مکاترونیک سنسورهای گشتاور بسمه تعالی مکاترونیک سنسورهای گشتاور محمد حسن حسانی دانشکده مهندسی برق دانشگاه علم و صنعت ایران نیم سال دوم 94-95 1

نحوه اصولی اندازه گیری گشتاور استرسین گیج و نحوه عملکرد آن سرفصل مطالب ساختار سنسور نحوه اصولی اندازه گیری گشتاور استرسین گیج و نحوه عملکرد آن انواع گشتاوری 1.گشتاور استاتیکی 2.گشتاور دینامیکی نحوه عملکرد و پیکربندی سنسور نحوه انتخاب سنسور مناسب کاربرد سنسورهای گشتاور نحوه تهیه و قیمت مراجع 2

ساختار سنسور: این سنسور دارای دو بخش اصلی می باشد: یک شفت ضد زنگ استیل در ابعاد مناسب گشتاور یک طوقه فلزی(رینگ لغزان) که کاملا سوار بر شفت است جنس این طوقه آلیاژی از نیکل و تیتانیوم است Sensorland.com 3

نحوه اصولی اندازه گیری گشتاور گشتاور با حس کردن انحراف حقیقی محور ایجاد شده توسط یک نیروی پیچشی یا با آشکار کردن آثار این انحراف اندازه گیری می‌شود . سطح یک محور تحت گشتاور دچار تراکم و کشش می شود. برای اندازه گیری گشتاور ,معمولا عنا صر استرین گیج(Strain gauge ) به صورت جفت روی محور نصب شده اند. یک گیج افزایش در طول را اندازه می گیرد ( در جهتی که سطح تحت کشش است) و گیج د یگر کاهش طول را در جهت دیگر اندازه می گیرد. 4

سنسورهای گشتاور اولیه, از ساختارهای مکانیکی مناسب با استرین گیج‌ها تشکیل شدند. هزینهٔ بالا وقابلیت اطمینان کم آنها باعث شده که مورد پذیرش صنعتی قرار نگیرند.اگر چه تکنولوژی مدرن هزینهٔ ساخت سنسورهای گشتاور را کم کرده است , با این وجود کنترل کیفیت روی محصول , نیاز به اندازه گیری دقیق گشتاور را افزایش داده است. 5

استرین گیج و عملکرد آن استرین گیج((strain gauge یا کرنش سنج یک سنسور الکترونیکی است که برای اندازه گیری کرنش یا تغییرات نسبی طول یک جسم به کار گرفته می شود. تغییرات طول نسبی یک جسم برابر است با حاصل تقسیم طول فعلی جسم به طول اولیه آن به فرض مثال اگر یک میله فلزی یک متری تحت کشش 1 میلی متر متر افزایش طول دهد ، کرنش این میله برابر 1 میلی متر بر متر خواهد بود. 6

انواع گشتاوری اصولا دو نوع سنسور گشتاوری وجود دارد: ۱.سنسورهای گشتاور انعکاسی(استاتیکی):این نوع سنسورها در جای خود ثابت هستند بنابراین آن ها انعکاس گشتاور در سرتاسر سیستم را اندازه میگیرند. 7

8

9

تصاویر از سایت futek.com 10

۲. سنسورهای گشتاور چرخشی(دینامیکی): این نوع سنسور به انتقال اثراتی مانند الکتریسیته ومغانطیس از شفت می پردازد و همچنین به یک حسگر تغذیه نیازمند است و سیگنال خروجی آن نیز باید خوانده شود. برای این کار در سیستم های قدیمی از رینگ های لغزنده حلقوی استفاده میشد اما در سیستم های جدید از حسگرهای وایرلس استفاده می شود که دقت اندازه گیری را به مراتب بالاتر برده است. 11

12

یک سنسور گشتاور دینامیکی واقعی و مدل سنماتیکی آن: نام تجاری محصول: High Precision Load Cell Force Rotary Torque Transducer / Magnetic Torque Sensor 13

حجم و سایز واقعی آن 14 تصاویر از سایت(فروشگاه) www.tecsisloadcell.com

نحوه عملکرد و پیکربندی سنسور گشتاور می تواند با چرخش استرین گیج‌ها ,به علاوه با یک تخمین ثابت,سنسورهای magnetoelastic و magnetostrictive اندازه گیری شود که همه حساس به دما هستند. سنسورهای چرخشی باید روی محور قرار داده شوند که به دلیل محدودیت‌های فضا همیشه امکان پذیر نیست. یک Strain gauge می تواند مستقیما روی یک میله نصب شود. به دلیل چرخش میله، اتصال سنسور گشتاور به منبع تغذیه و همچنین انتقال سیگنال اطلاعاتش توسط یک رینگ لغزان که روی میله نصب شده است، انجام می شود. 15

بیشینه سرعت برای چنین ترکیبی 1500rpm می باشد. ولتاژ تحریک برای یک Strain gauge به صورت القایی کوپل می‌شود و خروجی Strain gauge به یک پالس تبدیل می شود. بیشینه سرعت برای چنین ترکیبی 1500rpm می باشد. Strain gaugeها را می توان روی بخش‌های ثابت نیز نصب کرد. سنسورهای استاتیکی، گشتاوری را که از میله به قطعات منتقل شده است را اندازه می گیرند. 16

نحوه انتخاب سنسور مناسب برای تهیه یک گشتاور سنج مناسب باید نکات زیر را در نظر گرفت: در وحله اول باید نیازهای خود از سنسور را به درستی تعریف کنیم که میخواهیم چه چیزی را اندازه بگیریم. 2. در مرحله بعد باید نوع گشتاوری که در نظر داریم را مشخص کنیم, گشتاور دینامیکی (rotary torque) یا گشتاور استاتیکی (reaction torque) 17

3. اندازه های سنسور مورد استفاده نیز اهمیت بسزایی دارد. 4 3. اندازه های سنسور مورد استفاده نیز اهمیت بسزایی دارد. 4. چگونگی قرار گرفتن سنسور در سیستم: flange to flange,shaft to shaft, square drive, hex drive … 5.همچنین باید توجه کرد که حجمی بیشتر از ماکزیمم گشتاور عملیاتی در نظر گرفته شود 18

کاربردهای سنسورهای گشتاور: تعیین اندازه توان موتورهای الکتریکی(و غیرالکتریکی و توربینها و اغلب دستگاهای چرخنده) انداره گیری نرخ برداشت براده کالیبره کردن ابزارهای گشتاور انداره گیری نیروهای سایش آزمایش کردن فنرها اندازه گیری های بیودینامیک کاهش مصرف سوخت 19

نحوه تهیه و قیمت در بازارها سنسورهای دینامیکی به دلیل ساختار پیچیده تر قیمت بالاتری دارند به صورتی که بعضی از مدل های پیشرفته آن ۴۰۰۰دلار قیمت دارند اما برای استفاده های معمولی سنسورهای دینامیکی در بازه ۲۰۰ تا ۱۳۰۰ دلار قرار دارند اما سنسور های استاتیکی با قیمیت های بسیار پایین تر قابل خریداری هستند البته لازم به ذکر است که سنسورهای صنعتی بزرگ در این قیمت گذاری قرار ندارند 20

لیست مراجع www.futek.com www.wikipedia.org www.sensorland.com www.torqsense.com www.tecsisloadcell.com www.appmeas.co.uk 21