面向高低温环境的扭矩传感器设计及试验研究.pdf

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文

摘要

轴承的摩擦力矩直接关系到旋转部件的可靠性及工作稳定性。在航空航天领

域，轴承常工作在高低温真空环境中，然而由于轴承的摩擦力矩较小，在地面测试

时若将扭矩测试设备置于高低温真空设备外，轴承摩擦力矩的检测需要利用到穿

舱的轴系而穿舱部分的密封部件将引入相对较大的附加摩擦力矩。因此，需将扭矩

测试设备一并置于高低温设备中。为此，本文基于传递法研制了一款面向高低温环

境的的光电式静态小量程扭矩传感器以解决航天轴承在极端温度环境中摩擦力矩

测量的难题。

首先参考扭矩传感器成熟的产品制定了本论文中传感器的功能要求和性能指

标，提出了扭矩传感器的总体设计方案，包括基于传递法的光电式扭矩传感器本体

设计方案与基于涡流管的主动温控系统设计方案。

设计了传感器机械系统，包括散热结构设计、弹性轴及光栅设计。综合考虑传

感器分辨率、灵敏度及线性度等指标确定了弹性轴及光栅相关尺寸参数；根据扭矩

传感器本体尺寸设计了散热外壳，确定了壳内气道以及各气路元件的布局。

设计了传感器电气系统，包括光电转换单元，信号采集控制单元及温度控制单

元。为了调节光源强度设计了LED驱动电路，以光电池为核心设计了光电转换电

路；以ADC芯片为核心设计了信号采集及控制电路实现电压的滤波及数字量输出；

温度控制单元用于监测传感器内部温度，并控制散热外壳气道内流体的通断。

通过COMSOL对传热模型进行分析初步验证了温控系统的可行性。基于高低

温箱尺寸搭建了性能测试试验平台，通过传感器温度变化试验获得了其温升特性，

结果验证了温度控制系统的可行性；通过传感器特性参数测试试验获得的其在高

低温环境下的线性度、迟滞、重复性以及准确度等参数均小于0.5%F.S.，表明传

感器在高低温环境下均具备较好性能。

关键词：扭矩传感器；高低温；光电原理；小量程；光栅

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哈尔滨工业大学工学硕士学位论文

Abstract

Bearingfrictiontorqueisdirectlyrelatedtothereliabilityandworkingstabilityof

rotatingparts.Inthefieldofaerospace,bearingsoftenworkinhighandlowtemperature

vacuumenvironment.However,duetothesmallfrictiontorqueofbearings,ifthetorque

testingequipmentisplacedoutsidethehighandlowtemperaturevacuumequipment

duringgroundtesting,thebearingfrictiontorquedetectionneedstousetheshafting

throughthecabin,andthesealingpartofthethroughthecabinwillintroducerelatively

largeadditionalfrictiontorque.Therefore,thetorquetestingequipmentshouldbeplaced

inthehighandlowtemperatureequipment.Inordertosolvetheproblemoffriction

torquemeasurementofaerospacebearinginextremetemperatureenvironment,a

photoelectricstatictorquesensorwithsmallrangeisdevelopedbasedonthetransfer

meth