倾角传感器在扭转试验中的巧妙应用

高 辰，李跃光

(1.长春理工大学 机电工程学院，长春 130022;2.长春大学 机械与车辆工程学院，长春 130022)

0 引言

扭转试验是材料力学性能试验领域中广泛采用的一种试验方法，材料扭转试验机主要是对材料进行扭转检测试验，检测材料的柔性，硬度，刚度，强度等，由手动加载、光电编码器检测转角、高精度扭矩传感器检测扭矩、数字显示检测结果。主要应用于科研机构以及工业控制企业的力学研究用来检测材料的扭转性能的好坏。由于扭转试验机夹具与被测试样件之间的连接不可避免的存在间隙，使试验的扭矩—扭角曲线在换向时会产生间隙，造成试验数据不准确［3］。另外，在扭转试验标准中扭矩—扭角曲线，特别是弹性模量的检测:要求的是试样在有效标距范围内的相对转角变化量，由于标准试样在标距范围外的部分仍有少量变形存在，所以单纯依靠动力端的扭转传感器测量出的转动量作为转角变化量计算出来的弹性模量准确性很差。要获得准确的数据，必须要能准确的测量出扭转试样在标距范围内的相对转角。

拉/压试验机在标距范围内的测量，采用的大多是应力应变式引伸计，效果非常好。而扭转试样由于长短及直径变化非常大，采用拉伸引伸计的原理方式，安装和固定就非常困难了。不仅实现的手段非常复杂、应用也很繁琐，测量效果也不理想。在试验机行业，还有采用空心光电编码器制作成转角引伸计的。这种方式对试样直径比较小或比较大两种极端情况的安装就比较困难，而且由于自身的重量比较大，空心光码的转动也附加一定的小扭矩，对精确测量要求也不够理想。

随着科学技术的不断发展，特别是很多以往应用在军事方面的高端产品开始进入一般的工业领域，应用在陀螺技术上的倾角传感器就是其中的一种。倾角传感器具有体积小、重量轻、精度高和稳定性好的特点，应用在扭转试验机引伸计的测量上非常合适。我们就是采用两支同型号的倾角传感器，由于传感器体积小(直径仅为17mm、高为10mm)，重量轻(仅为20克)，将传感器固定在塑料夹子上。然后分别夹在扭转试样的两个标距点上，通过两支传感器测量的差值计算出标距范围内的相对转角。这种方式结构简单、安装方便，测量精度高。下面就详细介绍使用芬兰进口的SCA103T倾角传感器实现的具体电路及应用测量的参数。

1 倾角传感器

倾角传感器是用来对系统的水平方向进行测量的传感器，工作原理有三种分别是:“固体摆”式、“气体摆”式、“液体摆”式。本系统采用的是“固体摆”式的SCA103T高精度倾角传感器如图1所示，其原理是根据牛顿惯性定律，当倾角传感器处于静止状态时，作用在传感器上只有重力提供加速度，根据惯性定律公式F=mgsinθ可知道重力方向与传感器方向之间的夹角就是所要求的倾角。

SCA103T是使用差分测量原理的单轴倾角传感器，具有校准精度高，高分辨率，低噪声，工作范围宽等特点，其测量范围可以达到±30°，测量精度可高达到0.001°，从而使得SCA103T成为工业控制中高精度测量倾角最为理想选择。

SCA103T系列的高精度测量倾角传感器有12引脚，内部集成了SPI接口输出和2通道的一般模拟输出，用户可以随意使用，SCA103T系列有两个型号一个是灵敏度为8V/g的±30°的型号另外一个是灵敏度为16V/g的±15°的型号，本设计采用的是灵敏度为8V/g的±30°的型号［1］。

图1 倾角传感器外形图

2 测量电路的设计

虽然SCA103T倾角传感器自身带有一个SPI串行接口，但该接口的AD分辨率比较低，所以没有采用这个接口。而是利用该模拟电压输出口，外电路配备了一个16位的AD974芯片作为AD测量，接口采用TI的240系列DSP器件，实现AD采样和232串口通信输出。整个电路的实现如图2所示。AD974是一个具有4个通道、16位分辨率、测量速率高达200KHZ的芯片，该AD设计以5000次/秒的采样速率分时对四个倾角传感器进行测量，通过数据处理，最后以20Hz的输出速率通过RS232接口传送到计算机进行显示处理，如图2所示为测量电路的原理图。

图2 硬件电路图

图3 试验台的硬件连接

3 结语

我们将设计的四通道倾角传感器应用在汽车转向机万向联轴器刚度测量试验中，主要测量其各万向节的相对间隙及刚度。试验台的硬件连接方式如图3所示，这是一个最大50Nm的扭转试验机，计算机的测量结果曲线如图4所示，通过四种颜色的曲线可以看出各倾角传感器的测量输出结果。在这些测量曲线中排除了转向机机械系统自身产生的间隙，利用两个相邻倾角传感器之间的转角差值，来计算每个万向节的决对转角值及其对应的刚度值。采用倾角传感器的方法测量相对标距范围内的转角，具有安装方便，对试样的适应性广，测量结果准确的特点，该测量方法今后在扭转试验机应用领域具有广泛的推广价值。

图4 计算机的测量结果曲线

［1］廖学兵.倾角传感器在高精度火炮数字水平仪的应用［C］//第十五届电工理论学术年会论文集.北京:中国电工技术学会，2003:116-119.

［2］孙传友.感测技术基础［M］.北京:电子工业出版社，2006.

［3］孙彤，邓金录.汽车转向机试验台自动加载系统［J］.新技术新工艺，1998(6):8-9.

［4］张雄伟，曹铁勇.DSP芯片的原理与开发应用［M］.2版.北京:电子工业出版社，2000.