高 辰，李躍光

(1.長春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長春 130022;2.長春大學(xué) 機(jī)械與車輛工程學(xué)院，長春 130022)

0 引言

扭轉(zhuǎn)試驗是材料力學(xué)性能試驗領(lǐng)域中廣泛采用的一種試驗方法，材料扭轉(zhuǎn)試驗機(jī)主要是對材料進(jìn)行扭轉(zhuǎn)檢測試驗，檢測材料的柔性，硬度，剛度，強度等，由手動加載、光電編碼器檢測轉(zhuǎn)角、高精度扭矩傳感器檢測扭矩、數(shù)字顯示檢測結(jié)果。主要應(yīng)用于科研機(jī)構(gòu)以及工業(yè)控制企業(yè)的力學(xué)研究用來檢測材料的扭轉(zhuǎn)性能的好壞。由于扭轉(zhuǎn)試驗機(jī)夾具與被測試樣件之間的連接不可避免的存在間隙，使試驗的扭矩—扭角曲線在換向時會產(chǎn)生間隙，造成試驗數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確［3］。另外，在扭轉(zhuǎn)試驗標(biāo)準(zhǔn)中扭矩—扭角曲線，特別是彈性模量的檢測:要求的是試樣在有效標(biāo)距范圍內(nèi)的相對轉(zhuǎn)角變化量，由于標(biāo)準(zhǔn)試樣在標(biāo)距范圍外的部分仍有少量變形存在，所以單純依靠動力端的扭轉(zhuǎn)傳感器測量出的轉(zhuǎn)動量作為轉(zhuǎn)角變化量計算出來的彈性模量準(zhǔn)確性很差。要獲得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，必須要能準(zhǔn)確的測量出扭轉(zhuǎn)試樣在標(biāo)距范圍內(nèi)的相對轉(zhuǎn)角。

拉/壓試驗機(jī)在標(biāo)距范圍內(nèi)的測量，采用的大多是應(yīng)力應(yīng)變式引伸計，效果非常好。而扭轉(zhuǎn)試樣由于長短及直徑變化非常大，采用拉伸引伸計的原理方式，安裝和固定就非常困難了。不僅實現(xiàn)的手段非常復(fù)雜、應(yīng)用也很繁瑣，測量效果也不理想。在試驗機(jī)行業(yè)，還有采用空心光電編碼器制作成轉(zhuǎn)角引伸計的。這種方式對試樣直徑比較小或比較大兩種極端情況的安裝就比較困難，而且由于自身的重量比較大，空心光碼的轉(zhuǎn)動也附加一定的小扭矩，對精確測量要求也不夠理想。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是很多以往應(yīng)用在軍事方面的高端產(chǎn)品開始進(jìn)入一般的工業(yè)領(lǐng)域，應(yīng)用在陀螺技術(shù)上的傾角傳感器就是其中的一種。傾角傳感器具有體積小、重量輕、精度高和穩(wěn)定性好的特點，應(yīng)用在扭轉(zhuǎn)試驗機(jī)引伸計的測量上非常合適。我們就是采用兩支同型號的傾角傳感器，由于傳感器體積小(直徑僅為17mm、高為10mm)，重量輕(僅為20克)，將傳感器固定在塑料夾子上。然后分別夾在扭轉(zhuǎn)試樣的兩個標(biāo)距點上，通過兩支傳感器測量的差值計算出標(biāo)距范圍內(nèi)的相對轉(zhuǎn)角。這種方式結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便，測量精度高。下面就詳細(xì)介紹使用芬蘭進(jìn)口的SCA103T傾角傳感器實現(xiàn)的具體電路及應(yīng)用測量的參數(shù)。

1 傾角傳感器

傾角傳感器是用來對系統(tǒng)的水平方向進(jìn)行測量的傳感器，工作原理有三種分別是:“固體擺”式、“氣體擺”式、“液體擺”式。本系統(tǒng)采用的是“固體擺”式的SCA103T高精度傾角傳感器如圖1所示，其原理是根據(jù)牛頓慣性定律，當(dāng)傾角傳感器處于靜止?fàn)顟B(tài)時，作用在傳感器上只有重力提供加速度，根據(jù)慣性定律公式F=mgsinθ可知道重力方向與傳感器方向之間的夾角就是所要求的傾角。

SCA103T是使用差分測量原理的單軸傾角傳感器，具有校準(zhǔn)精度高，高分辨率，低噪聲，工作范圍寬等特點，其測量范圍可以達(dá)到±30°，測量精度可高達(dá)到0.001°，從而使得SCA103T成為工業(yè)控制中高精度測量傾角最為理想選擇。

SCA103T系列的高精度測量傾角傳感器有12引腳，內(nèi)部集成了SPI接口輸出和2通道的一般模擬輸出，用戶可以隨意使用，SCA103T系列有兩個型號一個是靈敏度為8V/g的±30°的型號另外一個是靈敏度為16V/g的±15°的型號，本設(shè)計采用的是靈敏度為8V/g的±30°的型號［1］。

圖1 傾角傳感器外形圖

2 測量電路的設(shè)計

雖然SCA103T傾角傳感器自身帶有一個SPI串行接口，但該接口的AD分辨率比較低，所以沒有采用這個接口。而是利用該模擬電壓輸出口，外電路配備了一個16位的AD974芯片作為AD測量，接口采用TI的240系列DSP器件，實現(xiàn)AD采樣和232串口通信輸出。整個電路的實現(xiàn)如圖2所示。AD974是一個具有4個通道、16位分辨率、測量速率高達(dá)200KHZ的芯片，該AD設(shè)計以5000次/秒的采樣速率分時對四個傾角傳感器進(jìn)行測量，通過數(shù)據(jù)處理，最后以20Hz的輸出速率通過RS232接口傳送到計算機(jī)進(jìn)行顯示處理，如圖2所示為測量電路的原理圖。

圖2 硬件電路圖

圖3 試驗臺的硬件連接

3 結(jié)語

我們將設(shè)計的四通道傾角傳感器應(yīng)用在汽車轉(zhuǎn)向機(jī)萬向聯(lián)軸器剛度測量試驗中，主要測量其各萬向節(jié)的相對間隙及剛度。試驗臺的硬件連接方式如圖3所示，這是一個最大50Nm的扭轉(zhuǎn)試驗機(jī)，計算機(jī)的測量結(jié)果曲線如圖4所示，通過四種顏色的曲線可以看出各傾角傳感器的測量輸出結(jié)果。在這些測量曲線中排除了轉(zhuǎn)向機(jī)機(jī)械系統(tǒng)自身產(chǎn)生的間隙，利用兩個相鄰傾角傳感器之間的轉(zhuǎn)角差值，來計算每個萬向節(jié)的決對轉(zhuǎn)角值及其對應(yīng)的剛度值。采用傾角傳感器的方法測量相對標(biāo)距范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)角，具有安裝方便，對試樣的適應(yīng)性廣，測量結(jié)果準(zhǔn)確的特點，該測量方法今后在扭轉(zhuǎn)試驗機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域具有廣泛的推廣價值。

圖4 計算機(jī)的測量結(jié)果曲線

［1］廖學(xué)兵.傾角傳感器在高精度火炮數(shù)字水平儀的應(yīng)用［C］//第十五屆電工理論學(xué)術(shù)年會論文集.北京:中國電工技術(shù)學(xué)會，2003:116-119.

［2］孫傳友.感測技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2006.

［3］孫彤，鄧金錄.汽車轉(zhuǎn)向機(jī)試驗臺自動加載系統(tǒng)［J］.新技術(shù)新工藝，1998(6):8-9.

［4］張雄偉，曹鐵勇.DSP芯片的原理與開發(fā)應(yīng)用［M］.2版.北京:電子工業(yè)出版社，2000.