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1、基于电阻应变式扭矩传感器与 MSP430 的扭矩测量系统设计 1 / 162.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：（2-1）A若金属丝受到拉力 F 作用伸长，伸长量设为 ，横截面积相应减少 ，电阻率的变l化设为 ，则电阻的相对变化量为：（2-2）RlA又因为对金属丝来说 于是有：2 2,rArrd（2-3）lR由材料力学知，弹性限度内材料的泊松系数为 ，则有/rl（2-4）0(12)lKl式中
2、为金属丝的灵敏度系数，它越大表明单位应变引起的电阻0/12Kl相对变化越大。若令 为金属丝的轴向相对应变，则（2-5）(12)R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 ；另一个是受力后材料晶格畸变引起电阻率发生的变化及 。12对金属材料电阻丝来说，灵敏度系数表达式中 的值要比 大得多。因此12 2 / 16在相当的范围内，电阻的相对变化与金属丝的纵向应变 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。
3、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 4。图中，此应力在一个方向上受拉伸，另一个方向上受压缩。 3 / 16因此，圆轴扭转时，表面受到最大拉应力 和压应力 ，且 。1212max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 方向和 方向的应变
4、和 分别为：1R212（2-6）21E（2-7）21式中， 表示泊松比，E 表示弹性模量易知应变片 和应变片 受到的应变数 1R2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 与轴上扭矩的关系为：（2-8）pMW式中 M 为轴上扭矩， 为轴截面的抗扭模数。p 4 / 16因此 ，对于应变片 ，可以求出其应变为12pMW1R1pE整理得到：（2-9）10pEMC式中 是个常数，其数值为 。0C0pW又由于 ，所以：RK（2-10）0CMRK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
5、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。 5 / 16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
6、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 6 / 16 7 / 163.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
7、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： 8 / 16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。 9 / 16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，D
8、VSS 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：（3-1）11
9、()()()out ininSCUUSRCR因此，电路的传递函数为：（3-2）0A(S)1outinS式中 ，则其截止频率为 。01RC12cfRC 10 / 16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 ，1cfkHZ则可取 ， 。1Rk0.18CF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 ，2outpcVf其中 为滤波器输出电压的峰峰值，于是选择 OP07 作为运放。实际上 OP07outpV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
10、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：R11k R1k C0.18F221111XBP1IN OUT1 2 3 4图 3.5 低通滤波仿真电路 11 / 16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
11、原理图我们选择 ，即在初始条件下 ，此时 ，当四个电1234R1423R0U阻分别变化 时：,（3-3）1423213441()()()()()RUE由于四个电阻的初值大小一致，而且 ，所以：1234R（3-4）UE 12 / 1648 %R3200Key=A 52 %1122 33R4200Key=A 52 %1122 33R5200Key=A 48 %1122 3310.000VXSC1A BExt Trig+_ + _1 24356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
12、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 13 / 16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。U1U10U2U20U3U4UoR1R2R
13、3R4R5R6R7A1A2A3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：（3-5）1020123UURR（3-6）20457out（3-7）10346UR由于 于是可得到：31R 14 / 16（3-8）110222()()RUU又由于 ， 再结合“虚短虚断”的概念可得：45R67（3-9）51026outR所以：（3-10）61252()()outUU若取
14、， ，则得放大倍数为 210，与之前的设6310Rk0Rk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R1100kR2100kR310kR410kR510kR6100kR7100kU1OP07AHU2IN+3IN-2 VS4VS+7OUT 6BAL28BAL11U3OP07AHVSS12VVSS12VVSS12VVSS1-12VVSS1-12VVSS1-12VV110mVpk 1kHz 0 XSC1A BExt Trig+_ + _R810kV210mVpk 1kH
15、z 180 图 3.11 差分放大电路仿真电路 15 / 16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。通过 MSP430可以完成信号处理，串口通信等等功能，将扭矩信息直观呈现在人们眼前。 16 / 164.总结通过本次实验设计，我对传感器以及传感器采集处理系统的设计又有了一个更深的认识，并且在查找资料与学习的过程中又重温了电路设计的知识以及很多经典的在工程中应用的电路。本次实验设计侧重于仿真与验证，并没有进行实物开发；主要设计了传感器信号的采集系统，对于 MSP430 的功能除了 AD 转换以外并没有更多的开发，这可以说是本次设计中的不足与待改进之处。5.参考文献1宋春华,徐光卫. 扭矩传感器的发展研究综述J. 微特电机,2012,11:58-60.2胡德福. 应变式扭矩传感器的设计技术J. 船舶工程,2011,04:96-99.3杨平,王威. MSP430 系列超低功耗单片机及应用J. 国外电子测量技术,2008,12:48-50.4 廖丽媛.基于应变式扭矩传感器的测量系统与设计D.上海.东华大学，2013.5白玉成.
