扭矩-压力复合检测传感器试验性设计-毕业论文开题报告

毕业设计毕业设计/ /论文论文 开开题题报报告告 课 题 名 称扭矩-压力复合检测 传感器试验性设计 院系机电与自动化学院 专业班机械电子工程 1006 班 姓名郑 世 昌 评分 指 导 教 师 华中科技大学武昌分校 毕业设计开题报告撰写要求毕业设计开题报告撰写要求 1. 开题报告主要内容 1）课题设计的目的和意义； 2）课题设计的主要内容； 3）设计方案； 4）实施计划。 5）主要参考文献：不少于 5 篇，其中外文文献不少于 1 篇。 2撰写开题报告时，所选课题的课题名称也不得多于 25 个汉字，课题设 计份量要适当， 设计中必须是自己的设计内容。 3. 开题报告的字数不少于 2000 字（艺术类专业不少于 1000 字），格式按 华中科技大学武昌分校本科毕业设计/论文撰写规范的要求撰写。 4. 指导教师和责任单位必须审查签字。 5开题报告单独装订，本附件为封面，后续表格请从网上下载并用 A4 纸 打印后填写。 1 华中科技大学武昌分校学生毕业设计开题报告 学 生 姓 名郑世昌学号20101100364专业班级机电 1006 班 系别机电与自动化学院指导教师刘海职称讲师 课题名称扭矩-压力复合检测器的试验性设计 1 课题设计的目的和意义 1.1 课题设计的现状 复合型传感器本身是一个组合体可以理解为一个整体，在这个组合体中，集成了 2 个及以上的检测不同物理量的传感器单元。 这些传感器单元信号可以各自单独输出通常 为模拟信号， 高级的则由组合体中嵌入的处理器测量后按照规定的格式集中输出。 例如， 用于水质检测的复合传感器，一个探头置于水中，可以检测多种水中化学物质的含量。 轴承用复合传感器通常集成有温度、振动加速度、承重等参数测量用传感器。这样比单 独的温度传感器，振动加速度等分开来测量方便很多。由于轴承类型众多，使用环境和 条件更多，所以，目前固定型号的轴承故障诊断复合传感器还不多见，通常是针对具体 应用场合设计的专用复合传感器。 轴承用复合传感器的设计难点在于结构设计， 如何在 狭小而特殊的结构体中合理布置传感器单元。传感器和处理单元本身技术比较成熟。 复合型传感器近几年非常热门尤其是在轴承和自动化行业， 现在复合传感器已经站 到了传感器市场的很多份额， 相信随着时间的推移复合传感器传感器的种类会进一步增 多，性能也会更加优越。 1.2 课题设计的意义 新技术革命的到来，世界开始进入信息时代。在利用信息的过程中，首先要解决的 就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手 段。 在现代工业生产尤其是自动化生产过程中， 要用各种传感器来监视和控制生产过程 中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。因此可 以说，没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。 传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医 学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域。可以毫不夸张地说，从茫茫的 太空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各 种各样的传感器。 由此可见，传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用是十分明显的。 2 1.3 课题设计的目的 本课题提出一种“扭矩-压力复合检测传感器”的试验性设计任务，主要是集成扭 矩-压力检测于一体，通过一个传感器检测出两种轴类参数指标，该传感器安装方便， 检测数据可靠。 2 课题设计的主要内容 根据课题设计的目标分析可知，需要开发一种扭矩-压力复合传感器，那么课题设 计的主要内容有如下几点： （1） 机械结构方案的拟定； （2） 机械设计； （3） 结构及关键零部件的刚度计算与校核； （4） 电子系统的设计和安装及布线设计； （5） 各类传感器的结构和工作原理研究及信号传输，查阅相关文献和产品样本； （6） 放大器的选型及设计研究； （7） 测量系统供电电源的研究。 3 3 设计方案 3.1 任务分析 在通常情况下， 扭矩和压力可以单独测量的， 但如果被测轴本身的力学结构决定了 同时含有扭矩和压力两种负载， 而测量力的传感器原理大多采用应变片测量， 这样就会 导致：当测量扭矩时，压力负载会对扭矩的测量带来干扰，致使扭矩测量误差增大，同 样；当测量压力时，扭矩负载会对压力的测量带来干扰，致使压力测量误差增大。本课 题提出一种“扭矩-压力复合检测传感器”的试验性设计，主要是集成扭矩-压力检测于 一体，通过一个传感器检测出两种轴类参数指标，该传感器安装方便，检测数据可靠。 3.2 研究的方向 根据任务分析， 可知本课题的研究主要是运用传感器的知识和理论， 设计一种复合 传感器检测装置，那么课题的研究方向如下： （1） 机械结构方案的拟定； （2） 结构及关键零部件的刚度计算与校核； （3） 电子系统的设计和安装及布线设计； （4） 各类传感器的结构和工作原理研究及信号传输，查阅相关文献和产品样本； （5） 放大器的选型及设计研究； （6） 测量系统供电电源的研究。 3.3 设计的方案 3.3.1扭矩传感器 扭矩传感器是对各种旋转或非旋转机械部件上对扭转力矩感知的检测。 扭矩传感器 将扭力的物理变化转换成精确的电信号。 扭矩测试比较成熟的检测手段为应变电测技术， 它具有精度高、 频响快、 可靠性好、 寿命长等优点。 将专用的测扭应变片用应变胶粘贴在被测弹性轴上，并组成应变桥， 若向应变桥提供工作电源即可测试该弹性轴受扭的电信号。 这就是基本的扭矩传感器模 式。 应变片传感器扭矩测量采用应变电测技术。在弹性轴上粘贴应变计组成测量电桥， 当弹性轴受扭矩产生微小变形后引起电桥电阻值变化， 应变电桥电阻的变化转变为电信 号的变化从而实现扭矩测量。传感器就完成如下的信息转换；传感器由弹性轴、测量电 桥、仪器用放大器、接口电路组成。 扭矩传感器的基本原理：采用应变片电测技术，在弹性轴上组成应变桥。如图 1 所示： 4 图 1 测量原理图 这种传感器检测精度高、稳定性好、抗干扰性强；不需要反复调零，可以测量正反 扭矩。 应变片全桥电路如图 2 所示： 图 2 应变片全桥电路 扭矩传感器测量系统方框图如图 3 所示： 图 3 系统方框图 扭矩传感器应变片分布图如图 4 所示： 图 4 应变片分布图 5 3.3.23.3.2 压力传感器 压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，广泛应用于各种工业的自控环 境。将电阻应变片粘贴在弹性元件特定表面上，当力、扭矩、速度、加速度及流量等物 理量作用于弹性元件时， 会导致元件应力和应变的变化， 进而引起电阻应变片电阻的变 化。 电阻的变化经电路处理后的以电信号的方式输出， 这就是电阻应变式传感器的工作 原理。 力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压 阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式 加速度传感器等。电阻应变压力传感器按其应变化的分类来说，主要有电阻丝应变片、 半导体应变片两类。电阻应变压力传感器如图 5 所示： 图 5 电阻应变压力传感器 电阻丝应变片一般是粘贴在传感器的弹性体上， 当传感器承受压力后的， 弹性体产 生形变，引起粘贴在弹性体上的应变片电阻值变化。在一般情况下，传感器内都是由 4 个应变片组成一个测量电桥， 在大多数的使用情况下， 传感器内部 4 个应变片同时受力， 并且在受压形变的作用下，2 个应变片阻值增大，2 个变小。 电阻应变压力传感器的激励方式有恒压源和恒流源两种。 在较理想的条件下， 采用 恒流源方式比恒压源在减少温度误差方面有更多的改善。 6 1-应变筒；2-外壳；3-密封膜片 图 6 应变式压力传感器示意图 以金属丝应变电阻为例分析， 当金属丝受外力作用时， 其长度和截面积都会发生变 化， 从上式中可很容易看出， 其电阻值即会发生改变， 假如金属丝受外力作用而伸长时， 其长度增加，而截面积减少，电阻值便会增大。当金属丝受外力作用而压缩时，长度减 小而截面增加，电阻值则会减小。只要测出加在电阻的变化（通常是测量电阻两端的电 压） ，即可获得应变金属丝的应变情况。 压力传感器测量系统方框图如图 7 所示： 图 7 压力传感器测量系统方框图 3.3.33.3.3 复合传感器的提出 在通常情况下， 扭矩和压力可以单独测量的， 但是如果被测轴本身的力学结构决定 了同时含有扭矩和压力两种负载， 而测量力的传感器原理大多采用应变片测量， 这样就 会导致：当测量扭矩时，压力负载会对扭矩的测量带来干扰，致使扭矩测量误差增大； 同样，当测量压力时，扭矩负载会对压力的测量带来干扰，致使压力测量误差增大。 而本课题就是设计一种将扭矩传感器和压力传感器集于一体，通过一个传感器检 测出两种轴类参数指标，该传感器安装方便、检测数据可靠。 数据分析方式：在给定一个压力值的前提下测量出扭矩值，然后改变压力值，测 出改变后的扭矩值，如此测量数次；或者在给定一个扭矩的前提下测量出压力值，然 7 后改变扭矩值，测出改变后的压力值，如此测量数次。最后把得到的数据用相关分析的 方法和矩阵分析的方法进行数据处理，得到准确的扭矩值或者压力值。 复合传感器如图 7 所示： 图 7 压-扭矩复合力传感器 8 4 实施计划 （1） 20132014（上）第 2021 周借阅图书，下载资料，查阅资料，认真研 究课题； （2） 20132014（下）第 12 周撰写开题报告和外文翻译；开题报告答辩； （3） 20132014（下）第 39 周根据拟定的课题实施方案，进行深入研究， 完成扭矩压力复合检测传感器的设计和制作； （4） 20132014（下）第 1012 周撰写并提交毕业设计论文初稿，指导教师 批改论文，给出指导意见，学生修改论文，定稿； （5） 20132014（下）第 13-14 周修改论文，定稿； （6） 20132014（下）第 15 周完成毕业答辩。 5 主要参考文献 1 戴文进，陈瑛，杨莉.电机与电力拖动基础学习知道M. 北京：清华大学出版社， 2012 2 刘海成单片机及应用系统设计原理与实践M北京：北京航空航天大学出版社， 2009 3 李广弟， 朱月秀单片机基础 （第3版） M 北京：北京航空航天大学出版社， 2007 4 潘炼. 传感器原理及应用M.北京：电子工业出版社，2012 5 周永轩，袁芳，高鹏毅等电工电子学（第2版）M武汉：华中科技大学出版社， 2