静态扭矩检测装置设计.doc
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1、题目: 静态扭矩检测装置设计学 院: 机 械 工 程 学 院 专 业: 机械工程及自动化 班 级: 学 号: 学生姓名: 指导老师: 静态扭矩检测装置设计摘 要在生产和科研中,对机械设备扭矩的测量已经越来越重要,通过对扭矩的测量可以对机械设备的进一步改进设计取得重要的现场参数,为改进设计取得全面的一手资料。其对生产及科研具有相当的重要意义,本文采用高精度扭矩传感器、数据采集卡、数据采集分析技术设计小量程的静态扭矩检测装置。主要研究内容如下:1.检测装置机械机构设计,包括传感器的选型,传感器固定安装机构,检测系统与被测件的接口设计。2.数据采集与处理系统设计,包括F/V转换器设计,数据采集卡的选
2、择,基于LabVIEW的数据采集程序的编写。采用高精度扭矩传感器、数据采集卡、数据采集分析技术设计小量程的静态扭矩检测装置达到了预期设计目标要求,相对于悬挂砝码的检测方式精度高而且操作方便。关键词:扭矩传感器 数据采集卡 数据采集分析技术 LabVIEWThe design of static torque detector AbstractIn the production and scientific research,the torque measurement of the mechanical equipment has become more and more important.
3、 Through the measurement of torque we can improve the design of mechanical equipment and achieve important site parameters,and also can achieve a comprehensive first-hand data for the improved design,its very important to the production and scientific research. This paper use high-precision torque s
4、ensors, data acquisition cards, data acquisition and analysis technology to design small range of static torque detector. Main research contents are as follows:1.Design the mechanical structure including the selection of sensor, the installation of sensor and the interface between testing system and
5、 the tested parts.2. Design the data acquisition system including F/V converter, the selection of data acquisition card and the writing of data acquisition program based on LabVIEW.Using of high-precision torque sensors, data acquisition cards, data acquisition and analysis techniques to design smal
6、l range of static torque can achieve the expected requirements and also can get the higher precision and easier operation relativing to the hanging weight detector.Keywords: torque sensor data acquisition card data acquisition and analysis techniques LabVIEW目 录摘 要IAbstractII目 录III表 列V图 列V第一章 绪论11.1
7、课题的研究背景与来源11.1.1 课题研究背景11.1.2 课题研究来源11.2 扭矩测量发展现状21.3 课题研究的内容和方法31.3.1 课题研究内容31.3.2 课题研究方法3第二章 检测装置总体方案设计42.1 设计要求42.2 检测装置整体系统框图42.3 检测装置机械结构设计42.4 数据采集与处理系统设计42.4.1 F/V转换器的设计42.4.2 数据采集卡的选择52.4.3 LabVIEW程序设计52.5 本章小结5第三章 检测装置机械结构设计63.1检测装置结构形式设计63.1.1传感器的选型63.1.2传感器固定安装结构73.1.3检测系统与被测件的接口设计83.1.4零
8、件选材93.2本章小结9第四章 数据采集与处理系统设计104.1 软件介绍104.2 硬件介绍104.2.1 F/V转换104.2.1.1主要特点114.2.1.2电性能参数114.2.1.3引脚排列及内部结构124.2.1.4工作原理124.2.1.5应用电路134.2.2 数据采集卡144.2.2.1 A/D转换过程154.2.2.2 A/D触发模式154.2.2.3 A/D数据传输模式164.3 数据采集164.4 程序设计184.4.1前面板设计184.4.2程序框图设计194.5本章小结21第五章 实验225.1 仪器连线225.2 数据采集225.3 数据分析225.4 实验结论2
9、45.5 本章小结24第六章 结论及建议256.1 研究结论256.2 建议和展望25参考文献R-1致 谢A-1附 录1表 列1. 表3-1传感器的特点和技术参数2表4-1 LM2907的主要电性能参数3表4-2 PCL812PG多功能数据采集卡的基本特性和应用4表5-1 采集开始到结束采集到的扭矩值变化图 列1图2-1 检测装置整体系统框图2图3-1 JN338AE型旋转式传感器实物图3图3-2 右侧板4图3-3 端盖5图3-4 传感器的机械安装机构总图6图3-5 检测系统与被测件的接口7图3-6 接口与传感器相连结构图8图4-1 虚拟仪器硬件结构图9图4-2 LM2907的DIP14的内部
10、结构10图4-3 LM2907频率/电压转换电路11图4-4 LM2907频率/电压转换电路板12图4-5 LM2907频率/电压转换电路板外壳13图4-6 PCL812PG方框图14图4-7 数据采集系统框图15图4-8 模拟信号的数字化过程16图4-9 数据采集界面17图4-10 驱动设备选择18图4-11 历史查询界面19图4-12 数据采集驱动程序图20图4-13 保存数据程序图21图4-14 生成报表程序图22图4-15 历史查询子VI程序图23图5-1 仪器之间的连线24图5-2 正向加载扭矩值波形图25图5-3 负向加载扭矩值波形图第一章 绪论1.1 课题的研究背景与来源1.1.
11、1 课题研究背景扭矩是旋转动力机械的重要工作参数,而扭矩测量已经成为机械量测量中一个重要组成部分。若能准确、可靠、方便地测出受试机械的平均或瞬时的扭矩值、转速和功率,这将有利于改进和提高其性能。同时,装置测试系统可作旋转动力机械日常运行的监视装置,起到故障诊断或可用作自动控制系统的检测装置1。扭矩测量是各种机械产品的开发研究、测试分析、质量检验、型式鉴定和节能、安全或优化控制等工作中必不可少的内容。随着现代科学技术的迅猛发展,扭矩测量技术已充分引起人们的重视,成为测试技术的一个新分支。扭矩已成为众多机械量测量中的一个主要参数2。近年来,世界各工业发达国家相继探讨出许多扭矩测试新技术,研制、生产
12、出较多的新颖扭矩测量仪。改革开放以来,我们走技术引进、自主创新之路,极大的推动了扭矩测量技术的发展。在高新技术中,扭矩测量技术是综合应用机械、电子、物理、计算机等多方面知识的一门学科。扭矩测量应用范围很广泛,它渗透到工业、农业、交通运输、航天航空、国防、能源等各个领域3。由于微电子技术、计算机技术、软件技术、网络技术的高度发展及其在电子测量技术与仪器上的应用,新的测试理论、测试方法、测试领域以及新的仪器结构不断出现,在许多方面已经突破传统仪器的概念,电子测量仪器的功能和作用已经发生了质的变化。在这种背景下,八十年代末美国率先研制成功虚拟仪器,虚拟仪器就是利用现有的计算机,加上特殊设计的仪器硬件
13、和专用软件,形成既有普通仪器的基本功能,又有一般仪器所没有的特殊功能的高档、低价的新型仪器,虚拟仪器的出现是仪器发展史上的一场革命,代表着仪器发展的最新方向和潮流,对科学技术的发展和工业生产的进步产生不可估量的影响。1.1.2 课题研究来源本课题来源于学院实验室项目静态扭矩检测装置设计, 采用高精度扭矩传感器、数据采集卡、数据采集分析技术设计小量程的静态扭矩检测装置,具有一定的先进性。扭矩检测是一种常规的机械产品性能指标检测方法,也是科研试验中经常用到的一种检测手段。但市售的成熟产品价格昂贵,或者采用悬挂砝码的方式检测,精度不高并且操作不便。本课题主要设计一种方便易用的静态扭矩的检测装置。1.
14、2 扭矩测量发展现状在生产和科研中,对机械设备扭矩的测量已经越来越重要,通过对扭矩的测量可以对机械设备的进一步改进设计取得重要的现场参数,为改进设计取得全面的一手资料。其对生产及科研具有相当的重要意义。目前,扭矩测量仪大致可分为以下几种:应变扭矩测量仪,相位差扭矩测量仪,振弦式、电容式、磁弹性式测量仪4。由于各种扭矩测量仪的测试方式不同,使得其应用范围不同。扭矩测量技术的发展取决于传感器、信号传输和测量仪的研究。目前,由于微机的应用,扭矩测量仪性能大大提高,而传感器的研究与测量仪相比稍有逊色。因此必须加强传感器的研究,这就要从传感器种类、精度、规格、安装、信号传递等方面加以研究5。目前传感器主
15、要发展动向为:1.传感器从介入式发展成不介入式。以往扭矩传感器大部分属于介入式,即必须作为传动轴一部分才能使用,这样限制了它的应用范围,一般用于实验室、台架测量。现在逐渐推广的卡环式应变型扭矩传感器,即为不介入式扭矩传感器,只要将传感器卡在轴上或安装在轴边,无须断开轴系,这样给实际工况测量扭矩带来很大的方便。再如振弦式传感器、磁弹性传感器都属于不介入式扭矩传感器。2.对新型扭矩传感器的研究的同时并对经典扭矩传感器加以改进。随着新原理、新材料的发现和微细加工、微机械加工技术的发展和应用,正在促进传统传感器的变革,新型磁弹性传感器和光纤扭矩传感器结构简单、使用方便,代表扭矩传感器的新动向6。在信号
16、传输方面,以往采用的是接触式滑环传输,这种传输方式易磨损、需常清洗、安装难,容易引入干扰信号。近期推出的传感器一般均为无接触式传输。如感应方式或遥测体制,它克服了接触式传输的缺点。随着检测变换集成化和多功能化,将过去先检测传输、后对信号进行变换处理的概念演变为先检测变换处理,后再进行传输,这一变更已成为可能7。扭矩测量仪的智能化、微机化是当今测量仪变革的主流,单片微机和软件的开发应用已使信号的检测、采集、比较、相关、数字滤波、域间变换、逻辑和函数运算、程序给定和反馈控制等功能由仪器本身来实现成为可能。软件扩展了结构的性能限制,并使仪器具有智能化。既能适应被测参数的变化来自选量程、自动补偿、自动
17、校正、人机对话、自寻故障,并能方便的与总线接口,进行多台联机通信及控制8。在扭矩传感器信号传输及测量仪的总成上,工业化扭矩仪研制的呼声愈来愈高,一改以往扭矩测量仪多半应用于实验室台架测量的情景。工业化扭矩仪的要求是必需满足苛刻的工业应用环境,即可靠性要高,重复性要好,价格要低廉,与机器匹配,安装方便,但精度要求不高,用其作为指导生产、保护机械不受损伤的有效手段9。虚拟仪器利用个人计算机强大的图形环境和在线帮助功能,建立虚拟仪器面板,完成对仪器的控制、数据分析和显示,代替传统仪器,改变传统仪器的使用方式,提高仪器的功能和使用效率,大幅度降低仪器价格,使用户可以根据自己的需要定义仪器的功能。目前,
18、虚拟仪器在设计、生产、使用已经十分普及,很多企业使用虚拟仪器系统对生产设备的运行状况进行实时监测,虚拟仪器将会逐步取代传统的测试仪器而成为测试仪器的主流10。1.3 课题研究的内容和方法1.3.1 课题研究内容拟采用高精度扭矩传感器、数据采集卡、数据采集与分析技术设计静态扭矩检测装置,主要设计内容包括:(1)检测装置机械结构设计主要考虑传感器的选型、传感器的固定安装结构,检测系统与被测件的接口设计;在满足功能要求的前提下,兼顾机械机构的外观造型和易操作性。传感器采用JN338AE型旋转式传感器,此传感器转速采用旋转编码器的方式,它具有高频响、分辨率能力高、抗振动、耗能低、性能稳定可靠、使用寿命
19、长等优点,适合转速低且要求转速测量精度高和进行角度测量的场合使用。(2)数据采集系统设计基于PCL812PG数据采集卡和数字滤波电路构建扭矩信号采集系统,数据采集系统主要由待测量、调整电路、传感器、数据采集卡、计算机等组成,调理电路的主要功能对传感器的输出信号进行隔离、放大、滤波等处理。数据采集卡主要是利用A/D将模拟信号转换成幅度离散的数字量,数据采集卡采用的是PCL-812PG高性能、高速多功能的数据采集卡,该卡系列具有综合所有数据采集的功能,比如A/D,D/A,DIO和定时器/计数器集成在一块板上,这种卡的高端性能使它非常适合要求低成本、高速的12位数据采集。在LabVIEW环境下开发出
20、对信号采集、显示、存储以及进一步处理的可视化系统。(3)数据分析模块设计数据分析模块从采集模块获得数据,实现对全部数据的保存、检索、图形显示、打印输出和基本的时域分析;能够根据用户设定的格式和要求,实现被测件检测报告的自动生成和打印输出。1.3.2 课题研究方法本装置首先要考虑传感器的安装,可以用几块钢板固定住,在传感器的信号采集端可以用带刻度的钢尺与传感器转轴配合作为被测件的接口,由于被测量是静态扭矩,所以传感器的另外一端需要用端盖固定住。数据采集方面采用基于LabVIEW的数据采集系统,采用PCL812-PG加强型多功能数据采集卡。由于传感器输出的是频率信号,而LabVIEW能接受处理的是
21、电压或者电流信号,这就需要使用F/V转换器将频率信号转换成电压信号。第二章 检测装置总体方案设计本检测装置采用高精度扭矩传感器、数据采集卡、基于LabVIEW的数据采集与分析技术,对采集到的扭矩值进行数据显示,生成报表,保存数据和历史查询。2.1 设计要求本课题对整个系统提出了如下的设计要求:(1) 扭矩检测范围:-2Nm +2Nm(2) 检测精度:1% FS(3) 机械接口:10(4) 响应时间:10ms2.2 检测装置整体系统框图检测装置整体系统框图如图2-1所示被测对象基于LabVIEW的数据采集系统多功能数据采集卡F/V转换器传感器计算 机图2-1 检测装置整体系统框图2.3 检测装置
22、机械结构设计检测装置机械机构的设计主要考虑传感器的安装和检测系统与被测件接口的设计,安装机构要结合传感器的特点设计,尽量做到安装方便和美观大方。 传感器的安装需要结合传感器自身的特点,可以采用六块钢板通过螺纹连接来确定,并在左右钢板上开通孔,使传感器两端的转轴分别与被测件接口和端盖配合连接。 检测系统与被测件接口采用带刻度的钢尺的模型,在钢尺中间开键槽与传感器转轴配合,这样重物就能加载在钢尺上。由于采集的是静态扭矩,所以传感器的另一端的转轴必须用端盖固定住。2.4 数据采集与处理系统设计2.4.1 F/V转换器的设计传感器输出的是频率信号,LabVIEW能接受处理的是电压或者电流信号,这就需要
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