一種低成本高精度力矩傳感器的設計與實現

潘水 楊雷/ 國營洛陽丹城無線電廠 空裝駐洛陽地區第一軍事代表室

0 引言

力矩傳感器又稱扭矩傳感器，主要用來檢測轉動機械部件產生力矩的大小，將彈性體受到力矩作用產生的微小物理變化轉換成精確的電信號。為滿足某型產品舵機輸出力矩測量精度小于0.5N·m 的要求，設計了一種低成本高精度力矩傳感器，通過硬件電路調整和軟件校準修正，最終達到精確測量的目的，滿足力矩檢測精度要求。

1 系統簡介

由高精度應變片和優質彈性體組成的力矩傳感器，感應舵機輸出的力矩信號，由儀表放大器外圍電路進行調整，經軟件校準修正后輸出測量結果。系統由力矩傳感器、儀表放大器、硬件調整電路、軟件校準修正等組成，系統組成框圖如圖1 所示。儀表放大器對力矩傳感器輸出的微小電壓信號進行放大，并通過硬件電路對儀表放大器零點、力矩傳感器零點以及放大倍數進行調整；軟件根據校準數據對實際測量數據進行修正，最終輸出理想的測量結果。

2 硬件電路設計

硬件電路由力矩傳感器、儀表放大器、運算放大器、三位開關、電位器、電阻和電容等組成，力矩傳感器及其調理電路如圖2 所示。

圖1 系統組成框圖

2.1 力矩傳感器

力矩傳感器主要由應變片和彈性體組成。

1）應變片

應變片選用BF350-3HA 高精度半橋應變片，具有精度高、柔韌性好、性能穩定、重復性好等優點，應變片及等效示意圖如圖3 所示。

選取兩片BF350-3HA 半橋應變片組成測量電橋，其等效示意圖如圖4 所示。電源和地共用，1腳接電源，3腳接地，

2 腳和4 腳為測量輸出端。2）彈性體

彈性體選用優質彈簧鋼材質，結構示意圖如圖5 所示。

將應變片粘貼在彈性體上，當彈性體受到力矩作用產生微小變形后，引起電橋電阻值變化，應變電橋電阻的變化轉變為電壓信號的變化，從而實現力矩測量。

2.2 儀表放大器

AD625 是一款精密儀表放大器，專為滿足非標準增益應用要求而設計，還可以對放大器零點、力矩傳感器零點和放大倍數進行調整，最大限度地減小誤差，選取適宜的放大倍數。

2.3 工作原理及調整方法

當彈性體受到外力作用時產生細微形變，應變片阻值隨之發生變化，使力矩傳感器的一個輸出端電壓升高，另一個輸出端電壓降低，形成電壓差；此電壓差送給儀表放大器進行放大處理，然后經運算放大器隔離后送工控機數據采集卡進行采集。

圖2 力矩傳感器及其調理電路圖

圖3 應變片及等效示意圖

圖4 測量電橋等效示意圖

圖5 彈性體結構示意圖

表1 硬件調整電路實際輸出電壓

電路調整包括三部分，分別是儀表放大器零點調整、力矩傳感器零點調整和放大倍數調整。

儀表放大器零點調整：先將開關S1置于常開位置，調整W1 電位器，使儀表放大器輸出電壓為0V，調整結束后將開關S1 置于常閉位置。

力矩傳感器零點調整：由于應變片阻值存在細微偏差、粘貼工藝方法存在差異等因素，力矩傳感器的兩個輸出端電壓可能不同。為減小誤差，對力矩傳感器零點進行調整。調整W2 電位器，使儀表放大器輸出電壓為0V。

力矩傳感器放大倍數調整：使用專用校準工裝，對力矩傳感器順時針施加定力98N·m，調整W3 電位器，使儀表放大器輸出電壓為4.9V。

3 軟件校準修正

對硬件調整電路實際輸出電壓數據進行分析統計，理想數據和實測數據統計見表1。

表2 硬件調整電路輸出電壓修正

表3 硬件調整電路輸出電壓測量結果

由表1 可以看出，該力矩傳感器在順時針方向誤差較小，不大于0.03V；在逆時針方向誤差較大，達到0.2V。需要通過軟件對其進行修正，根據差值，設定不同區間的修正值，具體修正區間和修正值見表2。修正誤差計算規則為取區間上限誤差和區間下限誤差的平均數。

將表2 修正區間的修正誤差配置到軟件校準列表中，軟件測試時根據實際測量數據，對其進行修正后輸出測量結果，最終輸出測量結果見表3。

由表3 可以看出，該力矩傳感器在順時針方向力矩最終誤差不大于0.1N·m；在逆時針方向力矩最終誤差不大于0.3N·m，修正后測量精度滿足力矩檢測要求。

4 結束語

本文提出一種低成本高精度力矩傳感器設計與實現方案，由應變片和彈簧鋼組成高精度力矩傳感器，通過形變感應力矩信號，經儀表放大器外圍硬件電路對傳感器零點及放大倍數進行調整，再由軟件根據校準數據對測量數據進行修正，最終實現了某型產品舵機輸出力矩精確測量的目的。試驗結果表明該力矩傳感器在98N·m 范圍內測量誤差不大于0.3N·m，達到了設計預期目的。