一种新的压电扭矩传感器的结构及标定

郑益斌+殷杰

摘要：随着这些年的科技发展，压电扭力传感器不断出现新的产品，在很大程度上满足了工业发展的要求。文章以压力扭转效应为基础，探讨了新型扭矩传感器的结构特点以及相应的标定情况。

关键词：压电扭矩传感器；量程计算；静态性能标定；动态性能标定；压力扭转效应 文献标识码：A

中图分类号：TP212 文章编号：1009-2374（2015）35-0028-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.35.014

对于目前的情况来说，压电石英测量扭矩的方法主要是采取将很多对的YO切型的石英片有规律的同时还要保持一定的均匀度，然后分布在一个半径为R的圆上。这时候的具体要求就是使得切型晶片具有最大的灵敏度，方向要严格地和分布圆进行相切，这样电极才可以从每一对晶片中引出，通过这种方法可以实现力和力臂之间的扭矩测算。实际上采用力臂的方法来实现对扭矩的测量，那么对传感器本身的制造和使用都再一次提出了更高的要求。这时候要保证每一个晶片受到均匀的力，具体的实现过程中就是要每个晶片对之间一定要有相应的等高性，还要求壳体的解除表面和所有的晶体表面存在着一定的粗糙度和平面度；而且在测量过程中，扭矩的作用线还要和那些晶片围成的圆的中心相对应，只有这样才不会造成误差。从描述中就可以看出传感器结构的复杂程度以及对工艺的要求之高，同时在调试中还比较困难，这样就会很大程度提高成本。在当下新型的扭矩传感器之所以显得比较简单和实用，主要是由于在扭矩的实际测量过程中仅仅使用了3片石英晶片和4片的分割电极。最为关键的是它的整个特性是利用试映晶片的扭力来产生的效应，而不是我们常见的那种剪切式的效应。这里面说的扭转效应其实就是在压电晶体受到外界的扭矩以后，这时的压电晶体的表面会出现和产生相应的扭转激化的电荷。这些电荷可以通过放大作用传递到相应的数字转化器中，以数字的形式显示在人们的面前，这就是新型压电扭矩传感器的实际工作原理。

1 扭矩传感器的结构

这种新型的扭矩传感器制成的原理是借助于石英晶体具有的压电效应实现的，这个电极和扭矩测量晶组的实际连线可以参照实际的图形，其中主要是通过3片切型石英和4个半片的圆分割电极组成的。还可以根据实际的整合传感器的结构示意图来进行探究。具体的操作方法是把各个测量晶体组安装一定的规律贴到上盖和下壳体相应的位置，比如内腔突出的台面的正中心，同时还要保证绝缘地位的环在整个壳体的表面，而上盖和下盖的链接方式是通过螺丝固定的，可以把相应的力施加到需要测量的扭力组上。然后，下壳体上是有插头的，实际上这根插头是和扭矩测量晶体组所引出的线相连接在一起的，这样就可以把电荷引出来了，之后再进行放大器的放大，通过AD转换使得电压信号变成数字信号读出来，当然也可以采用计算机进行一定的处理和相应的数据采集及记录。

3 扭矩传感器的静态性能标定

关于扭矩传感器的标定方法其实有两种方法，这里我们来先讨论静态的标定方法。实际上标定的过程中最关键的就是将一个不加任何外力的扭矩施加到承载面上，这个承载面一定是被标定过的传感器。这时候要对系统进行一定的处理，例如将整个被标定的系统的传动链所引起的各种摩擦产生的扭矩损失降低到最小的范围，这个步骤并不是那么简单，而是需要利用专门的扭矩标定的装置。一般情况下，扭矩传感器的标定可以采取自己设计的标准来进行相应的标定过程，这样的装置需要利用不同的级别，最常见的是采取两个三级的具备标准的测力计。具体的方法是在一个固定的力臂上施加两个力，这两个力的要求是，垂直方向上的同时要求力的大小相等但是方向相反，以这种方式形成一种扭矩。这时候的传感器可以输出相应的信号，而信号又可以通过FDH-2的电荷放大器来进行放大，数字电压表就可以在显示器上直接地显示出相应的电压值。

在这个过程中，扭矩传感器的标定结果可以参照表1，同时我们将各项的指标都是按照满量程的方法来计算，通过一系列的演算过程可以得到传感器的线性度以及重复性都是小于1%的，从标定的结果可以表明，这个扭矩传感器的各项静态的指标已经达到了一定的指标，准确来说达到了CIRP-STCC的规定标准。

表1 扭矩传感器的静态标定数据表

4 压电传感器的动态性能标定

对于传感器的动态标定，实际上就是研究传感器的动态响应的实际性能的指标，包括的实际项目是相频的特性和幅频的特性。相对于压电的传感器来说，任何与动态性能有关的数据需要参数存在着一定的固有频率。对于压电扭矩传感器的测试中需要固定的频率测试系统，有很多的办法这里我们只介绍钢球法。具体的钢球冲击测试方法是采用了钢球冲击测量法，在整个测试中：首先要采取压电的加速度来测出要试验的钢球能够对压电传感器的时间响应的速度的快慢。这时候的电荷放大器可以将压电的加速度的响应信号传输出来并且经过一系列的放大过程。而这时的电荷放大信号可以被分为两个路线，其中的一路需要输入到事先准备好的示波器中，这样就可以对信号的时域波形进行现场的观察；而另一路就需要输入到结构动态的分析仪中，其可以对此时的时域信号进行FFT的现场分析，同时绘图仪通过结构动态仪器的分析过程中可以把信号的频谱绘制出来。其中的动态标定结果是一个仿真的过程，这里面我们就不再附上图形了。

根据对仿真图形的分析，我们可以清楚地看出，当扭矩传感器的轴向中的第一个阶段，它所具备的固有的频率可以达到13.824kHz；其中在径向方向上它的第一个阶段所实际具有的频率可以达到12.672kHz。一般情况下压电式的传感器可以测量到的测量系统的第一个阶段实际固有的频率的一半以上。

5 结语

经过以上的研究我们可以发现，实际上扭矩传感器的工作原理主要是根据压电石英晶片的特性实现的。石英晶片在扭转效应原理可以设计和制造出相应的专用的扭力传感器，而传感器是需要采取3片比较普通的石英晶片来作为系统的测量元件，所以这样一来整个系统就显得比较简单，并且在调整中就会更加方便自如，相应的在制造的成本上就会大大降低，在应用的方向上，像这样的扭矩传感器实际上比较适合用于小力矩的测量中。在前面我们已经采取了严格的静态标定，这时候传感器的技术指标就会有很大的提高，基本上可以达到国家规定的测力标准。可以预见的是，新的压电扭矩传感器在未来的使用上将是非常广泛的，然而了解它的结构和进行合理科学的标定，是正确使用它的基础和保证。所以各个研发部门还要加大在这方面的研究力度，使得这种传感器在应用中更加方便，精确度也可以更高。

参考文献

[1] 高长银，赵辉，马龙梅，等.新型压电扭矩传感器的结构与标定[J].仪表技术与传感器，2006，（5）.

[2] 高长银.压电石英晶片扭转效应研究及新型扭矩传感器的研制[D].大连理工大学，2004.

[3] 王浩宇.一种压电式四维力传感器的结构优化和多维力传感器标定方法研究[D].重庆大学，2011.

[4] 李映君.新型轴用并联压电式六维大力传感器的研究[D].大连理工大学，2010.

作者简介：郑益斌（1971-），男，湖北黄陂人，供职于杭州前进齿轮箱集团股份有限公司，研究方向：齿轮箱试验台架的设计及标定。

（责任编辑：周 琼）