基于环形空间阵列扭矩传感器测量系统的数据处理方法研究.doc

基于环形空间阵列扭矩传感器测量系统的数据处理方法研究重庆大学硕士学位论文（专业学位）学生姓名：杨琛指导教师：喻洪麟教授学位类别：工程硕士（仪器仪表工程）重庆大学光电工程学院二 O一四年五月 Research on The Method of Data ProcessingBased on Measurement system of Ring-Space Array Torque Sensor A Thesis Submitted to Chongqing Universityin Partial Fulfillment of the Requirement forProfessional DegreeByYang ChenSupervised by Prof. Yu HonglinSpecialty：ME(Instrumentation Engineering Field)College of Optoelectronic Engineering of Chongqing University, Chongqing, China May 2014 重庆大学硕士学位论文中文摘要摘要扭矩测量技术作为研究大型机械传动系统在各种工作环境与负荷下的动态特性的重要测试方法之一，受到越来越多专家与工程技术人员的重视。近年来随着扭矩测量技术的发展，各种类型的扭矩传感器不断问世。但针对高温、振动、电磁干扰等极端工作环境下的扭矩测量仍无有效方案，因此，国内外众多专家都致力于能用于极端环境下的新型的扭矩传感器及其测量系统的开发与研制。论文作为国家自然科学基金项目“基于球对称的交流电磁感应环型阵列器原理研究”和高等学校博士学科点专项科研基金项目“基于环型空间阵列的扭矩测量原理研究”的研究内容，在分析研究极端环境下工作的机械设备转轴动态扭矩测量国内外发展状况基础上，针对高温、高湿、强腐蚀、强振动等极端环境下能有效开展工作的环型空间阵列扭矩传感器的需要，结合环形空间阵列传感器的工作原理与输出信号特点，开展了基于环形空间阵列扭矩传感器测量系统的数据处理方法研究，构建了适用于极端环境下机械传动主轴动态非接触式扭矩测量系统，对测量系统进行了硬件与软件优化设计，并重点针对测量系统输出信号的噪声的特点，提出了采用自适应滤波对信号噪声进行处理的方法。论文首先对环形空间扭矩传感器的基本结构与工作原理进行了较为深入的分析，在此基础上优化设计出了环形球栅扭矩测量系统的硬件部分，包括：信号调理电模块、电源模块、控制模块、A/D转换模块以及通信模块等电路，并分析了各模块的软件设计流程。其次，论文着重分析了测量电路输出信号的处理方法，针对环形球栅扭矩传感器输出信号频率和噪声频率有部分重叠，使用普通数字滤波器进行滤波处理，信号输出效果不理想的问题，提出采用自适应滤波方法对信号进行滤波处理。设计了基于 LabVIEW平台的最小均方误差算法（least mean square，LMS）和变步长最小均方误差算法（variable step-size least mean square，VSSLMS）的自适应滤波器。最后在仿真的基础上，搭建了基于环形空间阵列扭矩传感器的扭矩实验测量平台。进行测试实验，采用 VSSLMS自适应滤波器对采集信号进行滤波。实验结果表明，VSSLMS自适应滤波器能有效去除环形阵列扭矩传感器测量信号噪声，使输出信号达到较理想的状态。关键词：环型空间阵列，扭矩测量系统，自适应滤波，数据处理，LABVIEWI 重庆大学硕士学位论文英文摘要ABSTRACT As an important method to study large mechanical transmission systems dynamiccharacteristics under various loads and work environment, Torque measurement attachgreat importance to more experts and engineer technician. With the development oftorque measurement technology, though many torque sensors are developed, but theresstill no effective detection scheme in the face of harsh work environments such as hightemperature, strong vibration, strong electromagnetic interference etc. Therefore, manyexperts and scholars commit themselves to develop a new torque sensor andmeasurement system both at home and abroad.The paper is part of the research content of the NSFC project “Research on theprinciple of the ring-space array based on the spherically symmetric and the principal ofelectromagnetic induction” and the project of Natural Science Foundation of Chongqing“Research on dynamic characteristics of mechanical transmission system under extremeenvironment”. Based on the analytical investigation of actual domestic and internationaldevelopment condition of dynamic torque measurement of mechanical equipment underharsh environments, and according to working needs of the ring-space array sensorunder high temperature, high humidity, strong corrosion, strong vibration and otherextreme environment, and combine with the sensors work principle and output signalcharacteristics, we carry out a research on the method of data processing based onmeasurement system of ring-space array torque sensor, the non-contact torquemeasurement system can apply to mechanical transmission spindle under extremeenvironment dynamically, and carry on the design and optimize about hardware andsoftware of measurement system. We propose a method by using adaptive filtering todeal with the signal based on the feature of output signal for measuring system.Firstly, we analyze the basic structure and working principle about the annular ballgrid torque sensor intensively, and hardware of data acquisition system is designed andoptimized. It includes signal conditioning module, power supply module, controlmodule, A/D conversion module and communication module. Each designment ofsoftware process of modules are analyzed.Secondly, this paper proposes the adaptive filtering method of processing signal,which aims at some overlap between annular ball grid torque sensor output signalfrequency and noise frequency while the average digital filter output signal filteringII 重庆大学硕士学位论文英文摘要effect is not an ideal problem. We design the least mean square (LMS) error algorithmadaptive filter and variable step-size least mean square error algorithm (VSSLMS)adaptive filter based on the LabVIEW platform, and carry on the contrast simulationand test experiments that make the collected signal filtered by VSSLMS adaptive filter.Finally, we set up a torque experimental measurement platform which is based onring-space array torque sensor for system debugging and the experiment by thesimulation . We do test experiments that make the collected signal filtered by VSSLMSadaptive filter. Experimental results show that VSSLMS adaptive filter can removenoise effectively for measuring in the ring-space array torque sensor torque sensor, andenables output signal to reach ideal state.Keywords: Ring-space Array, Torque Measurement System, Adaptive Filtering,Data Processing, LABVIEWIII 重庆大学硕士学位论文目录目录中文摘要.I英文摘要. II1绪论. 11.1课题研究背景及意义. 11.1.1课题研究背景. 11.1.2课题研究意义. 11.2国内外研究现状. 21.2.1基于应力作用的扭矩测量. 21.2.2基于扭转角的扭矩测量. 61.3研究目的和研究内容. 111.3.1研究目的. 111.3.2研究内容. 111.4论文结构. 111.5本章小结. 122环型空间阵列扭矩传感器的工作原理. 132.1扭矩测量的方法. 132.1.1电量测量法. 132.1.2非电量测量法. 132.2环型空间阵列传感器的结构. 142.2.1环型空间阵列. 142.2.2磁电式检测器. 152.2.3传感器的总体结构. 162.2.4传感器参数的确定. 162.3传感器的工作原理. 182.3.1交流电磁感应原理分析. 182.3.2球对称特性分析. 192.4测量原理分析. 212.5本章小结. 233数据采集系统的设计 . 243.1数据采集系统的硬件设计. 243.1.1信号调理模块. 25IV 重庆大学硕士学位论文目录3.1.2电源供给模块. 253.1.3核心控制模块. 253.1.4A/D转换模块. 263.1.5系统通讯模块. 273.2数据采集系统的软件设计. 283.2.1数据采集系统软件整体结构设计. 283.2.2基于微控制器的程序设计. 293.3本章小结. 334自适应滤波技术在环形球栅扭矩测量系统中的应用 . 344.1自适应滤波原理. 344.2自适应滤波器实现及仿真分析. 364.3本章小结. 415实验与结果分析. 425.1实验设计. 425.1.1实验平台的搭建. 425.1.2扭矩测量实验参数的选择. 425.2实验结果分析. 435.3本章小结. 446总结与展望 . 456.1总结. 456.2展望. 46致谢. 47参考文献. 48V 重庆大学硕士学位论文1绪论1 绪 论1.1课题研究背景及意义1.1.1课题研究背景近些年来，电子技术、信号处理技术以及计算机技术等各种新技术的迅猛发展加速了工业化的进程，使得越来越多的工业机械设备不断进步，逐步的实现了自动化、微型化、智能化与信息化。但工业机械的发展同样也伴随着一些安全隐患，随着人们对工业机械安全运行的日益关注，就要求我们对各种机械设备参数的掌握也要更加精确，这就对测量技术提出了更高的要求，这也促进了机械测量技术的快速发展。扭矩作为评价旋转机械动力输出的重要指标和反映旋转机械设备运行状况的关键参数之一1、2，越来越受到人们的高度重视。现代机械设备都具有运行速度高、功率大的特性。因此，对其运行情况进行实时动态的监测与故障的预报就显得尤为重要，尤其是对大型负载型的、关键性的、无存储性的设备，如水下发电设备主轴、船舶主轴、长途载重卡车等，当其传动系统的主轴过载或受到强烈震动等干扰时，主轴设备可能就会受到严重破坏，造成意外停车或其它更严重的故障，危害性极大，甚至造成大量的人员伤亡 3 4。、因此，准确的测量旋转机械设备的扭矩，对相关产品的质量检验、故障排除及优化设计等具有重要的意义。所以，开展对扭矩测量技术的积极探索与研究是保障旋转机械设备正常运行的重要手段之一 4-7,同时也为提高整个旋转机械设备系统的工作效率提供必要保障和支持。论文针对在高温、高湿、强腐蚀、强振动等极端环境下的扭矩测量仍无有效方法的现状，在国家自然科学基金“基于球对称的交流电磁感应环型阵列器原理研究”和高等学校博士学科点专项科研基金“基于环型空间阵列的扭矩测量原理研究”等项目的资助下，在分析研究极端环境下工作的机械设备转轴动态扭矩测量国内外发展状况基础上，结合环形空间阵列传感器的工作原理与输出信号特点，开展了基于环形空间阵列扭矩传感器测量系统的数据处理方法研究，构建了适用于极端环境下机械传动主轴动态非接触式扭矩测量系统，对测量系统进行了硬件与软件优化设计，并重点对测量系统输出信号的噪声产生原因，进行了分析与研究，在此基础上提出了采用自适应滤波对信号噪声进行处理的方法。通过实验平台验证后的方法来提高系统的准确度与可靠性，达到了测量系统在速度、可靠性、精度等方面的要求。1.1.2课题研究意义扭矩切实有效地反映了大型机械设备传动主轴系统的工作状态，而对该参数1 重庆大学硕士学位论文1绪论的实时动态的测量可以为机械设备的正常运行与故障诊断提供保障和依据，虽然扭矩测量的方法由接触式发展为非接触式、从静态发展到动态，但是仍无法准确且实时显示瞬态扭矩，衡量扭矩传感器的动态性能也就存在很大困难，特别是极端环境下的扭矩测量更是面临着干扰源多、精度低、实时性差等众多的挑战。目前国内外具有代表性的扭矩测量系统都有各自的特点与应用环境，只能解决特定的工程问题，难以满足当前各种恶劣工作环境中在线动态测量的需求。为了使大型机械设备传动主轴的系统性能得到提高，使机械设备可以安全、可靠的运行，设计一种测量精度高、可靠性强并且在极端环境下仍能正常工作的非接触式动态扭矩测量系统，是十分必要的。1.2国内外研究现状在日常生活、工业生产、科学研究中，扭矩测量的需求十分广泛，其中最常见到的就是对机械转轴进行的扭矩测试。目前，无论是从扭力扳手这种微小的工具，还是到较大型的测功机，在市场中，各种各样的扭矩测量装置都能获得并有用武之地。因此，通过对机械转轴上扭矩等参量的测量，就可以实现对机械转轴以及与其相连接装置的控制。扭矩测量不仅为旋转机械的设计提供了有效的科学依据，而且在作为自适应控制系统的信号源、节能指示器以及动力平衡指示器方面有着极其广泛的应用需求8。在市场经济竞争日趋激烈的情况下，扭矩测量由单功能、静态测量逐渐向多功能、动态测量方向发展。随着扭矩测量技术的发展与扭矩测量领域的扩大，出现了各式各样的扭矩测量系统，针对不同的测量环境与测量需求，测量方法也不尽相同。按测量原理分类，扭矩测量方法可分为平衡力法、能量转换法和传递法三大类9，但是究其工作原理，扭矩测量方法可以分为两大类，即基于应力作用的扭矩测量法和基于扭转角式扭矩测量法。1.2.1基于应力作用的扭矩测量基于力传递的扭矩测量此类扭矩传感器应用范围较广，其中最为常用的是电阻应变片式，该传感器主要是利用粘贴在转轴表面的电阻应变片受到作用于转轴上的应变，从而引起应变片桥路中电压或电流变化，通过对这些变化进行分析、标定就能得到作用在轴上的扭矩的大小。由该传感器组成的测量系统一般包括弹性轴、测量电桥、导电滑环、接口电路等，其中弹性轴是敏感元件，由材料力学可知弹性轴在受到扭矩时，会在与轴线夹角为45方向上产生最大的剪应变，因此常将应变片采取特殊工艺沿上述方向粘贴，如图 1.1所示。通过测量电路确定应变片应变的大小等同于测定转轴应变的大小，进而根据机械知识确定旋转轴的扭矩值。2 重庆大学硕士学位论文1绪论图 1.1电阻应变式扭矩测量Fig. 1.1 Strain gauge torque sensor电阻应变式传感器被广泛使用在静态和低速旋转系统的扭矩测量上，测量精度可达0.1%FS10，其测量范围比较广，可以满足测量的量程需求。早期制作应变片传感器时需要将应变片电源的输入输出导线接到电源和扭矩测试仪上才能测出扭矩，因此无法应用于旋转轴系的扭矩测量。目前尽管采用滑环等特殊结构可以解决了旋转轴系的扭矩测量问题，但是由于滑环结构比较复杂，因此使用寿命与测量精度较低 11。随着无线传输技术的发展，基于应力传递的扭矩测量系统也开始使用无线传输 12，国内最具有代表性的研究就是利用环形变压器供电的应变式扭矩传感器，实现了能源与信号的非接触式传递，但是鉴于环形变压器庞大的结构与狭小的初、次级间隙，其应用范围有很大的限制。基于力磁效应的扭矩测量根据磁性材料的伸缩效应来检测应力，即把高磁致伸缩非晶态合金层涂在旋转轴上作为应力感应元件，当旋转轴受到扭矩时，就会导致非晶态合金层的磁导率发生变化，轴表面磁阻特性从而呈现各向异性，并导致磁力线重新分布，进而引起绕在铁心上的线圈产生感应电动势，根据感应电动势的大小就可获取轴受扭矩的大小，结构原理图如 1.2所示。3 重庆大学硕士学位论文1绪论图 1.2磁致伸缩式扭矩测量Fig. 1.2 Magnetostrictive sensor for torque measurement根据材料的力磁效应的原理，能加工成多种类型磁致伸缩式（磁弹式）扭矩传感器，如日本的山琦二郎，就在旋转轴表面反复喷涂具有强大粘附力的线爆喷涂膜而形成斜条形模，而后再利用获得的斜条形膜组成双磁芯多谐振荡器桥路而制作扭矩传感器。日本的科学家 Sasada等人将 Fe基非晶薄带呈八字形粘贴在转轴表面，成功研制出螺线管式扭矩传感器 13。美国麻省磁弹性器件公司依据霍耳效应也成功研制出一种磁弹式传感器，且无需激发线圈驱动。在上个世纪 80年代，我国国内已经在实验室开始了磁弹性扭矩传感器的研究和制造，以逆磁致伸缩效应为原理的双“”型扭矩传感器是其中的典型代表14大连理工大学以直流励磁以及元器件进行检磁的方法为基础研究设计了分叉型磁弹性扭矩检测器，为了提高测量准确性，必须对缺口气隙实现足够的补偿；一般通过可靠的控制电路可以使得磁通恒定，配合乘积电流，便能够使测量系统的运。行比较稳定，进而实现可靠的扭矩测量 15。此外，国内学者王荣等人根据等离子法将一种特制的软磁合金薄带粘贴在转轴的表面研制出一种能够改善 “角度依存性”逆磁致伸缩扭矩传感器。文西芹等人在通过利用粘在轴表面的两组铁基非晶薄带的磁导率变化会引起线圈中电压变化来测量扭矩16。基于力磁效应的扭矩测量属于非接触式扭矩测量，主要是利用磁性耦合技术将磁场信息传递给测量仪器，其具有动态特性好、超载能力强、可靠性高等优点，比较适合大扭矩的测量。但由于传感器测量的是涂在轴上磁致伸缩层材料的应力，如何精确的转变成转轴本身的应力或扭矩值还需深入研究，同时这种传感器受外界电磁干扰影响大，使其测量精度不超过 1.5%，因此不适宜在恶劣的环境下长期工作。基于力电效应的扭矩测量4 重庆大学硕士学位论文1绪论此类扭矩测量主要是利用压电石英晶片扭转效应实现，当一个压电石英晶片的端面受到扭矩的作用时，其端面就会产生一定量的束缚电荷，电荷的密度与端面所受的扭矩呈严格线性关系，通过合理的方式将这些因受扭矩作用而产生的非线性束缚电荷引出检测，通过电荷的多少就获取扭矩的大小，实现了度量和应用石英晶片扭转效应。压电石英式扭矩传感器不但具有结构简单、成本低、刚度高、线性好等优点，其最显著的优点还是高绝缘阻抗与高稳定性，比较适合小扭矩测量17，对于高速、强震轴系或大扭矩轴系来说，难以实现测量。基于力电声的声表面波扭矩测量声表面波（SAW）技术是近些年才发展起来的一种新技术，SAW传感器是利用器件本身的高频特性与基片的压电特性来实现扭矩测量的无线无源化。SAW扭矩传感系统的天线和与其相连的叉指换能器（IDT）将接收的信号转换为 SAW并沿压电基片表面传播，部分被反射回的 SAW携带了旋转轴的扭矩信息，通过 IDT转换成电磁脉冲序列然后通过天线发出去并被雷达接收，该扭矩测量系统融合了SAW技术与雷达探测技术，较典型的无线声表面波式扭矩测量系统如 1.3所示。(a) SAW扭矩传感器结构(b)遥测系统原理图图 1.3无线声表面波式扭矩测量Fig.1.3Torque measurement of wireless SAW无线声表面波式扭矩测量法的优点是可以达到无源化测量和无线测量； SAW传感器几乎不老化，可以节约成本；能适应恶劣环境。利用 SAW在固体表面传播5 重庆大学硕士学位论文1绪论速度低、波长短的特点制作出的扭矩传感器，具测量精度高、量程宽、速度快且能无线传输等优点，国内的基于声电感应的无源无线 SAW扭矩传感器在清华大学首次得到实现18，但是由于 SAW贴片制作困难且极易受到干扰，目前仍有待进一步的完善19。基于光弹效应的扭矩测量光弹效应就是指光照射受到应力作用的光弹性材料时产生双折射的现象，且折射率与应力的大小是相关的。而基于该效应的测量器件已在测量压力、振动等力学量上被使用，而对于应用于扭矩测量则又是该效应应用范围的一个新的拓展。基于光弹效应而研发的扭矩测量系统充分利用了光弹性材料光的非接触特性和应力敏感性，P.Horvth与A.Nagy在其2009年的专著Recent Advances in Mechatronics中给出了详细说明，光弹效应扭矩测量装置如图 1.4所示。图 1.4基于光弹效应的扭矩测量Fig. 1.4 Torque measurement based on photoelastic effect当转轴受到扭矩作用时，套在转轴外侧的光弹性材料套管就会感应到应力变化，当用一束偏振光照射到套管上，光线就会经过一次反射与两次透射后到达测量接收端，通过测量接收端透过检偏镜的光强，就能间接测量出转轴上扭矩值。此类扭矩传感器的测量范围可达 0.001Nm，但是该扭矩传感器结构复杂，安装困难，对环境要求高，目前仍处停留在实验室研究阶段。1.2.2基于扭转角的扭矩测量当旋转轴在受到扭矩的作用时，会产生切应力，同时轴还会产生相应的扭转角。因此，通过对旋转轴的扭转角进行测量，也是测量转轴系统所受扭矩的一个重要途径，目前，基于扭转角的扭矩测量主要存在以下几种。6 重庆大学硕士学位论文1绪论基于多普勒效应的激光扭矩测量基于激光多普勒效应的扭矩传感器工作时的原理如图 1.5所示，同一个激光器发出的光束通过分光镜后分成两束完全相同的光并分别照射到两个截面，每一个截面的光束又被分成了间距为 d且相同的两束光照射到转轴，转轴表面的散射光沿原路返回，通过折射镜后到达光电检测器上表面，然后与参考光束叠加形成多普勒差拍频率并被检测，其工作原理如图 1.5所示9图 1.5激光扭矩测量光路结构Fig. 1.5 Light path for measuring torque by laser从图可知，只要确定了激光的入射位置、入射角及时间，就能测出转轴受到扭矩后的扭转角，进而计算出转轴所受扭矩。激光多普勒式扭矩测量法的优点是效率，灵敏度及准确度都很高，且为非接触测量不改变转轴运行状态和不受转轴形状影响；其缺点是成本高，结构复杂，安装及调试难度大，不适合大规模应用20基于磁电感应的扭矩测量。基于磁电感应原理设计出的扭矩传感器称为磁电位差式扭矩传感器，如图 1.6所示。在被测的弹性转轴间隔一定距离的两端分别安装一个规格相同的齿轮，然后沿齿轮的径向方向固定一个电磁传感器，线圈与磁芯之前留出微小缝隙。当轴7 重庆大学硕士学位论文1绪论旋转时，两端的电磁传感器由于磁电感应分别产生感应电动势。当无扭矩作用时，轴上安装的两齿轮处的电磁传感器的感应电压相位差相同，而当有扭矩作用时，两感应电压就会存在相位差，且与转轴所受扭矩成正比。图 1.6磁电式相位差扭矩测量Fig. 1.6 Magnetoelectric torque measurement7此类扭矩传感器具有结构简单、工作稳定可靠、不需要外部电供电以及信号输出传递环节，可对信号直接处理，适用范围广，同时根据信号频率还可以确定机械轴的转速等特点21。但是由于其动态性能差，只能用于启动与低速转动或大扭转角的扭矩测量，无法用于高速转动中的扭矩测量21基于光电感应的扭矩测量。基于光电感应的扭矩测量系统主要由弹性轴、光电码盘、发光管以及光敏元件组成，如图 1.7所示。轴两端的相对位置分别固定沿环形