一种低成本高精度力矩传感器的设计与实现

潘水 杨雷/ 国营洛阳丹城无线电厂 空装驻洛阳地区第一军事代表室

力矩传感器又称扭矩传感器，主要用来检测转动机械部件产生力矩的大小，将弹性体受到力矩作用产生的微小物理变化转换成精确的电信号。为满足某型产品舵机输出力矩测量精度小于0.5N·m 的要求，设计了一种低成本高精度力矩传感器，通过硬件电路调整和软件校准修正，最终达到精确测量的目的，满足力矩检测精度要求。

由高精度应变片和优质弹性体组成的力矩传感器，感应舵机输出的力矩信号，由仪表放大器外围电路进行调整，经软件校准修正后输出测量结果。系统由力矩传感器、仪表放大器、硬件调整电路、软件校准修正等组成，系统组成框图如图1 所示。仪表放大器对力矩传感器输出的微小电压信号进行放大，并通过硬件电路对仪表放大器零点、力矩传感器零点以及放大倍数进行调整；
软件根据校准数据对实际测量数据进行修正，最终输出理想的测量结果。

硬件电路由力矩传感器、仪表放大器、运算放大器、三位开关、电位器、电阻和电容等组成，力矩传感器及其调理电路如图2 所示。

图1 系统组成框图

2.1 力矩传感器

力矩传感器主要由应变片和弹性体组成。

1）应变片

应变片选用BF350-3HA 高精度半桥应变片，具有精度高、柔韧性好、性能稳定、重复性好等优点，应变片及等效示意图如图3 所示。

选取两片BF350-3HA 半桥应变片组成测量电桥，其等效示意图如图4 所示。电源和地共用，1脚接电源，3脚接地，

2 脚和4 脚为测量输出端。2）弹性体

弹性体选用优质弹簧钢材质，结构示意图如图5 所示。

将应变片粘贴在弹性体上，当弹性体受到力矩作用产生微小变形后，引起电桥电阻值变化，应变电桥电阻的变化转变为电压信号的变化，从而实现力矩测量。

2.2 仪表放大器

AD625 是一款精密仪表放大器，专为满足非标准增益应用要求而设计，还可以对放大器零点、力矩传感器零点和放大倍数进行调整，最大限度地减小误差，选取适宜的放大倍数。

2.3 工作原理及调整方法

当弹性体受到外力作用时产生细微形变，应变片阻值随之发生变化，使力矩传感器的一个输出端电压升高，另一个输出端电压降低，形成电压差；
此电压差送给仪表放大器进行放大处理，然后经运算放大器隔离后送工控机数据采集卡进行采集。

图2 力矩传感器及其调理电路图

图3 应变片及等效示意图

图4 测量电桥等效示意图

图5 弹性体结构示意图

表1 硬件调整电路实际输出电压

电路调整包括三部分，分别是仪表放大器零点调整、力矩传感器零点调整和放大倍数调整。

仪表放大器零点调整：先将开关S1置于常开位置，调整W1 电位器，使仪表放大器输出电压为0V，调整结束后将开关S1 置于常闭位置。

力矩传感器零点调整：由于应变片阻值存在细微偏差、粘贴工艺方法存在差异等因素，力矩传感器的两个输出端电压可能不同。为减小误差，对力矩传感器零点进行调整。调整W2 电位器，使仪表放大器输出电压为0V。

力矩传感器放大倍数调整：使用专用校准工装，对力矩传感器顺时针施加定力98N·m，调整W3 电位器，使仪表放大器输出电压为4.9V。

对硬件调整电路实际输出电压数据进行分析统计，理想数据和实测数据统计见表1。

表2 硬件调整电路输出电压修正

表3 硬件调整电路输出电压测量结果

由表1 可以看出，该力矩传感器在顺时针方向误差较小，不大于0.03V；
在逆时针方向误差较大，达到0.2V。需要通过软件对其进行修正，根据差值，设定不同区间的修正值，具体修正区间和修正值见表2。修正误差计算规则为取区间上限误差和区间下限误差的平均数。

将表2 修正区间的修正误差配置到软件校准列表中，软件测试时根据实际测量数据，对其进行修正后输出测量结果，最终输出测量结果见表3。

由表3 可以看出，该力矩传感器在顺时针方向力矩最终误差不大于0.1N·m；
在逆时针方向力矩最终误差不大于0.3N·m，修正后测量精度满足力矩检测要求。

本文提出一种低成本高精度力矩传感器设计与实现方案，由应变片和弹簧钢组成高精度力矩传感器，通过形变感应力矩信号，经仪表放大器外围硬件电路对传感器零点及放大倍数进行调整，再由软件根据校准数据对测量数据进行修正，最终实现了某型产品舵机输出力矩精确测量的目的。试验结果表明该力矩传感器在98N·m 范围内测量误差不大于0.3N·m，达到了设计预期目的。

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