毕业设计(论文)基于应变式传感器的扭矩检测系统设计.doc
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1、基于应变式传感器的扭矩检测系统设计摘 要近年来,随着科学技术的进步和测试技术的发展,对扭矩传感器提出了更高的要求。工程和实际中,许多情况下必须控制和知道扭矩的大小。本文是在对比多种传感器的基础上针对其他扭矩传感器的缺点,研制开发了一种结构简单,工作稳定的新型高精度应变式扭矩测量仪。本文对扭矩传感器的发展现状进行了分析,并明确了研究内容和工作步骤。在扭矩传感器主体的设计过程中,首先介绍了应变式扭矩传感器的测量原理,介绍了一种高精度智能控制扭矩测试仪的设计 ,描述了该仪器的主要机械结构、 电路结构和工作原理 ,给出了软件程序流程。采用高精度应变式传感器,数据采集分析技术设计小量程的静态及低转速动态
2、扭矩。检测装置达到了预期设计目标要求,相对于其他检测方式精度高而且操作方便。关键词:应变式传感器 扭矩测量 电桥The design of torque measurement system based on strainABSTRACTRecently,with the development of test technology and the progress of science and technology,torque sensor is put forward higher requirement The torque moment size must be controlled
3、 and known in engineering and practicality. This paper contraposing the shortcomings of other torque sensors a kind of strain gauge high-precision torque instrument is designed and developed, which has simple structure and high stability. The present development situation of torque sensor is investi
4、gated in this paper, and confirms the research content and procedureDuring the course of designing main body of torque sensor, measurement pimple of strain torque sensor is introduced firstly .This paper introduces the design of a precise torsion testing instrument based on a single chip , giving th
5、e mechanism structure , the circuit diagram and the sample machine.Using of high-precision torque sensors, data acquisition and analysis techniques to design small range of static torque can achieve the expected requirements and also can get the higher precision and easier operation reliving to the
6、hanging weight detector.KEY WORDS: torque sensor ,torque measurement,bridge method目录摘 要IABSTRACTII1绪论11.1 引言11.2 课题的研究背景与来源11.2.1课题研究背景11.2.2课题研究来源21.3 扭矩测量发展现状及扭矩检测的几种方法21.3.1扭矩测量的发展现状21.3.2扭矩测量的几种方法31.3.3扭矩测量的发展前景51.4 课题研究的内容和方法51.4.1 课题研究内容51.4.2 课题研究方法62 检测装置的基本原理和总体方案72.1引言72.2检测装置整体系统框图72.3电阻应
7、变片及扭矩测量的基本原理:72.3.1电阻应变片的基本原理723.2扭矩测量的基本原理92.4各部分功能介绍102.5方案论证113 扭矩传感器的设计123.1引言123.2 应变片的选用123.3弹性敏感元件设计133.4 扭矩传感器的硬件结构133.4.1 弹性轴材料的选择和确定133.4.2 联轴器的选用143.4.3导电滑环及滑臂电刷的选用164 扭矩检测系统各部分电路的设计184.1引言184.2电桥电路184.2.1电桥电路的选用184.3放大电路的设计及硬件选用。204.3.1放大电路的设计204.3.2 放大电路的误差分析234.4低通滤波电路的设计234.5 A/D转换电路的
8、设计244.6单片机电路及硬件选取274.7 LCD显示电路及硬件选取284.8 硬件的抗干扰措施315 软件部分简介335.1引言335.2主程序包含的各部分模块的定义及功能345.3数据处理子程序345.4 LCD显示部分流程35结束语37致谢38参考文献39附录一411绪论1.1 引言随着电子化,以及机械化水平的提高,传感器技术已经成为了工业自动控制控制领域中重要的一部分。各种工业产品装配线上使用的自动化紧固工具和装置,例如电动板旋凿,都需要扭矩传感器提供紧固力矩信号,并按照设定的拧紧力矩进行作业;在各种自动化生产过程中,例如深孔钻削作业中的钻头过载保护和自动提升排屑,数控金属切削机床的
9、自整定系统等,也都可以通过工作轴转矩的在线检测,达到工艺过程的自控目的。随着汽车电子化程度的提高,特别是CPU技术在汽车上的大量应用,使传感器技术成为发展汽车电子控制系统的关键。对汽车的各种电控系统而言,其中最重要的两个基本参数是发动机的转速和负荷。目前转速测量无论在实验室中还是汽车上,都已达到了实用的程度,而负荷测量方法虽然在实验室中得到了广泛应用,但由于检测仪器本身的体积、成本、可靠性或准确度等问题的存在,加之其它一些条件的限制,使其还没有完全适用于车载实测。目前,汽车上广泛使用的负荷检测方法均属于间接测量方法,测量准确度比较低。扭矩传感器属于负荷的直接检测方法,最有希望成为汽车未来实用的
10、、高准确度的负荷传感器。因此,研制出一种高准确度动态扭矩测量仪对自动控制及汽车制造业等领域具有非常重要的现实意义。1.2 课题的研究背景与来源1.2.1 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。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
11、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。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。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
12、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。1.2.2 课题研究来源本课题旨在采用高精度的应变式传感器、数据采集分析技术设计小量程的静态及动态扭矩检测装置,具有一定的先进性,及准确性。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
13、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。1.3 扭矩测量发展现状及扭矩检测的几种方法1.3.1 扭矩测量的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。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
14、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。目前传感器主要发展动如下。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。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
15、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。在信号传输方面,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。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
16、、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。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
17、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,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。1.3.2扭矩测量的几种方法(1)磁致伸缩式(压磁式)扭矩传感器。这种传感器的扭力轴由铁磁材料做成的。把绕有线圈的两个形铁心安装在扭轴周围,在其中一个铁心的线圈中通以交流电,在扭轴周围形成交变磁场,称为励磁线圈,另一个铁心的线圈用来产生感应电势,称为测量线圈。当扭力轴受转矩作用时,扭轴沿正应力方向磁阻
18、减小,沿负应力方向磁阻增大,其表面上出现各向异性磁阻特性,使交变磁场的磁力线重新分布,从而使测量线圈上的感应电势发生相应的变化。在一定范围内,感应电势与轴上所受扭矩成线性关系。这样,通过检测感应电势,便可测量扭矩。这种传感器属于接触测量,响应速度快,灵敏度高,稳定性好,抗过载能力及抗干扰能力强,结构简单。但其致命弱点是沿扭力轴圆周分布的磁导率存在固有偏差,从而无法达到较高的准确度。(2) 光电式扭矩传感器。美国NASA刘易斯研究所中心曾对此项技术进行过研究。在扭力轴上相距一定的位置上固定安装两片圆盘形光栅,在无转矩作用时,两片光栅的明暗条纹错开,完全遮挡光路因此置于光栅另一侧的光敏元件无光照射
19、,亦无电信号输出。当有转矩作用在扭力轴上时,安装光栅处的两截面产生相对转角,使得两片光栅的明暗条纹发生部分重合,便有部分光线透过两光栅照射到光敏元件上,从而输出电信号。转矩越大,扭转角就越大,照射到光敏元件上的光越多,因而输出的电信号也就越大。因此通过检测输出的电信号,即可测量出外加的扭矩。这种扭矩传感器抗干扰能力和可靠性较差,不能测量起动和低转速转矩,静标困难,结构复杂,目前很少使用。(3)磁电式扭矩传感器。该扭矩传感器是根据磁感应原理设计的。在被测的扭力轴上相距一定距离的两端处各安装一个齿形转轮(相差盘),靠近转轮沿径向各放置一个感应式脉冲发生器(在永久磁铁上绕一个固定线圈而制成,又称电磁
20、检测器;当转轮旋转时,便在两个脉冲发生器中产生正弦信号,而这两个正弦信号的相位差与外加转矩成正比;因此,通过检测这个相位差,即可测量出扭力轴所传递的转矩。这种转矩传感器可测起动和低速转矩,但动态特性不好,不适于高速转动中的扭矩测量。目前在国内外实验室中,这种转矩传感器应用的比较广泛。此外,国外还有一种利用发动机曲轴的前、后端在工作时产生的扭转角来测量发动机扭矩的方法,但这种方法只有在较大负荷时才可靠。(4)应变式扭矩传感器。沿扭力轴的轴向45方向分别粘贴4个应变片,组成全桥电路的四个桥臂,用以感受同向的最大正应变。当扭力轴受扭时,应变片的电阻率发生变化,电阻的变化通过电桥输出与外加扭矩成正比的
21、电压信号,然后经适当的方式将该电压的信号引出,通过处理后便可计算出外加扭矩。这种扭矩传感器使用范围广,能测量瞬时扭矩及起动扭矩(动态测量),而且结构简单,测量准确度高;但抗干扰能力较差,温度、湿度以及粘接剂等对准确度都有影响。应变式扭矩传感器的信号传输技术是这类传感器的关键技术,业内已有3种成熟的传输方法,解决高速旋转工况下,激励电源输入到应变桥路及信号输出到显示仪表所存在的传输问题。(a)集流环传输利用这种传输技术的应变片式转矩传感器,在测量汽车半轴转矩方面得到了应用;测量时需用测量轴更换汽车半轴。由于该传输技术属于接触式传输,随着磨损增加,将引起接触电阻变化,进而产生噪声干扰和零漂,寿命短
22、,费用高,不适宜恶劣环境和高速测量;另外它对安装要求很高,调试技术也较复杂。(b)电感(变压器)耦合传输在电源输入上,利用电感耦合机理,将外部激励电源与旋转体上的应变桥路连接起来;同样,在信号传输上也利用电感耦合原理将旋转体上的电桥电路产生的测量信号输出到外部处理电路;由此实现了电源和扭矩信号的非接触传递,做到了扭矩信号的传递与是否旋转无关,与转速大小无关,与旋转方向无关。由于是非接触式传输,就没有导电电环等磨损件因而也就不存在由电环磨损引起的噪声干扰和零漂等问题。利用这种传输技术的应变式扭矩传感器可以高速长时间运行,既可以测量静态扭矩也可以测量动态扭矩;稳定性好,抗干扰性强,具有较高的准确度
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