（微电子学与固体电子学专业论文）扭矩传感器的无线数据采集系统的设计.pdf

河北t 业人学坝f 学位论文 扭矩传感器的无线数据采集系统的设训。 摘要 在机械传动系统中，扭矩是反映系统性能的最典型机械量之一。扭矩测试已成为各 种机械产品的开发研究、质量检验、优化控制、工况监测和故障诊断等必不可少的内容， 因此利用合适的扭矩传感器及其装置实时地监测和控制扭矩，对于保障整个系统稳定安全 的运行具有十分重要的意义。 在旋转动力传递系统中，最棘手的问题是旋转体上的应变桥的桥压输入及检测到的 应变信号输出如何可靠地在旋转部分与静止部分之间传递，通常的做法是用导电滑环来完 成。由于导电滑环属于磨擦接触，因此不可避免地存在着磨损并发热，因而限制了旋转轴 的转速及导电滑环的使用寿命。由于接触不可靠引起信号波动，因而造成测量误差增大甚 至测量不成功。为了克服导电滑环的缺陷，我们研制了无线遥测式扭矩测量仪，它采用无 线的方式传输采集到的扭矩数据，有效的解决了上述问题。 本扭矩仪的特点：( 1 ) 既可以测量静态扭矩，也可以测量动态扭矩：( 2 ) 检测精度高、 稳定性好、抗干扰性强；( 3 ) 体积小、重量轻、易于安装使用；( 4 ) 没有导电环等磨损件，可 以高转速长时问运行；( 5 ) 数字显示扭矩数据； 关键词：扭矩传感器，数据采集，单片机，无线发射和接收 抓矩传感器的无线数据采集系统的设计 t h ed e s i g no fw i r e l e s s ! ) a t aa c q u i s i t i o n s y s t e mf o rt o r q u es e n s o r a b s t r a c t i nt h em e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o n ，t h et o r q u ei so f l eo ft h em o s tt y p i c a lm a c h i n e r yc a p a c i t y w h i c hr e f l e c t ss y s t e m a t i cf u n c t i o n t o r q u eh a sb e c o m ea b s o l u t e l ye s s e n t i a lc o n t e n ti nt h e d e v e l o p m e n t a l r e s e a r c ho fd i f f e r e n te n g i n e e r i n gg o o d s ，t h e i n s p e c t i o no fq u a l i t y ，t h e o p t i m i z a t i o no fc o n t r o l ，t h em o n i t o r i n go ft h eo p e r a t i n gm o d ea n dd i a g n o s i so f t h et r o u b l e 。s oi t h a sv e r yi m p o r t a n tm e a n i n g si ne n s u r i n gt h eo p e r a t i o no f t h ew h o l es y s t e ms t a b i l i t ya n ds a f e l yt o u t i l i z es u i t a b l et o r q u es e n s o ra n dd e v i c et om o n i t o ra n dc o n t r o lt h et o r q u er e a l t i m e l y i nt h et r a n s m i s s i o ns y s t e mo fr o t a t i n gp o w e r , m o s tt h o r n yp r o b l e mi sh o wt ot r a n s m i t v o l t a g ei n p u to fs t r a i n - g a u g eb r i d g ea n dt h eo u t p u to f s t r a i n - g a u g es i g n a lm e a s u r e db e t w e e n r o t a t i n gp a na n ds t a t i cp a r tr e l i a b l e t h ec o m m o nm e t h o di st of i n i s hw i t ht h ec o n d u c t i v er i n g b u tt h ec o n d u c t i v er i n gb e l o n g st oa t t r i t i o nt o u c h ，s ow e a ra n dt e a rw i l le x i s ta n dh e a tw i l l g e n e r a t eb e c a u s eo f a t t r i t i o n ，w h i c hw i l ll i m i tt h er o t a t i o n a ls p e e do f t h er o t a t i o na x i sa n ds e r v i c e l i f eo t t h ec o n d u c t i v er i n g m o r e o v e r , s i g n a lf l u c t u a t i o nd u et oc o n t a c tn o tr e l i a b l ew i l lc a u s et h e m e a s u r ee r r o rt oi n c r e a s eo re v e nc a u s et h em e a s u r eu n s u c c e s s f u l i no r d e rt oo v e r c o m et h e d e f e c to ft h ec o n d u c t i v er i n g w eh a v ed e v i s e dw i r e l e s sd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mf o rt o r q u es e n s o r i ti r a n s m i t st h eo u t p u ts i g n a li nw i r e l e s sw a ya n dh a se f f e c t i v e l ys o l v e da b o v e m e n t i o n e d p r o b l e m s c h a r a c t e r i s t i co f t h i st o r q u es e n s o r ：( 1 ) i tc a nm e a s u r en o to n l yt h es t a t i ct o r q u e ，n o t o n l y t h ed y n a m i ct o r q u e ；( 2 ) i th a sh i g hm e t r i c a lp r e c i s i o n ，g o o ds t a b i l i t y , a n ds t r o n g a n t i i n t e r f e r e n c e ：( 3 ) i ti ss m a l l 1 i g h t ，a n de a s yt oi n s t a l la n du s e ；( 4 ) i th a v en o tc o n d u c t i v e r i n ga n do t h e ra b r a s i o ne l e m e n t ，s oi tm a yr o t a t ef o ral o n gt i m ei nh i g hs p e e d ；( 5 ) i td i s p l a y s t o r q u ed a t ao f t h ed i g i t a l 。 k e y w o r d ：t o r q u es e n s o r ，d a t ac o l l e c t i o n ，s i n g l e c h i p ，w i r e l e s st r a n s m i s s i o na n dr e c e i v i n g 型! ! 三些叁兰堡! = ! 兰堡丝苎 第一章前言 1 1 传感器的现状和发展前景 现代科学技术的迅猛发展，使人类社会进入信息时代。而在信息时代中，人们的社会活动将主要依 靠对信息资源的开发、获取、传输与处理。传感器处于研究对象与测控系统的接i ：1 位置，是对各种信息 进行感知、获取与检测的窗口，一切科学研究和生产过程要获取的信息，都要通过它转换为容易传输与 处理的电信号。因此，传感器的地位与作用特别重要。 在现代工业生产尤其自动化生产过程中，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，并使产品达到好的质量。因此可以说，没有众多优良的传感器，现代 化生产也就失去了基础。 目前，在工业、农业、国防、科学等各个领域，传感器都得到了广泛的应用，并展现着极其广阔的 前景。可以说，从r 业生产、宇宙探索、海洋开发、环境保护、资源调查、医学诊断、文物保护、灾情 预报到包括生命科学在内的每一项现代科学技术的研究以及人民群众的日常生活，几乎无一不与传感器 和传感器技术紧密联系着。 在基础学科研究中，传感器更具有突出的地位。现代科学技术的发展，进入了许多新领域：例如在 宏观上要观察上千光年的茫茫宇宙，微观上要观察小到l o - 1 3 c m 的粒子世界，纵向上要观察上达数十万 年的天体演化，短到1 0 1 4 s 的瞬间反应。l l # i - ，还出现了对深化物质认识、开拓新能源、新材料等具 有重要作用的各种极端技术研究，如超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场、超弱磁场等等。 显然，要获取大量人类感观无法直接获取的信息，没有相适应的传感器是不可能的。许多基础科学研究 的障硝，首先就是由于对象信息的获取存在困难，而一些新机理秆i 高灵敏度的检测传感器的出现，往往 会导致该领域内的突破。一些传感器的发展，往往是一些边缘学科开发的先驱“j 。 传感器是指那些对被测对象的某一确定信息具有感受与检出功能，并使之按照一定规律转换成与之 对应的有 _ j 输出信号的元器件或装置。它是信息采集系统的首要部件，是实现现代化测量和自动控制( 包 括遥感、遥测、遥控) 的重要技术： 具，是现代信息产业的源头，又是信息社会赖以存在和发展的物质 与技术基础。现在，传感技术与通信技术( 信息传输) 、计算机技术( 信息处理) ，构成了现代信息技术 的三人支柱，它们在信息系统中分别起着“感官”、“神经”和“大脑”的作用。可以设想如果没有高度保真 和性能可靠的传感器，没有先进的传感器技术，那么信息地准确获敬就成为一句空话，通信技术羽i 计算 机技术就成为了无源之水。 当前，现代传感器技术的发展方向是p j ： 】开发新型传感器 利j j 物理现象、化学反麻和生物效应等是这种传感器的基本原理所以发现新现象与新效应是现代 传感器发展的重要基础，其意义极为深远。 2 开发新材料 功能材料是发展传感器技术的另一重要基础。现在，由t - 材料科学的进步，存制造这种材料时，人 l rj i j - 以任意控制它的成分，从而可以设计与制造山各种用于传感器的功能材判。例如控制、r 导体氧化物 的成分，可以制造出再种气体传感器；光导纤维用于传感器是传感器功能材料的个土要发现；有机材 手 锋传感器的无线数据采集系统的设汁 判们山耽能卡爿利，i i 引起陶内外科学家极人关注。 3 采川勰fi 芝 传，：器的敏感元什肚能除了南其功能材料决定外，还与其加1 l _ i - 艺有关。随着半导体、陶瓷笛新型 丰才料h j 丁传感器敏感元件，许多现代先进制造技术也引入传感器制造技术，例如集成技术，微细加1 技 术，离j 注入技术，薄膜技术等，能制作出性能稳定、可靠性高、体积小、重量轻的敏感元f l 。 4 研究多功能集成传感器 研究多功能集成传感器是传感器发展的一个重要方向，即在一个芯片上集成多功能敏感元件或同 一功能的多个敏感元件。例如日本研制出可检测n 。+ 、k + 、h + 的多种离子传感器，我国也研制出复合 压阻传感器，一个芯片可同时检测压力和温度。 5 研究智能传感器 单片智能传感器是将传感器、信号调理器、微处理器和接口电路等集成在一个芯片中，能实现信息 检测、信息处理、信息存储和信息输出的新一代传感器。单片智能传感器是信息技术前沿的尖端产品， 它具有集成化、智能化、高精度、高性能、高可靠性和低价格等显著优点，可广泛用于工业、农业、商 业、交通、环境监测、医疗卫生、军事科研、航空航天、现代办公设备和家用电器等领域，是构建现代 信息系统的重要组成部分。据光电行业开发协会( o i d a ) 作出的最新预测，从2 0 0 4 年到2 0 0 7 年期间， 智能传感器的国际市场销售量将以每年2 0 的高速度增长。仅在汽车上使用的智能传感器就达几十种， 例如加速度传感器、压力传感器、温度传感器、液位传感器，还有专用于车道跟踪、车辆识别、车距探 测、卫星定位的新型智能传感器及接收、发送装置。 6 仿生传感器研究 值得注意的一个动向是仿生传感器的研究，特别是机器人技术向智能化高级机器人的发展。仿生传 感器就是模拟人的感觉器官的传感器，即视觉传感器、听觉传感器、嗅觉传感器、味觉传感器、触觉传 感器等。目前，只有视觉传感器与触觉传感器解决的比较好，其他几种传感器远不能满足机器人技术发 展的需求。也可以说，至今真正能代替人的感觉传感功能的传感器极少。 由丁实际数据采集过群中会遇到各种不同的实验环境，对实验数据采集传输系统也有不同的要求， 在有些领域，由r 条件所限采用普通有线电缆引出信号是无法满足要求或者跟本无法实现的。例如， 要采集旋转部件上的信号，这时州普通的有线电缆引出信号就可能无法满足要求或者根本无法实现。在 这种试验环境要求r ，一个比较好的解决方案就是采用无线传输技术，将采集的数据通过无线链路发送 到数据接收端，构成无线数据采集系统。近几年，随着移动通信需求和远程数据采集革的增加，加之有 线传输的赞刚日孺增k ，人们止逐渐认识到在许多检测领域采用无线传输的必须性。而且，在过去的 l o 年z h 无线通讯领域取得了很人的进展，这其中包括数字电路雨i 射频电路制作i 艺的进步、低功耗 l 也路、鬲能电池以及微电子技术的采用。以上诸多方面的发展使移动通信设备更加灵巧、经济、可靠。 同时，数字通信技术和数字调制技术的发展也发挥了很大的作用，特别是无线收发设备的单片模块化， 使无线通信网络向更加经济、更加容易操作的方向发展。现在无线技术已广泛的应_ | j 到这种测量和控制 系统中。如：仪器仪表数据采集系统，无线抄表系统，无线数据传输系统，计算机遥测遥控系统。 1 一2 无线数据传输技术的发展现状和前景 无线数据传输系统就是不h j 铺设有线线路，在空中通过电磁波进行高质量、全方位信息传递的通信 系统。无线数据传输系统具有干扰能力强、可靠性高、安全性好、受地理条件限制较少、安装施：1 简便 灵活薯特点，冈而可j 泛地川丁军事、交通、地质、金融等行业。例如：下辆监控、遥控、遥测、小型 无线嘲络、无线抄丧、j 禁系统、小区传f 叭l ：业数据采集系统、无线标签、身份识别、竹接触r f 智 能t - 、小州无线数据终端、安全防火系统、无线遥控系统、生物信号采集、水文气象监控、机器人控制、 无线2 3 2 数据通信、无线4 8 5 4 2 2 数据通信、数字音频、数字幽像传输、移动通信以及无线计算机唰络 等领域中。 无线数据传输技术已经开始从2 g 向3 g 前进 线数据传输的技术主要包括红外披术、监牙技术、 艇无线电射频( h o l n e r f ) 、i t i p e r l a n 等 3 q 。 这将带来更快的传输速度吲。目前应j = ；| 丁短距离无 i e e e 8 0 2 11 技术、数字增强无绳通信( d e c t ) 、家 红外技术可以说是无线连接技术的鼻祖，由红外数据歇会( i r d a ) 捉：| i 并推行”1 。这种通信方式使 _ | _ j8 5 0 n m 的红外来传输数据和语音。就目前而言，无论是技术成熟度还是普及程度都是其他新兴的无 线连接技术所无法相比的，现在全球采刚i r d a 技术的设备已经超过5 0 0 0 万部。 作为普通消费者最早是从电视的遥控器上来了解红外的。近几年来，红外也被广泛用于笔记本电脑、 移动电话、掌上电脑、p d a 等移动设备之间转移数据。i r d a 协议始建于1 9 9 3 年，由串行红外链接( s i r ) 、 链接访问( i r l a p ) , f n 链接管：l 塑_ ( 1 r l m p ) r 个协议组成。s i r 协议所实现的红外无线数据传输的速率为 4 m b i t s , 1 9 9 5 年i r d a 将这一速率扩展到】1 5 2m b i t s 、4 0m b i t s 和1 6m b i t s 三种速率，最后一种通 常称之为超高速红外( v i f r ) 。所以红外特别适合于传输容量较大的数据文件干多媒体信息流。红外的 发射角度较小，一般不超过3 0 0 ，视线之外的设备很难对它构成干扰，所以可控性较好，有一定的物理 传输层面上的安全- 胜。经过近十年的发展，红外目前的实现成本也非常低廉。 但是，红外技术的缺陷也是显而易见的。首先，它只能实现掂对点的连接，无法实现点对多点的连 接，也就是说，它只限丁在2 台设备之间进行链接，不能同时链接多台设备。其次，它必须在视线可达 的范围内定向传输，中问不能有任何阻挡，同时要求通信设备的位置相对固定无法用于移动设备。另 外，红外用j i 毅向数据传输时，通信距离最大不超过l m 。 监牙技术是爱立信、i b m 等5 家公司在1 9 9 8 年联合推出的一项短距离无线通信技术”j 。19 9 8 年5 月成立的蓝牙技术特殊兴趣组织( s i g ) 来负责该技术的开发和技术协议的制定。蓝牙是一种无线数据 和语音传输的开放式标准，它将各种通信设备、计算机及其终端设备、各种数字数据系统、甚至家用电 器采用无线方式联接起来。它的传输距离一般为1 0 e r a - - 1 0 m ，发射功率大约为l m w ，如果增加功率到 1 0 0 r o w 或是加上某些外设便可达到1 0 0 m 的传输距离，属于微功率产品；它使用的是2 4 g h z i s m 频段， 在世界土绝大部分国家无需申请无线电执照或许可证；采用扩频跳频技术，使用权向纠错编码、a r q 、 t d d 和基带协议，抗干扰能力比较强。蓝牙支持6 4 k b s 实时语音传输和数据传输，最高数据传输速率 理论上可达到每信道1 m b w s ；j - i = l ) b ，监牙设备可以实现点到多点的通信，一台蓝牙殴备最多可以同时 利7 台设备建立无线连接，并使用全球统一的4 8 比特的设备识别码。 蓝牙技术的设计初衷就是将智能移动电话与笔记本电脑、掌上电脑以及各种数字信息的外部设备j = l j 无线方式连接起米进而形成一种个人周围领域的网络，使得在其范围之内各种信息化的移动便携设备 都能实现无缝的资源兆享。随着篮牙技术的逐渐成熟与发展，它的触角已经深入到了众多领域，可以j 泛应瑚丁岗域网络中各类数据及语音设备，如p c 、拨号网络、笔记本电脑、打印机、传真机、数码相 机、移动电话利l 钉_ i 1 1 质耳机等，蓝才的无线通讯方式将上述设备连成一个微微网( p i c o n e t ) ，多个微微 网之问也可以进行互连接，从而实现各类设备之间随时随地进行通信。廊h j 蓝牙技术的典型环境有无线 办公环境、汽车r 业、信息家电、医疗设备以及学校教育和工厂自动控制等。目前，蓝牙产品已经问世， 一些芯片一商已经开始着手改进具有监牙功能的芯片。与此同时，一些颇具实力的软件公司或者推出白 己的协议栈软竹，或者与芯片厂商合作推出蓝牙技术实现的具体方案。 尽管如此， 监才技术要真正普及开来还需要解决以下几个问题：首先，要降低成本；其次，要实 现方便、实州，并真l ：给人们带来实惠和好处；第二，要安全、稳定、可靠地进行工作；第四，要尽快 f 台一个有权成的国际标准。一q 上述问题被解决，蓝牙将迅速改变人们的生活与丁作方式，并人人提 高人 fj ( 1 9 生活质苗。 e e e 8 0 21 l 是企业无线局域网的标准技术，i e e e 主持制定，具有相当的权威性n 摄早的8 0 2 1 l 标准是1 9 9 7 年制定的8 0 21 】 1 9 9 7 ，主要解决办公室局域网和校嗣网中崩户干删户终端之间的业务接 入，业务主要限丁数据存取，速率蛙高只能达到m b s 。由于8 0 2 1 l 在速窄剃传输距离上都不能满足 人们的需求，冈此i e e e 义相继推出j i g e e s 0 2 1 1 b 1 e e e 8 0 2 1 1 a 和8 0 21 1 。 扭矩传感器的光线数据采集系统的醚 r 1 9 9 9 年9 月通过的i e e e 8 0 2 1 1 b 工作在2 4 g h z 2 4 8 3 g h z 频段。它的数据速率可以为 1 1 m b p s 、55 m b p s 、2 m b p s 、1 m b p s 或更低，根据噪音状况自动调整。当，f ：作站之闻距离过妖或干扰 太人、信噪比低丁某个fj 限时，传输速率能够从1 1 m b p s 自动降到5 5 m b p s ，或者根据直接序列扩频技 术调整到2 m b p s 干1 m b p s 。8 0 2 1l b 对无线局域网的最大贡献就是根据无线信道状况的变化支持物理 层传输速率的动态漂移，可以在1 1 m b i t s55 m b i t s 、2 m b i l s 、l 舳i t s 之间进行动态速率调整“。 继8 0 21 l b 之厉i e e e 义推山了8 0 2 1 1 a ，它的速度比8 0 2 1 l b 快得多( 可以达到5 4 m 比特秒) ，并且 随着范同的增加，能自动调速速率：同时，与8 0 2 1 1 9 b 相比8 0 2 1 1 a 有更大的吞吐量，一i ：作频率也 比8 0 21 l b 高，它i 作在5 g h z 频率上，5g h z 频带比2 4g h zi s m 频带有更小的干扰，其他的无线网 络( 包括蓝牙) 币i - - 些普通的无线设备，如车库门启动器和无绳电话( 运行在24 g h z ) ，对8 0 2 1 l a 造成干扰的就小一些 3 3 1 但是8 0 2 1 l a 的缺点是不和8 0 2 1 1 5 兼容。为了解决i e e e 8 0 2 1 l a 与8 0 2 ，l t h 的产品因为频段与物理层调制方式不同而无法互通的问题，i e e e 又在2 0 0 1 年1 1 月批准了新的 8 0 2 1 1 9 标准【4 “。8 0 2 1 l g 既适应传统的8 0 2 1 1 b 标准，在24 g h z 频率下提供每秒1 i m b p s 的传 输速率；也符合8 0 2 1 1 9 标准，在2 4 g h z 频率下提供5 4 m b p s 的传输速率。8 0 2 1 1 9 中规定的调制 方式包括8 0 2 ，1 l a 中采用的o f d m 与8 0 2 1 l b 中采用的c c k 。通过规定两种调制方式，既达到了用 2 4 g h z 频段实现8 0 2 1 l a5 4 m b p s 的数据传送速度，也确保了与8 0 2 1 l b 产品的兼容。 h o m e r f 主要为家庭设计，是8 0 2 1 1 与d e c t ( 数字无绳电话标准) 的结合，旨在降低语音数据成本。 h o m e r f 也采用了扩频技术，工作在2 4g h z 频带，能同步支持4 条高质量语音信道。但目前h o m e r f 传 输速率只有卜2m b p s ，美国联邦通信委员会f c c ( f e d e r a lc o m m u n i c a t i o n sc o m m it t e e ) 建议增加到1 0 m b p s i ”。 高性能无线局域网络( h i p e r l a n ) 也是一种利用无线电射频进行短距离无线通信的技术规范。该规 范是由欧洲电信标准协会( e t s i ) 在1 9 9 1 年到1 9 9 6 年间制定出的。它使用5 g h z 频段，可以实现更高 的传输速率以及与之相配套的服务质量( q o s ) 。目前h i p e r l a n 有四种格式，即h i p e r l & n l 、h i p e r l h n 2 、 h i p e r l i n k 和h i p e r a c c e s s 。其中，h i p e r l a n l 和h i p e r l a n 2 用于高速无线l a n 接入，h i p e r l i n k 用丁室 内无线主干系统，h i p e r a c c e s s 刚于室外对有线通信设施提供固定接八。h i p e r l a n l 标准先于h i p e r l h n 2 ， 下1 9 9 7 年制定完成，而h i p e r l a n 2 标准在2 0 0 0 年完成。h i p e r l a n l 采用我们所熟知的、并广泛应用丁 g s m 平c d p d 中的g m s k 调制，相对于h i p e r l h n l 而言，h i p e r l a n 2 采用了一种称之为正交频分复用( o f d m ) 的新型无线电技术，这一技术更具有广阔的发展前景。i e e e8 0 2 1 l a 与h i p e r l a n 2 具有相同的物理层， 所以它们可以共享相同的部件，从而可以降低成本。目前，h i p e r l a n l 标准比较完善。无线l a n 的著名 销售商p r o x i m 公司，目前正在销售这类产品。h i p e r l a n l 一方面为高速无线l a n 技术提供了走向市场 的最快途径，一方孟也使无线电技术尽可能简单。h i p e r l a n 2 代表一种迄今为止己确定的、最尖端的无 线本地网技术，目前一些产晶和相关元件已经出现，但处在早期开发阶段。 总之，无线传输技术的新发展表现为更高的速度、更好的互操作性以及安全性，并具有高的灵活性 和可靠性。目前，全球无线传输市场处在个种不同标准相互竞争走向统一、各种新标准蓬勃发展的战国 时代。专家们都一致认为，一个单一标准更好，但是在短期内，哪个标准将会成功将只能取决于市场。 从长远米看，有塑往一个单一的标准上进行合作。 1 3 本课题完成的工作 为了解狄抓矩传感器的应变桥的桥压的输入及检测到的应变信号的输出，减小由丁导电滑环带来的 误差，我们殴计了采州无线方式传输检测到的应变信号的遥测式扭矩传感器。 本课题完成的主要1 作如下：分析比较了现在市场上的无线收发模块，考虑到成本，以及所使用的 手h 矩传感器的数据采集速率的要求，我们选择了低成本、低功耗、低速率，可以k 时间连续发送和接收 扭矩传感器的尢线数据采集糸统的酿i 1 9 9 9 年9j _ = | 通过的1 e e e s 0 2 1 1 bi 作存2 4 g h z 2 4 8 3 g h z 频段。它的数据速率可以为 1 l i b p s 、55 h b p s 、2 h l b p s 、1 m b p s 或更低根据噪音状况自动响帮。当r 。作站z 间距离过k 峨干扰 太人、信噪比低t - 某个fj 限时，传输速率能够从1 lh i b p s 自动降到55 m b p s 或者根据直接序列扩额技 术调整蜘2 m b p s 弃| 1l l | b p s 。8 0 21 l b 对无线局域网的最大贡献就是根据无线信道状况f | 勺变化支持物理 层传输遮率的动态漂移，可以在1 l m b i t s55 m b i t s 、2 m b i t s 、i m b i t s 之日】进于动态速率渊整”“。 继8 0 21 l b 之后i e e e 义推山了8 0 21 l a ，它的速度比8 0 2l l b 快得多( 可以达士05 4 m 比特秒) ，并且 随着范罔的增加，能白动调速速率：同时，与8 0 2 1 1 9 b 相比8 0 21 l a 有更犬的吞吐量。一l 作频率也 比8 0 21 l b 高，它【作在5 g h z 频率上，5g h z 频带比2 4g h zi s m 频带有更小的干扰，其他的无线网 络( 包括监牙) 和i 些特通的无线设备，如车库门启动器和无绳电话( 运行在24 g l h ) ，对8 0 2 儿a 造成干扰舟勺就小一些l 粥j 。但是8 0 2 1 l a 的缺点是不和b 0 2 1 1 b 兼容。为了解决i e e e s 0 2 1 l a 与8 0 2 1 i b 的产品因为频段与物理层调制方式不同而无法互通的问题，i e e e 义在2 0 0 1 年1 1 月批准了新的 8 0 2 1 l g 标准”l 。8 0 21 1 9 既适应传统的8 0 21 l b 标准，在24 g h z 频率下提供每秒l i m h p s 的传 输速率：也符合8 0 2 1 l g 标准，在24 g h z 频率下提供5 4 m b p s 的传输速率。8 0 2 1 1 9 中规定的调制 方式包括8 0 21 l a 中采用的o f d m 与8 0 21 l b 中采用的c c k 。通过规定两种调制方式，既达到了用 24 g h z 频段实现8 0 2 i l a5 4 m b p s 的数据传送速度。也确保了与8 0 2 1 l b 产品的兼容。 h o m e r f 主要为家庭设计，是8 0 2 i i 与d e c t ( 数字无绳电话标准) 的结合，旨在降低语音数据成本， h o m e r f 也采用了扩频技术，工作在2 4 6 l i z 频带，能同步支持4 条高质量语音信道。但目前l l o m e r f 传 输速率只有卜2m b p s ，美国联邦通信委员会f c c ( f e d e r a lc o m m u n i c a t i o n sc o m m i t t e e ) 建议增加到1 0 m b p s i ”。 高性能无线局域网络( h 1 p e r i a n ) 也是一种利川无线电射频进行短距离无线通信的技术规范。该规 范是由欧洲电信标准协会( e t s i ) 在1 9 9 1 年到1 9 9 6 年问制定出的。它使用5 6 h z 频段可以实现更高 的传输速率咀及与之相配套的服务质量( q o s ) 。目前h i p e r l a n 有四种格式，即h i p e r l 4 n l 、h i p e r l a n z 、 h ip e r l i n k 着ih i p e r a c c e s s 。其中，h i p e r l a n l 和h i p e r l a n 2 用于高速无线l a n 接入，h i p e r l i n k 用丁室 内无线主干系统，h i p e r a c c e s s 刚下室外对有线通信设施提供固定接入。h i p e r l & n 1 标准先干h i p e r l f i n 2 ， 丁- 19 9 7 年制定完成而h 1 p e r 。a n 2 标准在2 0 0 0 年完成。h i p e r l a n l 粟用我们所熟知的、井广泛应用丁 髓碡乖1c d p d 中的丽s k 调制，相对于8 i p e r l a n 而言h i p e r l a n 2 采用了一种称之为正交频分复硝( o f d m ) 的新型无线电技术这一技术更具有广阔的发展前景。i e e e8 0 21 l a 与h i p e r l a n 2 具有相同的物理层， 所咀它们可以共享相同的部件，从而可以降低成木。目前，h i p e r l f i n l 标准比较完善。无线l a n 的著名 销售商p r o x i m 公司，目前止在销售这类产品。h i p e r l a n i 一方面为高速无线l a n 技术提供了走向市场 的最快途释，一方血也使无线电技术尽可能简单。h i p e r l a i n 2 代表一种迄今为【i 已确定的、最尖端的无 线本地网技术，目前一些产鼎年相天元件已经出现，但处在早期开发阶段。 总之，无线传输技术的新发展表现为更高的速度、更好的互操作性以及安全性，井具有高的是活性 平可靠性。目前，全球无线传输市场处在个种不同标准相互竞争走向统一、彳l 种新标准蓬勃拉展的战国 时代。s 家们都一致认为，一个单一标准更盯，但是在短期内哪个标准将会成功将只能取狄于市场。 从k 远米若，有塑红一个单一的标准上进行合作。 1 3 本课题完成的工作 为了解狄抓矩传感器的府变桥的桥压的愉入及检测到的应变信号的输出，减小由丁导电槽环带来的 误筹，我们设计了采j h 无线方式传输检测剑的廊变信号的遥测式扭矩传感器。 本深题完成的主盟i 作如。卜：分析比较了现在市场上的无线收发模块，考虑至成本，以及所使删的 手h 矩传感器的数据采集速率的要求，我们选择了低成本、低功耗、低速率n i 以k = 时间连续发送羽f 接收 扣 矩传感器的数据采集速率的要求，我们选择了低成本、低功耗、低速率，可以k 时间连续发送币f 接收 河北t 业大学硼l 学位论文 数据的无线数据发送车 l 接收横块f 0 5 c j 0 4 e ；为了醚台无线收发模块，采埘了通增能低功耗、低价傅的 编解码集成芯片p t 2 2 6 2 p t 2 2 7 2 ，使数据传输达到了极低的误码率：采_ l | j 了美国a d i 公司推出的一种低 价格，褰性憝的仪表放大器a 粥2 3 ，探证了拯矩信号放大豹准确性、可靠惶：琵合熹糖瘦的a d 转换器， 确保了仪器的灵敏度、准确度。设计了实用的无线通信协议，确保正确、快速地发送利接收数据。放大 器霹a d 转换器在单片机的控制下对信号进行采集，髓岳单片机对数据进行楚理，控制编码器对信号进 行编码，通过无线发射模块发射出去。接收端对数据进行解调和解码后送单片机：i 挂行处理，数字照示出 采集到的挝矩数据。 扣矩传感= ： ；的无线数据采熊系统的设计 第二章仪器的总体设计 2 - - 1 扭矩传感器的坂理和发展现状 机械动力设备的扭矩变化是其运行状况的重要信息 忧控制、l = 况监测和故障诊断等必不可少的内容。现在， 驱动系统优傀设计和智齄控制上。 2 一】一】转矩的概念 扭矩测试是各种机械产晶开发、质量检验、优 扭矩传感器已广泛应用于各种机械设各的动力 转矩跫各种【作机撼传动鸯 | 的基本载特形式，与动力极槭的工作能力、g 源消耗、效搴、运转寿命 及安全性能等闲索紧密联系，转矩的潮囊是对传动辘载荷的确定与控制，传动系统工作零件的强度硬计 以及原动机容鬣的选择等都具有重要的意义。 转矩分为静态转矩和动态转矩l 】。静态转矩是指不随时间变化或变化很小、很缓慢的转矩，包括静 止转矩、恒定转矩、缓变转缒和微脉动转矩。静止转矩的值为常数，传动轴不旋转；恒定转矩的值为常 数，侄传动轴以匀速旋转，鲡电视稳定工传时的转矩；缓燮转矩的值隧时闰缓慢变纯，但在短时闼内可 认为转矩值整不变的；微脉动转矩的瞬时俊有幅度不大雕脉动变化。动态转矩是指随时间变化很大的转 矩，包括振动转矩、过渡转矩和随机转矩三种。振动转矩的值是周期性波动的：过渡转矩是机械从一种 j ：况转换到另一种l ：况时的转矩变换过程；随机转矩是一种不确定、变化无规律的转矩。 攘据转矩斡不稼愤提，弼苏栗玻不屈熬转矩测量方法。转矩豹溅量方法可班分为平衡力法、熊量转 换法和传递法。其中传递法殴计的转矩测鼙仪器种类最多，应用也撮广泛。 ( 1 ) 平衡力法及平衡力类转矩测量数置 匀速运转的动力机械或制动机械，在拭机体上必然同时作用着与转矩大小相等，方向相反的平衡力 矩。通过测量机体上的平锤力矩( 实际上避测量力和力臂) 来确定动力机械主轴上工作转矩的方法戒为 平衡法。 平衡力法直接从机体上测转矩，不存在从旋转件到静t k 牛l ：的转矩传递问题。但它适台测鼙匀速l 作 情况r 的转觚，不能测动态转矩。 ( 2 ) 能糍转换法 依据畿蹩守恒定律，邋过测量其佳形式能量如电簸、热参数采测鬣旋转枧槭随机械能，进而求得 转矩的方法即能鼙转换法。从方法上讲，能量转换法实际上就是对功率辩l 转速进行测鬟的方法。能鼙转 换法测转矩股在电机方面有较多的应用。 ( 3 ) 传递法 传递法楚指到蹦弹牲元竹盎传递转矩时物理参数豹变化与转矩的对应关系来测量转矩的一类方法。 常削弹性元休为捕辅，故传递法又成为鼯铤法。根据被测物理参数不同，纂丁- 传递法的转矩测鼙仪器裔 很多种类州。在现代测量中，这类转矩测簧仪的应用最广泛。目前，国内外研制和开发的基丁传递法的 士抖矩传感器种类很多，从原理上讲，主要分为麻变型、磁弹性型、转角刺茅其他型等4 种。 6 些三业型生丝型二一 2 - - 1 2 应变刑_ | _ ；h 矩传感器 此类传感器是目前国内外使蹦最多的一种传感器，它采用在旋转轴表面蛄应变片的传统方法，利朋 适当的电路取得信号，然厉进行分析处理 应变式扭矩传感器通过测量由于扭矩作用在转轴上产生的应力来测量扭矩。 根据材料力学的理论，转轴在扭矩m 的作用下，其横截面上最大剪应力f 。与轴截面系数w 和抓 矩m 之间的关系为 ，：丝 ( 2 一1 ) 、“ 渺 ：型n 1 6 、 式中，1 3 为轴的外径；d 为空心轴的内径 ( 2 2 ) f 。无法用应变片来测量，但与转轴中心线成4 5 。夹角方向上的正负主应力正和如的数值等于 r ，即 1 6 d m 仃12 一。327 m x2 n - ( d - d 4 ) 根据应力应变关系，应变为 = 詈一詈划+ ，詈= 毛= 詈一詈划+ ，詈2 16 ( 1 - i - “) d m n e ( d 4 一d4 1 1 6 ( 1 + “) d m 虎( d 4 一d 4 、 式中，e 为材料的弹性模量( p 。) ：为材料的泊松比。 ( 2 3 ) ( 2 5 ) 这样就可沿止负主应力o - ，和q 方向贴应变片，测山应变即可知道其轴上所受的扭矩m 。应变片可 以直接贴在需要测量捕矩的转轴上，也可以贴在一根特制的轴上制成应变式扭矩传感器，用于这种需要 测量扭矩的场台。图21 为应变式扭矩传感器，在沿轴4 5 。方向上分别粘贴有四个应变片，感应轴的 最大1 、负虑变，将其编成全桥i i 土路，则可输出与扭矩m 成三比的电压信号。这种接法可以消除轴向 力利弯益力的干扰。 7 翌竺垡壁堂塑垄竺墼塑鲞叁至竺竺堡生 图2 1 应变式扭矩传感器 f i g 2 1s t r a i ng a u g et o r q u es e n s o r 应变式扭矩传感器结构简单，精度较高。贴在转轴上的电阻应变片与测量电路般通过集流环连接。 集流环有电刷一滑环式、水银式和感应式等。集流环存在触电磨损和信号不稳定等问题，不适于高速转 轴的扭矩。 廊变式扭矩传感器的检测电路可以采用传统的全桥式测量电桥电路，将弹性臂的形变直接转变为 应变计的电信号输出”1 。信号处理电路将电桥的输出信号进行放大后处理，通过显示仪表直接读出扭 矩值，或者同时将该信号转换为数字化显示后经r s 2 3 2 端口送入计算机。如图2 2 所示： 2 - - 1 3 磁弹性璎扭矩传感器 图2 2 检测电路原理图 f i g2 2p r i n c i p l ed i a g r a mo f d e t e c t i n gc i r c u i t 铁磁性材料可以实现磁与众多物理量的相互转换，其中的磁一机相互转换功能是将机械量转换成 磁学量或反之。实现磁一一机转换的核心是材料的逆磁致伸缩效应( 或磁弹性效应或压磁效应。 所谓的逆磁致伸缩效应是指铁磁性材料受到机械应力( 如扭矩作用引起的应力) 作用时，其材料的导 磁性发生改变，尤其是磁导率发生变化的现象。逆磁致伸缩扭矩传感器正是基丁：这效应而设计制造的。 由材料力学知，轴受到丰h 矩作用时，其轴表面会产生最大剪应力。 倒23 所示为受扭材料的切向乖i 法向应力在单元面积上的平面应力状态。对r 受纯扭的轴，转轴表 面上单元平面边缘处的法向应力为d ： 8 靠访j“(2卿(2-6) 从公式可知，法向麻力的最大值将出现在( 中= 4 5 ) 。时，在此种条件下： d = i d m ”rt = lti = 彬 ( 2 7 ) 其中：m 一轴所受 = ； f 矩： w 。一轴的抗抓截面模数。 河北t 业大学硕士学位论文 i * i _ l f l 逆磁致伸缩效应拟矩传感器的任何结构设计都要考虑轴上最人虑力的作，l | ；j 方向，即将转轴磁导 率相对的最人变化方向配置在传感器相应的磁路中，这样当m = o 时，轴不显示逆磁致伸缩效应，传感 器的输山为零：而当m 0 时，轴显示逆磁致伸缩效应，传感器输出与轴上丰h 矩成单值函数的电压或 电流。这一信息变换过科如f ： n 呻岍曲m 批 ， ( 2 8 ) 其中：t 一扭矩： a c t 一被测轴表面最大正应力变化量 “一被测轴磁导率的变化量： a r 。一被测轴磁阻的变化量； v 一传感器输出电压的变化量。 这就是逆磁致伸缩效应扭矩传感器的工作原理。根据这个变换原理，可以制成各种不同类型的磁 弹性扭矩传感器。 2 - - 卜一4 转角型扭矩传感器 图2 3 单元面积上的平面应力状态 f i g2 3l e v e ls t r