一種新的壓電扭矩傳感器的結構及標定

鄭益斌+殷杰

摘要：隨著這些年的科技發展，壓電扭力傳感器不斷出現新的產品，在很大程度上滿足了工業發展的要求。文章以壓力扭轉效應為基礎，探討了新型扭矩傳感器的結構特點以及相應的標定情況。

關鍵詞：壓電扭矩傳感器；量程計算；靜態性能標定；動態性能標定；壓力扭轉效應 文獻標識碼：A

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

對于目前的情況來說，壓電石英測量扭矩的方法主要是采取將很多對的YO切型的石英片有規律的同時還要保持一定的均勻度，然后分布在一個半徑為R的圓上。這時候的具體要求就是使得切型晶片具有最大的靈敏度，方向要嚴格地和分布圓進行相切，這樣電極才可以從每一對晶片中引出，通過這種方法可以實現力和力臂之間的扭矩測算。實際上采用力臂的方法來實現對扭矩的測量，那么對傳感器本身的制造和使用都再一次提出了更高的要求。這時候要保證每一個晶片受到均勻的力，具體的實現過程中就是要每個晶片對之間一定要有相應的等高性，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應，只有這樣才不會造成誤差。從描述中就可以看出傳感器結構的復雜程度以及對工藝的要求之高，同時在調試中還比較困難，這樣就會很大程度提高成本。在當下新型的扭矩傳感器之所以顯得比較簡單和實用，主要是由于在扭矩的實際測量過程中僅僅使用了3片石英晶片和4片的分割電極。最為關鍵的是它的整個特性是利用試映晶片的扭力來產生的效應，而不是我們常見的那種剪切式的效應。這里面說的扭轉效應其實就是在壓電晶體受到外界的扭矩以后，這時的壓電晶體的表面會出現和產生相應的扭轉激化的電荷。這些電荷可以通過放大作用傳遞到相應的數字轉化器中，以數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際工作原理。

1 扭矩傳感器的結構

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實現的，這個電極和扭矩測量晶組的實際連線可以參照實際的圖形，其中主要是通過3片切型石英和4個半片的圓分割電極組成的。還可以根據實際的整合傳感器的結構示意圖來進行探究。具體的操作方法是把各個測量晶體組安裝一定的規律貼到上蓋和下殼體相應的位置，比如內腔突出的臺面的正中心，同時還要保證絕緣地位的環在整個殼體的表面，而上蓋和下蓋的鏈接方式是通過螺絲固定的，可以把相應的力施加到需要測量的扭力組上。然后，下殼體上是有插頭的，實際上這根插頭是和扭矩測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，之后再進行放大器的放大，通過AD轉換使得電壓信號變成數字信號讀出來，當然也可以采用計算機進行一定的處理和相應的數據采集及記錄。

3 扭矩傳感器的靜態性能標定

關于扭矩傳感器的標定方法其實有兩種方法，這里我們來先討論靜態的標定方法。實際上標定的過程中最關鍵的就是將一個不加任何外力的扭矩施加到承載面上，這個承載面一定是被標定過的傳感器。這時候要對系統進行一定的處理，例如將整個被標定的系統的傳動鏈所引起的各種摩擦產生的扭矩損失降低到最小的范圍，這個步驟并不是那么簡單，而是需要利用專門的扭矩標定的裝置。一般情況下，扭矩傳感器的標定可以采取自己設計的標準來進行相應的標定過程，這樣的裝置需要利用不同的級別，最常見的是采取兩個三級的具備標準的測力計。具體的方法是在一個固定的力臂上施加兩個力，這兩個力的要求是，垂直方向上的同時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。這時候的傳感器可以輸出相應的信號，而信號又可以通過FDH-2的電荷放大器來進行放大，數字電壓表就可以在顯示器上直接地顯示出相應的電壓值。

在這個過程中，扭矩傳感器的標定結果可以參照表1，同時我們將各項的指標都是按照滿量程的方法來計算，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性都是小于1%的，從標定的結果可以表明，這個扭矩傳感器的各項靜態的指標已經達到了一定的指標，準確來說達到了CIRP-STCC的規定標準。

表1 扭矩傳感器的靜態標定數據表

4 壓電傳感器的動態性能標定

對于傳感器的動態標定，實際上就是研究傳感器的動態響應的實際性能的指標，包括的實際項目是相頻的特性和幅頻的特性。相對于壓電的傳感器來說，任何與動態性能有關的數據需要參數存在著一定的固有頻率。對于壓電扭矩傳感器的測試中需要固定的頻率測試系統，有很多的辦法這里我們只介紹鋼球法。具體的鋼球沖擊測試方法是采用了鋼球沖擊測量法，在整個測試中：首先要采取壓電的加速度來測出要試驗的鋼球能夠對壓電傳感器的時間響應的速度的快慢。這時候的電荷放大器可以將壓電的加速度的響應信號傳輸出來并且經過一系列的放大過程。而這時的電荷放大信號可以被分為兩個路線，其中的一路需要輸入到事先準備好的示波器中，這樣就可以對信號的時域波形進行現場的觀察；而另一路就需要輸入到結構動態的分析儀中，其可以對此時的時域信號進行FFT的現場分析，同時繪圖儀通過結構動態儀器的分析過程中可以把信號的頻譜繪制出來。其中的動態標定結果是一個仿真的過程，這里面我們就不再附上圖形了。

根據對仿真圖形的分析，我們可以清楚地看出，當扭矩傳感器的軸向中的第一個階段，它所具備的固有的頻率可以達到13.824kHz；其中在徑向方向上它的第一個階段所實際具有的頻率可以達到12.672kHz。一般情況下壓電式的傳感器可以測量到的測量系統的第一個階段實際固有的頻率的一半以上。

5 結語

經過以上的研究我們可以發現，實際上扭矩傳感器的工作原理主要是根據壓電石英晶片的特性實現的。石英晶片在扭轉效應原理可以設計和制造出相應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的測量元件，所以這樣一來整個系統就顯得比較簡單，并且在調整中就會更加方便自如，相應的在制造的成本上就會大大降低，在應用的方向上，像這樣的扭矩傳感器實際上比較適合用于小力矩的測量中。在前面我們已經采取了嚴格的靜態標定，這時候傳感器的技術指標就會有很大的提高，基本上可以達到國家規定的測力標準。可以預見的是，新的壓電扭矩傳感器在未來的使用上將是非常廣泛的，然而了解它的結構和進行合理科學的標定，是正確使用它的基礎和保證。所以各個研發部門還要加大在這方面的研究力度，使得這種傳感器在應用中更加方便，精確度也可以更高。

參考文獻

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作者簡介：鄭益斌（1971-），男，湖北黃陂人，供職于杭州前進齒輪箱集團股份有限公司，研究方向：齒輪箱試驗臺架的設計及標定。

（責任編輯：周 瓊）