[實用新型]一種高精度應(yīng)變式扭矩傳感器

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201320599313.4
• 申請日: 2013-09-26
• 公開（公告）號: CN203519222U
• 公開（公告）日: 2014-04-02
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王成倫;陳江攀;李果;程偉;楊文濤;于雪梅;劉鳳晶;趙煜;王光遠;沈中
• 申請（專利權(quán)）人: 北京空間飛行器總體設(shè)計部;北京航空航天大學(xué)
• 主分類號: G01L3/22
• 分類號: G01L3/22
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 龐靜

技術(shù)領(lǐng)域

本實用新型涉及一種高精度應(yīng)變式扭矩傳感器，可用于對航天器內(nèi)部微小扭轉(zhuǎn)擾動的振動信號進行動態(tài)測量。

背景技術(shù)

目前的航天器大多都屬于大型柔性展開式機構(gòu)，且?guī)в写罅康墓鈱W(xué)元件，它們對指向精度和穩(wěn)定度均提出了很高的要求。另外，在現(xiàn)代航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)中，反作用輪、單框架力矩陀螺和太陽翼驅(qū)動機構(gòu)等是其控制系統(tǒng)中的重要元件，它們在提供必要的控制動力的同時，也會引起一些有害振動(為簡單起見，下面將上述三種系統(tǒng)統(tǒng)稱為擾動源)。這些擾動主要由飛輪不平衡、軸承擾動、電機擾動、電機驅(qū)動誤差等引起的，其中飛輪不平衡是導(dǎo)致飛輪振動的最主要原因，這些擾動力和擾動力矩會降低體太空中精密性儀器的性能指標，因此測量和分析航天器有效載荷擾動的動態(tài)特性，對于分析并消除擾動從而提高航天器的姿態(tài)控制精度和加強航天器的安全設(shè)計有著非常重要的工程意義。

由于航天器擾動源的擾動很小，個別有效載荷如動量輪在空間三個方向只能產(chǎn)生幾十毫牛頓甚至幾毫牛頓的微弱擾動，要想在具有相對強烈干擾背景噪音的地面實驗室中測量此類擾動十分困難，而其對應(yīng)傳感器的精度要求非常高。

目前，國內(nèi)外尚未見有關(guān)此類微小振動測量系統(tǒng)的文獻報導(dǎo)。

實用新型內(nèi)容

本實用新型要解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種高精度應(yīng)變式扭矩傳感器，該傳感器能夠測量并分析航天器運行過程中，擾動源扭轉(zhuǎn)擾動動態(tài)特性，為提高航天器的姿態(tài)控制精度和加強航天器的安全設(shè)計提供可靠的測試數(shù)據(jù)。

本實用新型要解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：一種高精度應(yīng)變式扭矩傳感器，包括：兩個轉(zhuǎn)接盤、四根應(yīng)變柱、應(yīng)變片、動態(tài)應(yīng)變儀以及數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)；四根應(yīng)變柱與上下兩個轉(zhuǎn)接盤固定，應(yīng)變柱為方柱結(jié)構(gòu)，且每根應(yīng)變柱上均有兩個半圓形凹槽，對稱的兩根應(yīng)變柱的半圓形凹槽上方的背面粘貼應(yīng)變片，即共粘貼四個應(yīng)變片；測試時，一個轉(zhuǎn)接盤固定，另一個轉(zhuǎn)接盤中心位置安裝振動源，四個應(yīng)變片產(chǎn)生的四個應(yīng)變組成一個全橋；動態(tài)應(yīng)變儀將應(yīng)變片產(chǎn)生的應(yīng)變轉(zhuǎn)化成動態(tài)電壓信號，數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)采集所述的動態(tài)電壓信號，根據(jù)該動態(tài)電壓信號得到扭矩。

所述的應(yīng)變柱的材質(zhì)為鋁質(zhì)材料。

本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點：

（1）本實用新型通過應(yīng)變產(chǎn)生電壓信號，對電壓信號進行動態(tài)測量，提高了測試的精度，同時可以克服壓電傳感器低頻信號不足的缺點。

（2）本實用新型所涉及的上下轉(zhuǎn)接板的尺寸和形狀可以根據(jù)實際測試工況決定，使測試范圍擴大。

（3）本實用新型所涉及的應(yīng)變柱為方柱結(jié)構(gòu),其上有兩個半圓形凹槽,當應(yīng)變柱受力時,由于圓弧效應(yīng)使得半圓形凹槽對應(yīng)的平面上產(chǎn)生的應(yīng)變一個為正一個為負,因此兩個應(yīng)變柱的四個應(yīng)變片可以組成一個全橋電路,將電壓信號放大,因此可提高測試精度。

附圖說明

圖1為本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

本實用新型提供一種高精度應(yīng)變式扭矩傳感器，其特征在于包括：兩個轉(zhuǎn)接盤1、四根應(yīng)變柱2、應(yīng)變片3、動態(tài)應(yīng)變儀4以及數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)5；

如圖1所示，四根應(yīng)變立柱2通過螺栓與上下兩個轉(zhuǎn)接板1進行連接固定，應(yīng)變柱2為方柱結(jié)構(gòu)，且每根應(yīng)變柱同一側(cè)面上均有兩個半圓形凹槽，對稱的兩根應(yīng)變柱2的半圓形凹槽上方的背面粘貼應(yīng)變片3，即共粘貼四個應(yīng)變片3；當將兩個轉(zhuǎn)接板1中的一個進行固定，在另一個轉(zhuǎn)接板上施加一個扭矩時（振動源安裝在該轉(zhuǎn)接板的中心處），四根應(yīng)變立柱均發(fā)生變形；由于圓弧效應(yīng)每根立柱都會在半圓凹槽對應(yīng)的位置（即圖示應(yīng)變片的粘貼位置）產(chǎn)生一正一負的應(yīng)變；因此四個應(yīng)變片有兩個是正應(yīng)變，兩個是負應(yīng)變；兩個正應(yīng)變和兩個負應(yīng)變剛好可以組成一個全橋；根據(jù)全橋的原理可將四片應(yīng)變片進行合理布局，因此可以實現(xiàn)電壓信號的放大；將應(yīng)變片連接到動態(tài)應(yīng)變儀，通過數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集動態(tài)電壓信號，經(jīng)過處理即可得到相應(yīng)的扭矩。將擾振源安裝在負載盤1上后，在其幾何中心處施加一個已知的扭矩M，此時動態(tài)應(yīng)變儀4采集到1個電壓信號，并通過信號線傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)5，將這個電壓信號記為ΔU。令M=W·ΔU，其中W則為轉(zhuǎn)換系數(shù)，由于M和ΔU已知，則可求得轉(zhuǎn)換矩陣當擾動源產(chǎn)生振動的時刻，動態(tài)應(yīng)變儀4采集電壓信號即ΔU，此時擾動源的扭矩則可求出，其表達式為：M=WΔU，其中W為已求得的轉(zhuǎn)換系數(shù)。

需要注意的是：轉(zhuǎn)接板的形狀和尺寸可以根據(jù)具體的測試工況決定。應(yīng)變片必須與應(yīng)變立柱進行牢固粘貼。四根應(yīng)變立柱的尺寸和形狀盡量一致，以提高測試精度。

本實用新型未詳細說明部分屬于本領(lǐng)域技術(shù)人員公知常識。