自身產(chǎn)生的間隙，利用兩個(gè)相鄰傾角傳感器之間的轉(zhuǎn)角差值，來(lái)計(jì)算每個(gè)萬(wàn)向節(jié)的決對(duì)轉(zhuǎn)角值及其對(duì)應(yīng)的剛度值。采用傾角傳感器的方法測(cè)量相對(duì)標(biāo)距范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)角，具有安裝方便，對(duì)試樣的適應(yīng)性廣，測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確的特點(diǎn)，該測(cè)量方法今后在扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域具有廣泛的推廣價(jià)值。

圖4 計(jì)算機(jī)的測(cè)量結(jié)果曲線(xiàn)

［1］廖學(xué)兵.傾角傳感器在高精度火炮數(shù)字水平儀的應(yīng)用［C］//第十五屆電工理論學(xué)術(shù)年會(huì)論文集.北京:中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)，2003:116-119.

［2］孫傳友.感測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2006.

［3］孫彤，鄧金錄.汽車(chē)轉(zhuǎn)向機(jī)試驗(yàn)臺(tái)自動(dòng)加載系統(tǒng)［J］.新技術(shù)新工藝，1998(6):8-9.

［4］張雄偉，曹鐵勇.DSP芯片的原理與開(kāi)發(fā)應(yīng)用［M］.2版.北京:電子工業(yè)出版社，2000.