基于电阻应变片的扭矩测量方法研究

摘要：电阻应变片式传感器是应用最广泛的传感器之一。将电阻应变片粘贴到各种弹性敏感元件上，可构成测量位移、加速度、力、力矩、压力等各种参数的电阻应变式传感器。

关键词：应变片；测量扭矩

Research on measurement torque method based on resistance strain gage

Yang quanqi，Huang jinying

（School of Information and Communication Engineering , North University of China , Taiyuan 030051, China)

【中图分类号】G642

1.引言

自20世纪30年代电阻应变计问世以来,应变电测方法和技术作为实验力学的重要组成部分经历了长期的发展,逐步广泛应用于各种工程结构的应力分析,制成各种传感器,推广应用于各个领域。应变电测与传感器方法和技术,其测量系统包括三大部分:应变计,传感器,测试仪器。

2.电阻应变片的结构和工作原理

2.1基本结构

金属丝绕制成敏感栅，敏感应变的变化；基底用来固定敏感栅，同时还有绝缘作用；覆盖层主要起保护作用。敏感栅焊接引出线用以和外接导线相连。

2.2灵敏系数

灵敏系数就是单位应变所能引起的电阻的相对变化。

在外力作用下，电阻丝的电阻变化为

电阻丝的轴向应变 横向应变 在弹性范围内金属的轴向应变ε与横向应变ε＇成正比，即有：μ＝－ε＇/ε；称μ为泊松比或横向变形系数。有： ，

，Ks为金属丝的应变灵敏系数，Ks越大，单位变形引起的电阻相对变化越大。

3.温度误差补偿方法

应变片由于温度变化所引起的电阻相对变化，称此现象为温度效应。应变片由于温度效应而产生的误差称为温度误差。

3.1桥路补偿法

采用电桥如图1，R1为工作片，RB为补偿片。工作片贴在试件上，而补偿片贴在材料、温度与试件相同的补偿块上，R3、R4为固定电阻。

电桥平衡条件：R1•R4＝RB•R3，当温度变化时，R1、RB都发生变化，但由于R1、RB完全相同、工作环境相同，则由于温度产生的附加电阻变化，ΔR1、ΔRB符号、数值均相等，电桥仍平衡，故无输出。

工作时只有工作片感受应变，补偿片不感受应变，此时，电桥输出就只与被测试件的应变有关而与温度无关。

图1电桥

3.2应变片自补偿法使温度变化时，产生的附加应变为0或互相抵消的方法。

a）选择自补偿应变片：根据试件选用合适的敏感栅材料，使其电阻温度系数α恰好满足使附加应变为0。

b）双金属敏感栅自补偿应变片

利用两种电阻丝材料的电阻温度系数不同，一个为正，一个为负，使二者互相抵消。

4.扭矩的测量

应变片测量应变是通过敏感栅的电阻相对变化而得到的。通常金属电阻应变片灵敏度系数K值很小，机械应变一般在10με～3000με之间，可见电阻相对变化是很小的。用一般测量电阻的仪表很难直接测出来，必须用专门的电路，最常用的电路为电桥电路。即利用电桥电路将电阻的相对变化转换为电压或电流的变化，再经电压放大或电流放大，测出相应的电压或电流值。

由材料力学分析可知在测弹性轴扭矩时,我们要在测点处与轴线呈45°和135°的两个方向(互相垂直)各贴一片应变片。根据应变片测试原理采用全桥四片测扭,这样可以排除弯矩和拉力的干扰,和横向剪应力的影响。应变片贴法如图2

图2贴片及轴展开示意图

图3测量电桥

我们把应变片R1、R2、R3、R4接成全桥,如图3因为当R1*R3-R2*R4=0时，电桥输出为零，即电桥平衡。当各桥臂电阻变化ΔR1、ΔR2、ΔR3、ΔR4时,,其输出为：

由于我们采用的四个应变片为同一型号因此R1=R2=R3=R4=R，并且ΔR1=ΔR3=ΔR，ΔR2=ΔR4=-ΔR,代入上式可得到: 。

圆轴的扭矩大小M与应变片的电阻改变量ΔR是呈正比的。通过惠斯登电桥将电阻改变量ΔR变为可测得电压信号。

5.结束语

电阻应变片的种类繁多，特点各异。选择合适的应变片结合材料力学分析应变片受力变化为测试技术开拓新型传感器。

参考文献

[1]刘迎春叶湘滨，传感器原理设计与应用，国防科技大学出版社，2002.59-63

[2]廖丽媛，基于应变式扭矩传感器的测量系统的设计，东南大学，2013.8-14

[3]R.C.Hibbeler.材料力学，高等教育出版社,2004.121-133