静态扭矩检测装置设计.doc

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. 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 sensors, 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 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 small 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 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245.5 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vi第一章 绪论1.1 课题的研究背景与来源1.1.1 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。1.2 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，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，这就需要将频率信号转换成电压信号，采用美国国家半导体公司的频率/电压转换芯片lm2907，再用少量的外围元件设计频率/电压转换电路。2.4.2 数据采集卡的选择由于系统涉及到数据的采集，需要选择一块合适的数据采集卡，本数据采集系统采用研华的pcl-812pg数据采集卡，该卡具有所有数据采集的功能，比如a/d，d/a，dio和定时器/计数器都集成在一块板上。2.4.3 labview程序设计本课题采用基于labview的数据采集系统，利用labview编写程序实现对数据的采集、显示、生成报表，保存以及对历史数据的查询。2.5 本章小结本章主要对检测装置总体设计方案进行了描述，主要是检测装置机械结构设计和数据采集与处理系统设计，其中数据采集与处理系统又细分为f/v转换器的设计、数据采集卡的选择和labview程序设计。第三章 检测装置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。接口的设计要做到灵敏度高，使测量误差小。3.1检测装置结构形式设计3.1.1传感器的选型传感器采用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，满足课题设计要求。该传感器的特点和技术参数如表3-1表3-1 传感器的特点和技术参数11产品特点技术参数可测量稳态旋转扭矩及动态过渡过程的旋转扭矩转矩准确度：0.2% fs可测量正、反向扭矩且不需调整零点过载能力： 150%fs信号检测采用数字化处理技术，精度高、稳定性好、抗干扰强重复性：0.1%fs输入电源极性、幅值保护，输出转矩、转速信号保护线 性：0.1%fs扭矩信号的提取方式为应变电测技术应变计动态应变波的响应时间：3.210-6s扭矩测量精度与旋转速度、方向无关正向转矩满量程频率输出：15khz体积小、重量轻、安装方便反向转矩满量程频率输出：5 khz可靠性高、寿命长传感器信号输出：方波信号、幅值为5v、负载电流15ma此传感器可测量正、反转稳态扭矩，设计要求中扭矩检测范围为-2nm +2nm，能满足要求。传感器信号检测采用数字化处理技术，精度高、稳定性好、抗干扰强，此特点适合传感器在环境比较恶劣的情况下进行数据的测量。传感器体积小、重量轻、安装方便，便于传感器机械安装机构的设计。另外传感器比较昂贵，在使用中应避免超出它的过载能力范围，避免跌落和冲击。在传感器的技术参数中转矩准确度：0.2% fs，应变计动态应变波的响应时间：3.210-6s，符合本课题的技术要求。图3-1为jn338ae型旋转式传感器的实物图：图3-1 jn338ae型旋转式传感器实物图3.1.2传感器固定安装结构传感器固定安装结构的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。固定安装结构采用六块钢板通过螺纹连接来确定，并在左右侧板上开通孔，使转轴露在左右侧板的外面，左侧转轴通过键与量尺相连，右侧转轴通过键与端盖相连，端盖通过螺钉固定在右侧板上，如果需要测量旋转扭矩，可以把端盖与量尺取下，即可测量12。六块钢板中的右侧板如图3-2所示，它除在上侧开有螺纹孔与顶板固定外，还在中间开有轴孔和通孔便于输出轴的伸出和端盖的固定。其他五块板结构和右侧板类似，左侧板中心也开有轴孔可以使输入轴伸出并与量尺相连，前侧板右上角也开有小孔，该孔用来通传感器的数据线。图3-2 右侧板传感器的封装盒就由这六块板由螺纹固定组合而成，由于被测量是静态扭矩，还需要把传感器的输出轴固定，输出轴通过右侧板上的孔露在封装机构的外面，可以由带有键槽的端盖通过键来固定，端盖通过螺丝固定在右侧板上，端盖如图3-3所示图3-3 端盖传感器的机械安装机构总图如图3-4所示图3-4 传感器的机械安装机构总图3.1.3检测系统与被测件的接口设计在传感器的输入轴端设计检测系统与被测件的接口，由于要测的是静态扭矩，所以接口必须设计成对称的结构，输入轴上开有键槽，可以考虑用键来连接输入轴与接口。接口结构如图3-5所示接口除了图3-5 检测系统与被测件的接口与输入轴相连外，还必须接被测体，接口可以看成是二端对称的钢尺，所以接口还需要有刻度，被测量挂在钢尺的某一位子，这一位子的刻度乘以被测量的重量即为被测量产生的扭矩，传感器采集到数据后经系统分析后显示在出来13，可以验证扭矩公式。接口与传感器相连结构如图3-6所示图3-6 接口与传感器相连结构图3.1.4零件选材由于传感器的体积较小、重量较轻，对于传感器的安装结构零件的材料要求不是很高，可以选用q235，即能满足要求。3.2本章小结本章结合技术要求选用了jn338ae型旋转式传感器，并根据传感器的结构特点设计了传感器的固定安装结构，确定了结构的具体尺寸和零件的材料。根据被测件的特点，设计了检测系统与被测件的接口。第四章 数据采集与处理系统设计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，在labview环境下开发出对信号采集、显示、存储以及进一步处理的可视化系统14。4.1 软件介绍虚拟仪器技术是目前测控领域中最为流行的技术之一，它利用各种多功能数据采集设备完成信号的调理、采集与测量，利用计算机软件实现信号数据的分析、处理和存储，借助显示器丰富的显示功能多形式地表达检测结果。从这个意义上讲，虚拟仪器实际上是一个按照用户需求构建的数据采集系统15。 考虑到人机界面的直观性，我们本次采集系统设计采用的软件是美国ni公司的labview。labview是基于图形编译（gaphics，g）语言的虚拟仪器软件开发平台，它具有数据采集、信号生成、信号处理、输入输出控制等功能。与传统编程采用的文本语言相比，labview使用g语言编程，界面更加友好直观，是一种直觉式图形编程语言。数据采集是labview的核心技术之一，也是labview与其他编程语言相比的优势所在，甚至可以认为，数据采集时labview最大的功能。labview内置了信号采集、测量分析与数据显示等功能，提供了与ni公司生产的数据采集硬件相配合的丰富软件资源，摒弃了传统开发工具的复杂性，使得它能够方便地将现实世界中各种物理量采集到计算机中，从而为计算机在测控领域发挥其强大的功能奠定了基础16。4.2 硬件介绍本次采集系统虚拟仪器硬件结构如图4-1所示，系统所需硬件设备有传感器、多功能数据采集卡和计算机。传感器用于获取信息，信号调理电路主要对信号进行预处理，数据采集卡实现信号的传输，在计算机上利用labview开发出用于数据分析、处理、存储的系统17。被测对象数据分析数据处理数据存储多功能数据采集卡信号调理传感器计算 机图4-1 虚拟仪器硬件结构图4.2.1 f/v转换前面选用的jn338ae型旋转式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，这就需要将频率信号转换成电压信号，美国国家半导体公司推出的频率/电压转换芯片lm2907只需少量的外围元件组成频率/电压转换电路。该芯片中包含了一个高增益的运算放大器/比较器，当输入频率达到或超过某一给定值时，输出可用于驱动开关、指示灯或其它负载。内含的转速计使用充电泵技术，对低纹波具有频率倍增功能。另外lm2907还带有完全的输入保护电路。在零频率输入时，lm2907的输出逻辑摆幅为零18。4.2.1.1主要特点lm2907进行频率倍增时只需使用一个rc网络；以地为参考点的转速计（频率）输入可直接从输入管脚接入；运算放大器比较器采用浮动三极管输出；最大50ma的输出电流可驱动开关管、发光二极管等；内含的转速计使用充电泵技术，对低纹波有频率倍增功能；比较器的滞后电压为30v,利用这个特性可以抑制外界干扰；输出电压与输入频率成正比，线性度典型值为0.3；具有保护电路，不会受高于值或低于地参考点输入信号的损伤；在零频率输入时，lm2907的输出电压可根据外围电路自行调节；当输入频率达到或超过某一给定值时，可将输出用于驱动继电器、指示灯等负载19。4.2.1.2电性能参数lm2907的主要电性能参数如表所列表4-1 lm2907的主要电性能参数20参数mintpymaxunits转速计输入门限102540mv磁滞30mv偏移电压：lm2907/2917lm2907/2917-83.551015mvmv输入基准电流0.118.3v2.3v输出电流140180240漏电流0.1增益参数0.91.01.1线性度-0.10.3+1.0%op/apm比较器310mv50500na共模输入电压0v电压增益200v/mv续表表4-1输出灌电流4050mv输出源电流10mv饱和电压0.10.5v1.0v1.01.5v4.2.1.3引脚排列及内部结构lm2907的dip14的内部结构如图4-2所示，各引脚功能如下：脚（f）和脚（in-）为运算放大器比较器的输入端；脚接充电泵的定时电容（c1）；脚接充电泵的输出电阻和积分电容（r1/c2）；脚（in+）和10脚（uf1）为运算放大器的输入端；脚为输出晶体管的发射极（u0）；脚为输出晶体管的集电极，一般接电源（uc）；脚为正电源端（）；12脚为接地端（gnd）；6,7，13,14脚未用。图4-2 lm2907的dip14的内部结构4.2.1.4工作原理当充电泵把从输入级输入来的频率转换成为直流电压时，需外接定时电容c1、输出电阻r1以及积分电容或滤波电容c2，当第一级输出的状态发生改变时（这种情况可能发生在输入端上有合适的过零电压或差分输入电压时），定时电容在电压差为/2的两电压值之间被线性地充电或放电，在输入频率信号的半周期中，定时电容上的电荷变化量为c1/2，泵入电容中的平均电流或流出电容中的平均电流为： （4-1）输出电路把这一电流准确地送到负载电阻（输出电阻）中，电阻的另一端接地，这样滤波后的电流被滤波电容积分后得到输出电压： （4-2）其中为增益常数，典型值为。电容c2的值取决于纹波电压的大小和实际应用中所需要的响应时间21。4.2.1.5应用电路我们在本次lm2907外围电路的设计中考虑到定时电容c1可为充电泵提供内部补偿，并可获得准确的转换结果，选取其值应大于500pf，因为太小的电容值会在r1上产生误差电流，特别在低温应用时更是如此。lm2907引脚的输出电流是内部固定的，因此值必须小于或等于此固定值。如果r1太大，将会影响引脚3的输出阻抗，频率电压转换的线性度也会变差。此外，还要考虑输出纹波电压以及r1对r2值的影响，引脚的纹波（）可用下式计算： （4-3）r1的选择与纹波无关，但响应时间，即输出稳定在一个新值上需要的时间会随着纹波值的增加而增加，因此必须在纹波、响应时间和线性度之间仔细地进行权衡。另外，器件所允许的输入信号的最大频率由、c1和决定。图4-3 lm2907频率/电压转换电路22dip14封装lm2907芯片的电路连接只需将管脚3、4，管脚11、12连接在一起即可。图中c1=1000pf，r1=100k，c2=0.47f。用示波器观察波形，可以发现电路输出的线性度、灵敏度、准确度都比较好。实际应用中的输入频率信号可以是三角波、方波、正弦波信号。在保证零穿越的情况下都能比较理想的实现频率电压转换，输入信号的幅值最好在1v以上，但不要超过电源电压。参考电压可以很好地调整输出的最小电压和带负载能力23。在本次f/v转换器的设计中，从传感器输出的7.5khz12.5khz范围的频率时，经f/v转换器输出的电压范围为3.75v6.25v，对应的扭矩值为-1nm1nm，经计算可得，扭矩值和电压之间的关系为。图4-4和图4-5为lm2907频率/电压转换电路板和外壳。图4-4 lm2907频率/电压转换电路板图4-5 lm2907频率/电压转换电路板外壳4.2.2 数据采集卡数据采集卡采用的是研华的pcl812pg数据采集卡，该卡具有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，这种卡的高端特性使它非常适合要求低成本、高速的12位数据采集，图4-6给出了pcl812pg的方框图。图4-6 pcl812pg方框图24pcl812pg多功能数据采集卡的基本特性和应用如表4-2所示表4-2 pcl812pg多功能数据采集卡的基本特性和应用特性应用at总线实验室和工业现场的开关控制16路单端输入能量管理双极性16路ttl/dtl兼容的数字输入通道可编程增益安全控制板上采样保持产品测试16路数字输出通道周期和脉冲宽度测量16路数字输入通道事件和频率计数器集成dc-dc转换器，提供稳定的模拟电路电源波形和脉冲生成器4.2.2.1 a/d转换过程a/d转换是由一个触发源开始的，然后a/d转换器就开始将信号转换为数字值，pcl812pg三种触发模式，当进行a/d转换时，a/d转换寄存器中的drdy位被清零，表示数据没有准备好，当drdy位被设为高位时，它表示用户可以从a/d数据寄存器中读取转换后的数据25。4.2.2.2 a/d触发模式pcl812pg中a/d转换可以通过内部或外部触发源触发。跳线jp5选择内部或外部触发，外部触发一旦被设置，内部触发就被禁止了。二个内部源为软件触发和定时器触发，通过a/d操作模式控制寄存器，pcl812pg共有三种触发源可用。软件触发：在这个模式下，触发源是软件可控制的，也就是说，当有任意值写入软件触发寄存器a/d转换时，这个a/d转换就开始了，这个触发模式适用于低速a/d转换。在这个模式下，a/d转换的定时器是完全由软件控制的。但是，很难控制固定的a/d转换速率，除非用另一个定时器中断服务程序产生一个固定速率的触发。定时器触发：板上的定时器/计数器芯片8254被用来以固定的速率给a/d转换提供触发源，两个825计数器芯片级连在一起，可产生准确周期的触发脉冲。外部触发：通过在cn3（exttrig）的管脚17的一个外部信号的上升沿可以实现a/d转换。这个模式的转换速率比前面二种模式更为灵活，因为用户可以利用外部设备处理外部信号。外部触发可以与dma传输或中断数据传输结合使用，甚至可与程序轮流检测数据传输结合使用。 本次采集由于技术要求需要的响应时间小于10ms，如果采用软件触发，可能由于要求的时间太短，采集不到数据，所以采用中断触发模式26。4.2.2.3 a/d数据传输模式本次采集采用的是中断传输模式，在这个模式下，当a/d转换结束后将产生一个中断信号，数据准备就绪可以读取。它在于定时器模式结合使用时非常有用。在这个模式下，基本数据传输与控制软件是异步的27。4.3 数据采集本次系统设计的最大核心就是数据的采集，对数据采集过程应该有个清楚认识。自然界中的物理量大多是在时间、幅值上均连续变化的模拟量，或称为连续时间信号，而信息处理多由数字计算机来实现，处理结果又常常需要以模拟量的形式“反馈”给外界的物理系统。这里就需要解决模拟量和数字量之间的相互转化问题，即采样与还原问题，这个问题又是数据采集的核心问题27。数据采集系统可以简化成如图4-7所示的形式。信号调理模数转换器数字信号处理数模转换器平滑滤波器模拟信号输入信息输入信息处理信息输出模拟信号输出连续模拟离散模拟离散数字离散数字离散模拟连续模拟图4-7 数据采集系统框图28模拟信号首先经过信号调整电路进行预处理，把模拟信号变成适于数字处理的形式，以减小数字处理的困难。经过预处理的被测信号被送入采样/保持电路，采样/保持电路将按照预定的时间间隔（采样间隔）对模拟信号进行离散化处理，从而把连续的模拟信号转化为离散的脉冲序列。模数转化器把离散脉冲序列进行量化和编码，使之变成数字信号，并送到处理器进行数字处理。处理器一般由数字计算机来承担，处理结果再由数模转换器转换成模拟量，经过低通滤波做平滑处理后送到执行元件29。如上所述，模拟信号到数字信号转化的过程可以分为3步：采样/保持，量化和编码，模拟信号的数字化过程如图4-8所示。采样/保持计算机编码量化ooootttt0100100011101004321图4-8 模拟信号的数字化过程图4-8中为采样周期（其倒数即为采样频率），表示输入的模拟信号，表示离散的模拟信号，当采样宽度t很小时，有如下关系式： （4-1）式中的是单位脉冲序列，或称采样函数。4.4 程序设计4.4.1前面板设计labview编程环境分前面板和程序框图。前面板是labview的图形用户界面，该界面上显示程序的输入和输出对象，它们分别是控件和指示器，控件包括滑动条、开关、按钮等，指示器包括指示灯、图表等。本次数据采集系统的界面如图4-9所示，当要开始采集数据时，先在前面板左上角数值输入框中图4-9 数据采集界面输入k、b的值，此k、b的值即确定了扭矩和输入电压的线性关系，再在采集卡设置选项卡中设置好采集卡的参数。设置好后点击运行按钮，前面上就会弹出如图4-10所示的驱动设备选择对话框，在下拉框中选择实验用的驱动设备。点击ok按钮后，对话框消失，这时“开始采集”按钮可用，“停止采集”图4-10 驱动设备选择按钮禁用，单击“开始采集”按钮，数据采集开始，在波形图中就会显示采集到的扭矩值，并连成曲线，并在右边的文本框中实时地显示当前采集到的扭矩值。由于技术要求采集扭矩范围为-2nm2nm，所以当“当前扭矩值”文本显示框显示的数值大于2时，警告灯亮起，提示用户“停止采集”按钮。当按下“停止采集”按钮时，系统停止数据采集。点击“保存数据”按钮就可以对采集到的数据以电子表格的形式保存。如果需要生成报表点击“生成报表”按钮，系统就会以word的形式生成波形图，并可打印输出。本采集系统还可以进行历史数据的查询，当单击“历史查询”按钮时，系统就会弹出一个字vi，如图4-11所示，如果需要对以前做的实验进行数据查询可以点击“导入文件”按钮，选择需要查询的图4-11 历史查询界面文件，这时数据就会显示在波形图上。对显示的波形图还可以生成报表，操作和前面一样，单击“退出”按钮，退出程序30。4.4.2程序框图设计labview是一种用图形代码来代替编程语言创建程序的开发工具，它使用数据流编程方法来描述程序的执行，用图表和连线代替文本书写来编写程序。labview具有强大的数据采集功能，然而通常只支持ni公司的数据采集卡，而这些卡的价格比较昂贵。因此，为了能在labview平台上驱动普通的数据采集卡，我们必须通过labview所提供的调用库函数节点(call library function node，clfn)及代码接口节点(code interface node，cin)等功能，将功能强大、编程灵活、而且已有很多现成程序模块的c语言同labview中编程直观方便的图形化g语言结合起来，从而实现用普通的数据采集卡来采集数据的功能31。本课题数据采集系统是在调用是研华的adint.llb基础上通过编程实现的。采集系统由以下事件组成：开始采集、停止采集、数据保存、生成报表、历史查询。其中历史查询通过调用子vi来实现。主程序如图4-12所示，主要是在采集卡驱图4-12 数据采集驱动程序图动程序上的一些修改，外面的一个大的while循环，里面是一些事件结构，在程序中增加了波形图、文本显示框和警告灯。数据保存事件的程序图如图4-13所示，它主要由写入电子表格文件函数、文件对图4-13 保存数据程序图话框函数组成和一个条件结构组成，数据以电子表格的形式保存。生成报表的程序如图4-14所示，它图4-14 生成报表程序图主要新建报表、设置报表字体、添加报表文本、报表换行、添加控件图像至报表、处置报表等函数组成，用户也可以根据需要添加一些编辑报表的函数。历史查询子vi的程序如图4-15所示，它主要由导入文图4-15 历史查询子vi程序图件、生成报表、退出这三个事件组成。导入文件程序读取电子表格文件和文件对话框函数组成，另外程序还需要将读取出来的文件通过数组索引以曲线的形式显示在前面板上32。4.5本章小结本章主要对数据采集和处理系统的软件和硬件进行了详细地介绍，硬件方面，对f/v转换器的芯片lm2907进行了说明，并确定的电路原理图；对数据采集卡的参数进行了介绍，并根据技术要求确定了 a/d触发模式为中断触发和a/d数据传输模式为中断传输模式。还对数据采集系统的核心技术数据采集原理进行了阐述。最后根据课题要求，设计了labview的前面板和程序框图。第五章 实验本次静态扭矩采集实验是在实验室的工控机上完成的，主要内容是采集卡、传感器、f/v转换器、工控机等之间的连接和基于labview数据采集系统对扭矩的采集。5.1 仪器连线仪器之间的接线主要是对采集卡、传感器、f/v转换器、工控机等功能引脚的连接。本次实验用到pcl812pg数据采集卡a/d转换功能，15通道即最后一个引脚能满足此要求，可以从此通道引线。jn338ae型旋转式传感器输出的是频率信号，须经f/v转换器将频率信号转换为电压信号，传感器信号线要与f/v转换器相连。f/v转换器再与工控机相连。最后传感器还需要用到12v的开关电源供电。仪器之间的连接图如图5-1所示。图5-1 仪器之间的连线5.2 数据采集接线结束后检查无误后，之后就可以开始运行程序，进行数据采集了。点击前面板“开始采集”按钮前要先对采集卡进行参数的设置，主要是对采样速率（samplerate）、通道（channel）、增益（gain）的设置，本次实验采样速率值为1000，选择15通道、增益值设为4。采集卡参数配置好后，还需要设置电压和扭矩的函数关系，系统采集进来的是电压值，前面板显示的扭矩值，需要建立扭矩和电压的线性关系。根据f/v转换器输出信号可以得到扭矩和电压的线性关系为，所以在前面板数值输入框中分别输入k、b的值为0.4和8，参数都配置完后，就可以点击“开始采集”按钮进行数据的采集。5.3 数据分析点击“开始采集”后，就可以在检测装置上进行扭矩的加载，此时在前面板的波形图中就会显示采集到的扭矩曲线，它代表采集到的扭矩值从不稳定到稳定的上升过程，最后在一个稳定值上下做很小的波动。本次实验用2n的重物分别在量尺0.4m、0.5m、0.6m处加载，并在量尺两端对称位置分别加载，实验完成总共得到10组数据值，在0.5m处加载重物采集到的扭矩值波形图如图5-2所示。实验结束后，图5-2 正向加载扭矩值波形图可以对采集到的数据进行保存，还可以以word的形式生成报表进行保存或打印。图5-3为在量尺0.5m图5-3 负向加载扭矩值波形图对称位置处采集到的扭矩值波形图。表5-1为量尺0.5m处及其对称位置采集开始到结束采集到的扭矩表5-1 采集开始到结束采集到的扭矩值变化正向加载扭矩变化值负向加载扭矩变化值0.5123-0.5220.6212-0.6060.7265-0.7260.8956-0.8960.9521-0.962续表表5-10.9768-0.9820.9950-0.9901.0812-1.1021.1001-1.0991.0898-1.