[發明專利]數顯扭力扳手及其扭矩測量方法

在審

• 申請號: 201711320512.6
• 申請日: 2017-12-12
• 公開（公告）號: CN108181038A
• 公開（公告）日: 2018-06-19
• 發明（設計）人: 伍凱;宋偉寧;劉瑜
• 申請（專利權）人: 威海北洋電氣集團股份有限公司
• 主分類號: G01L5/24
• 分類號: G01L5/24;G01L5/00;B25B23/00
• 代理公司: 威海科星專利事務所 37202
• 代理人: 初姣姣

1.一種數顯扭力扳手，設有扳手主體，其特征在于扳手主體的兩側面設有電阻式應變傳感器，扳手力臂的兩側面記為矩形測量區P面和P'面，電阻式應變傳感器相對扳手縱軸線對稱分布在P面和P'面上，電阻式應變傳感器記為P₁、P₂、P₃…P_2n、P_2n+1和P′₁、P′₂、P′₃…P′_2n、P′_2n+1，其中n≥1，n為自然數；P₁/P′₁位置與擰頭中心距離記為L₁，P₂/P′₂位置與P₁/P′₁位置距離為L₂，……P_2n+1/P′_2n+1位置與P_2n/P′_2n位置距離為L_2n+1，施力點距離擰頭中心為L；

矩形測量區P面的P₁位置并列粘貼電阻式應變傳感器B₁和C₁，P₂位置并列粘貼電阻式應變傳感器B₂和C₂，P₃位置并列粘貼電阻式應變傳感器A₃和D₃，依此類推，P_2n位置并列粘貼電阻式應變傳感器B_2n和C_2n，P_2n+1位置并列粘貼電阻式應變傳感器A_2n+1和D_2n+1；

矩形測量區P'面的P′₁位置并列粘貼電阻式應變傳感器A₁和D₁，P′₂位置并列粘貼電阻式應變傳感器A₂和D₂，P′₃位置并列粘貼電阻式應變傳感器B₃和C₃，依此類推，P′_2n位置并列粘貼電阻式應變傳感器A_2n和D_2n，P′_2n+1位置并列粘貼電阻式應變傳感器B_2n+1和C_2n+1；

電阻式應變傳感器沿扳手縱軸排列，且P面和P'面電阻式應變傳感器位置對稱；

電橋臂AB依次串聯電阻式應變傳感器A₁、A₂、A₂…A_2n、A_2n+1，電橋臂BD依次串聯電阻式應變傳感器B₁、B₂、B₂…B_2n、B_2n+1，電橋臂AC依次串聯電阻式應變傳感器C₁、C₂、C₂…C_2n、C_2n+1，電橋臂CD依次串聯電阻式應變傳感器D₁、D₂、D₂…D_2n、D_2n+1，A端和D端間為輸入電源，電壓為u；B端和C端間為輸出，電壓為u₀，電橋輸出電壓u₀是微弱電信號，需要利用信號調理電路對該電信號進行放大、濾波，經A/D轉換后送至單片機進行計算處理獲得測量扭矩。

2.一種如權利要求1所述的數顯扭力扳手的扭矩測量方法，其特征在于所有電阻式應變傳感器均為同規格同阻值同膨脹系數，則在公式1、2和3條件下，忽略高階最小項可得電橋輸出電壓為：

式中，A_i、B_i、C_i、D_i(i＝1,2…2n+1)分別各電阻式應變傳感器的電阻值，ΔA_i、ΔB_i、ΔC_i、ΔD_i(i＝1,2…2n+1)分別各電阻式應變傳感器在扳手施加扭矩時對應的電阻值變化量；

因應變片阻值變化量與其所受到的應變成正比，即

式中，R和ΔR分別為應變片電阻值和電阻值變化量，ε為應變，K為電阻應變片的靈敏系數。結合式(1)和(2)，可得

考慮到P面和P'面的電阻式應變傳感器的位置對稱，則距擰頭相同距離處的P面和P'面應變大小相等且方向相反，則式(3)變為

u₀＝Ku(ε₁+ε₂-ε₃+ε₄…+ε_2n-ε_2n+1) (4)

式中，ε_i為對應位置P_i(或P′_i)處因所施加的扭矩而產生的應變大小，i＝1,2,…,2n+1，而ε_i與對應位置的彎矩有關，為

式中，L_i為P_i(或P′_i)處對應的力臂，F為所時間的力，b為力臂橫截面的寬度，h為力臂橫截面的高度，E位彈性模量，則式(4)變換為

對于式(6)，當如下關系式成立時

式(6)轉換為

從式(6)可以看出，當滿足式(7)條件時，電橋所測量的電壓信號與扳手擰頭所受到的扭矩(FL)是成正比的，與扳手擰頭所受到的扭矩(FL)是一一對應的，且隨扭矩(FL)的變化而呈線性變化，因此可通過測量電橋輸出電壓u₀來測量擰頭所受到的扭矩。