基于应变式传感器的扭矩检测系统设计毕业论文.doc

摘摘 要要 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 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 应变式关键词 应变式传感器传感器 扭矩测量扭矩测量 电桥电桥 目目 录录 摘摘 要要 1 第一章第一章 绪论绪论 1 1 1 引言 1 1 2 课题的研究背景与来源 1 1 2 1 课题研究背景 1 1 2 2 课题研究来源 2 1 3 扭矩测量发展现状及扭矩检测的几种方法 2 1 3 1 扭矩测量的发展现状 2 1 3 2 扭矩测量的几种方法 4 1 3 3 扭矩测量的发展前景 6 1 4 课题研究的内容和方法 6 1 4 1 课题研究内容 6 1 4 2 课题研究方法 7 第二章第二章 检测装置的基本原理和总体方案检测装置的基本原理和总体方案 8 2 1 引言 8 2 2 检测装置整体系统框图 8 2 3 电阻应变片及扭矩测量的基本原理 8 2 3 1 电阻应变片的基本原理 8 2 3 2 扭矩测量的基本原理 10 2 4 各部分功能介绍 12 2 5 方案论证 13 第三章第三章 扭矩传感器的设计扭矩传感器的设计 14 3 1 引言 14 3 2 应变片的选用 14 3 3 弹性敏感元件设计 15 3 4 扭矩传感器的硬件结构 15 3 4 1 弹性轴材料的选择和确定 16 3 4 2 联轴器的选用 17 3 4 3 导电滑环及滑臂电刷的选用 18 第四章第四章 扭矩检测系统各部分电路的设计扭矩检测系统各部分电路的设计 20 4 1 引言 20 4 2 电桥电路 20 4 2 1 电桥电路的选用 20 4 2 2 电桥电路的精度误差分析 23 4 3 放大电路的设计及硬件选用 23 4 3 1 放大电路的设计 23 4 3 2 放大电路的误差分析 26 4 4 低通滤波电路的设计 27 4 5 A D 转换电路的设计 28 4 6 单片机电路及硬件选取 31 4 7 LCD 显示电路及硬件选取 32 4 8 硬件的抗干扰措施 35 第五章第五章 软件部分简介软件部分简介 37 5 1 引言 37 5 2 主程序包含的各部分模块的定义及功能 39 5 3 数据处理子程序 39 5 4 LCD 显示部分 39 结束语结束语 41 致致 谢谢 42 参考文献参考文献 43 附录附录 系统总电路图系统总电路图 44 第一章第一章 绪论绪论 1 11 1 引言引言 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 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 21 2 课题的研究背景与来源课题的研究背景与来源 1 2 11 2 1 课题研究背景课题研究背景 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 21 2 2 课题研究来源课题研究来源 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 31 3 扭矩测量发展现状扭矩测量发展现状及扭矩检测的几种方法及扭矩检测的几种方法 1 3 11 3 1 扭矩测量的发展现状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 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 21 3 2 扭矩测量的几种方法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 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 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 具有较高的准确度和较好的频率特性和温度特性 由于其结构简单 维修也 比较方便 c 这种传输方式随着大规模集成电路 固体模块器件及微型电路的发展 使 发射机可以做得极小 可达克级 耗电极少 因此 采用无线传输方法检测转动机 械和往复运动机械上的参数 具有突出优点 其检测准确度超过了集流环式 1 3 31 3 3 扭矩测量的发展前景扭矩测量的发展前景 随着各种被测系统复杂性和自动化程度的不断提高 扭矩测量方法也在不断地 推陈出新 目前扭矩测量方法的发展趋势主要体现在以下几个方面 1 向直接测量扭矩的方向发展 2 向动态在线扭矩测量的方向发展 3 向多功能扭矩测量的方向发展 4 向扭矩优化测量的方向发展 5 向数字化 智能化 网络化扭矩测量的方向发展 6 扭矩传感器新技术的不断涌现为扭矩测量方法的适时更新提供了新途径 例如扭矩传感器逐步向微型化和巨型化方向发展 从单件单品种向成套系列化 方向发展 由介入式逐渐发展为非介入式 向原器件集成化和信号处理智能化的方 向发展 出现了非接触式和光电结合式扭矩传感器 利用非晶材料的优良性能研制 新型扭矩传感器等等 1 41 4 课题研究的内容和课题研究的内容和方法方法 1 4 11 4 1 课题研究内容课题研究内容 传感器采用电阻应变片 此传感器抗振动 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 1 研究扭矩测量的原理 针对现有测量方法的优缺点 提出最佳的测量 2 通过研究和计算 确定扭矩传感器传动轴的材料和结构参数 3 针对现有的动态扭矩传感器在电源输入方式上的缺陷 通过研究和论证提出新 的信号传递方式 4 设计传感器电路 选取应变片和电子元件 5 对实验数据进行处理并进行误差分析 通过研究提出误差的主要来源和减小误 差的方法 本课题所研制的扭矩测量仪的预期目标如下 1 扭矩测量范围 0 200 N m 转速适用范围 0 200rpm 2 扭矩仪误差指标 线性度0 15 迟滞误差0 3 重复性误差0 15 测量误差0 5 1 4 21 4 2 课题研究方法课题研究方法 扭矩会使传动轴产生一定的应变 而且这种应变与扭矩的大小存在着比例关系 因此可以通过电阻应变片来检测相应扭矩的大小 当传动轴受到扭矩作用时会发生扭 转变形 最大剪应变产生在与轴线成 角的方向上 在此方向上粘贴电阻应变片能够 检测到传动轴所受扭矩的大小 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 应变桥提供电源即可测得该弹性轴受扭的电信号 将该应变信号放大 后 经低通滤波送入 A D 转换 然后经单片机处理送显示屏显示其大小 这种接法 可以消除轴向力和弯曲力的干扰 第二章第二章 检测装置的基本原理检测装置的基本原理和总体方案和总体方案 2 12 1 引言引言 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 应变桥提供电 源即可测得该弹性轴受扭的电信号 将该应变信号放大后 经低通滤波送入 A D 转 换 然后经单片机处理送显示屏显示其大小 这种接法可以消除轴向力和弯曲力的 干扰 2 22 2 检测装置整体系统框图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 图 2 1 检测装置整体系统框图 2 2 3 3 电阻应变片及扭矩测量的基本原理 电阻应变片及扭矩测量的基本原理 2 3 12 3 1 电阻应变片的基本原理电阻应变片的基本原理 2 3 1 1 电阻应变式传感器的原理及特点 电阻应变式传感器的基本原理是将被测非电量转换成与之有确定对应关系的电 阻值 再通过测量此电阻值达到测量非电量的目的 这类传感器的种类很多 在几何量和机械量测量领域中应用广泛 常用来测量 力 压力 位移 应变 扭矩 加速度等非电量 变式传感器具有以下特点 1 结构简单 使用方便 性能稳定 可靠 2 易于实现测试过程中的自动化和多点同步测量 远距离测量和遥测 信号 采 集 电路 测量 放大 电路 低通 滤波 电路 A D 转换 电路 51 单 片机 液晶 显示 3 灵敏度高 测量速度快 适合静态动态测量 4 可以测量多种物理量 应用广泛 2 3 1 2 电阻应变效应 电阻应变片的工作原理是基于金属导体的电阻 应变效应 即当金属导体在外力 作用下发生形变时 其电阻值将相应地发生变化 金属导体的电阻 应变效应用应变灵敏系数 K 表示 他决定于导体电阻的相对变 化 R R 与其长度相对变化 l l 之比值 由物理学可知 金属丝酌电阻值 R 与其长度 L 和电阻率 成正比 与其截面积 A 成正比 其公式表示为 R L A 2 2 从而当金属丝受力变形改变其长度与横截面积而改变电阻值 而引起电压值变 化 电阻应变计简称应变计 它主要由电阻敏感栅 基底和面胶 或覆盖层 粘结剂 引出线五部分组成 基底是将传感器弹性体表面的应变传递到电阻敏感栅上的中间 介质 并起到敏感棚和弹性体之间的绝缘作用 面胶起着保护敏感栅的作用 粘结 剂是将敏感栅和基底粘接在一起 引出线是作为联接测量导线之用 电阻敏感栅可 以将应变量转换成电阻变化 应变计的结构如下 图 2 2 电阻应变计结构 1 覆盖层 2 基底 3 引出线 4 粘合剂 5 敏感栅 多数应变式传感器都是将应变计粘贴于弹性元件表面弹性元件表面的变形通过 基底和粘结列传递给应变计的敏感 由于基底和粘贴剂的弹性模量与敏感栅材料的 弹性模量之间有差别等原因 弹性元件表面的应变不可能全部均匀地传递到敏感栅 2 3 22 3 2 扭矩测量的基本原理扭矩测量的基本原理 如图 2 3 所示 当弹性轴受到扭转时 传递的扭矩是剪应力对横截面扭心的合 成力矩 图 2 3 扭轴横截面上的剪应力分布 转轴扭转时切应力处在纵向轴的径向平面上 在轴表面用两个横截面 两个径 向纵截面及两个轴向纵截面截取出一个单元平行六面体来研究 因边长均为微量 故此六面体非常接近于正六面体 由圆轴扭转时应力分析可知 此单元体处于纯剪 切应力状态 所以轴表面任何单元平面的法向应力值都符合平面应力状态理论 可 将应变片沿转轴轴线 45 和 45 方向粘贴在转轴表面 就会受到相应的最大拉应力和 压应力的作用 将应变片组成全桥电路 如图 2 4 所示 初始条件应变片电阻 R1 R2 R3 R4 R0 当弹性轴受力矩 M 作用时 工作应变片 R1 R2 R3 R4 分别产生 最大正负应变 图 2 4 电阻应变片全桥电路 当弹性轴受到如图所示的剪切力作用时 R1 R3 应变片受拉应力 R2 R4 受压 应力 其应变为 实心 2 3 空心 2 4 式中 D 轴外径 mm d 轴内径 mm M 扭矩 轴材料泊松比 E 轴 材料弹性模量 当电桥的供电电压是 Ui时 其输出电压 Uo为 2 5 式中 K 应变片的灵敏系数 根据式 2 3 2 4 2 5 可以得出 实心 2 6 空心 2 7 式中 E 轴材料弹性模量 M 轴材料泊松比 D 轴外径 mm d 轴内径 mm 圆周率 K 应变片的灵敏系数 输出电压 输入电压 显然 只要能确定输出电压 选取合适的弹性轴材料 就能确定所测弹性轴的 扭矩 2 42 4 各部分功能介绍各部分功能介绍 测量电桥 测量放大电路 低通滤波电路 A D 转换 51 单 片 机 液晶显示 变压器 交流电源 图 2 5 系统总体框图 1 测量电桥 实现扭矩信号到与之呈线性关系的电信号的转换 电桥电路采用 LM 型硅扩散力 敏全桥应变片搭成 具有良好的一致性和对称性 很小的非线性和较高的灵敏度 2 信号放大 由于应变电桥输出的电压只有 mV 级 所以必须对其放大 放大电路由高性能运 算放大器搭成差动放大电路 其放大倍数在 80 120 之间可调 3 低通滤波电路 本系统选用的 ADC0809 的转换测量精度及稳定度的影响 本系 统在电路 以滤去高频噪声 4 A D 转换 将模拟信号转化为数字信号 5 单片机 单片机系统扭矩传感器与单片机系统组合在一起就构成了扭矩测量仪 这部分电路主要完成的功能是 将扭矩传感器的输出信号进行整形后用计数器对高 频脉冲计数 计算出相应的被测扭矩值 将数据直接传送给驱动显示器显示 6 液晶显示 液晶显示部分直观地显示出所测弹性轴的扭矩 是整个系统的作用 完整显现 7 电源电路为应变电桥 运算放大器 A D 转换器 单片机提供稳定的直流电源 电压 这里采用变压器传输方式完成电源的传输 2 52 5 方案论证方案论证 本设计的扭矩传感器采用应变型扭矩测量原理来实现扭矩信号的测量 从而克 服了磁弹性型传感器和相位差型传感器可靠性低 结构复杂 安装调试困难 准确 度低等诸多缺点 在动态扭矩测量中 其主要问题是旋转工况下 电源如何可靠地输 入到应变桥路及信号如何可靠地输出到显示仪表 本设计采用滑环以及滑臂之间的 电刷达到电源的输入及输出 从而实现了电信号在转子和定子之间的传输 解决了动态扭矩测量中存在的信 号传输问题 使得扭矩测量仪的准确度和可靠性大大的提高 综上所述 本文所设 计的方案是完全可行的 第三章第三章 扭矩传感器的设计扭矩传感器的设计 3 13 1 引言引言 应变式扭矩传感器可以分为旋转部分和静止部分 该传感器的设计的重点以及 难点在于如何在旋转部分处于运动状态下能够准确的将电桥发生形变后产生的电压 信号准确 实时地传输出来 3 23 2 应变片的选用应变片的选用 电阻应变片的种类很多 有丝式应变片 箔式应变片 半导体应变片和薄膜应 变片等 其主要参数有 应变片电阻值 几何尺寸 灵敏度系数 绝缘电阻 允许 电流 机械滞后等 电阻应变片除了能够直接测量试件的应力 应变外 还可以和 弹性敏感元件配合制成各种电阻应变式传感器 用来测量力 压力 扭矩 加速度 等物理量 电阻应变式扭矩传感器的工作原理是 直接将电阻应变片被测轴上 当 被测轴受到纯扭力时 其最大剪应力 f 不便于直接测量 但轴表面主应力与母线成 45o角 而且在数值上等于最大剪应力 因而应变片沿与母线成 45 度角方向粘贴 本课题采用力敏全桥应变片 它具有良好的一致性和对称性 很小的非线性和 横向效应 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 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 2 10 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 3 33 3 弹性敏感元件设计弹性敏感元件设计 电阻应变式的弹性元件在传感器中占据极其重要的的地位 它首先把力 扭矩 信号等非物理量变换成相应的应变或位移 然后配合各种形式的传感元件 将被测 量变换成电量 弹性元件结构设计的一般原则是 结构简单 刚性好 有效工作区 具有最大应变值和良好的线性 抗干扰能力强 工艺性能好等 3 43 4 扭矩传感器的硬件结构扭矩传感器的硬件结构 图 3 1 接触式旋转扭矩传感器硬件结构 如图 3 1 所示 接触式旋转扭矩传感器的硬件主要有应变桥 旋转轴 滑环 刷臂 以及电源组成 3 4 13 4 1 弹性轴材料的选择和确定弹性轴材料的选择和确定 应变式扭矩传感器主要是用于动力设备传动扭矩的在线测量 在工程中 用于 动力设备上的应变式扭矩传感器轴材料通常选择 45 钢 40Cr 钢或是 38CrMoAlA 合金钢 特殊情况下也可采用电工钢 1 确定轴的直径已知轴上所受最大扭矩为 200Nm 可根据轴的强度条件设计轴的直 径 从圆轴扭转时各横截面之间的距离不变 也即圆轴无轴向的伸长或缩短 说明 圆轴横截面上没有正应力 只有垂直于半径的剪应力 为保证受扭圆轴能正常工作 要求轴内最大剪应力必须小于材料的许用扭转剪应力 F 因此圆轴扭转时的强度条件 为 F 3 1 式中 F 扭轴横截面上的最大剪应力 N mm 转轴横截面的抗扭极矩 M 轴所受最大扭矩 N m D 实心扭轴直径 mm 经查相关资料可以计算出 3 2 式中 已知轴所受的最大扭矩值为 200Nm 则 1 当被测材料为 45 钢时 可查得 45 钢的极限应力为 294 N 带入式 3 1 得 D 17 2mm 2 当被测材料为 40Cr 钢时 可查得 785 N 带入式 3 1 得 D 12 4mm 3 当被测材料为 38CrMoAlA 合金钢时 可查得 38CrMoAlA 合金钢的极限应力为 539N 带入式 3 1 得 D 14 1mm 4 当被测材料为电工钢时 可查得电工钢的极限应力为 785 N 带入式 3 1 得 D 12 4mm 以上得到的分别以 4 种材料作为转轴时 在满足强度条件下得到的转轴直径 考虑到材料的成本 以及传感器的灵敏度 加工的难易程度等方面的要素 选用 45 钢作为轴的材料 由此可以确定轴的直径为 20mm 3 4 23 4 2 联轴器的选用联轴器的选用 联轴器是用来联接不同机构中的两根轴 主动轴和从动轴 使之共同旋转以传 递扭矩的机械零件 在高速重载的动力传动中 有些联轴器还有缓冲 减振和提高 轴系动态性能的作用 联轴器由两半部分组成 分别与主动轴和从动轴联接 一般 动力机大都借助于联轴器与工作机相联接 联轴器种类繁多 按照被联接两轴的相对位置和位置的变动情况 可以分为 固定式联轴器 主要用于两轴要求严格对中并在工作中不发生相对位移的地方 结构一般较简单 容易制造 且两轴瞬时转速相同 主要有凸缘联轴器 套筒 联轴器 夹壳联轴器等 可移式联轴器 主要用于两轴有偏斜或在工作中有相 对位移的地方 根据补偿位移的方法又可分为刚性可移式联轴器和弹性可移式联 轴器 刚性可移式联轴器利用联轴器工作零件间构成的动联接具有某一方向或几 个方向的活动度来补偿 如牙嵌联轴器 允许轴向位移 十字沟槽联轴器 用 来联接平行位移或角位移很小的两根轴 万向联轴器 用于两轴有较大偏斜角 或在工作中有较大角位移的地方 齿轮联轴器 允许综合位移 链条联轴器 允许有径向位移 等 弹性可移式联轴器 简称弹性联轴器 利用弹性元件的 弹性变形来补偿两轴的偏斜和位移 同时弹性元件也具有缓冲和减振性能 如蛇 形弹簧联轴器 径向多层板簧联轴器 弹性圈栓销联轴器 尼龙栓销联轴器 橡 胶套筒联轴器等 联轴器有些已经标准化 选择时先应根据工作要求选定合适的 类型 然后按照轴的直径计算扭矩和转速 再从有关手册中查出适用的型号 最 后对某些关键零件作必要的验算 分类还包括球笼式万向联轴器 圆锥碗簧联 轴器 SWP SWC 型十字轴式万向联轴器十字包94 矫正机用十字轴式万向联轴器 JB T7846 2 95 弹簧管联轴器 WS WSD 型十字轴式万向联轴器 JB T5901 91 WSH 型滑动轴承十字轴式万向联轴器 ML 型薄膜联轴器 SJ2127 82 SWZ 型整体轴承座十字轴式万向联轴器93 联 轴器属于机械通用零部件范畴 用来联接不同机构中的两根轴 主动轴和从动轴 使之共同旋转以传递扭矩的机械零件 在高速重载的动力传动中 有些联轴器还 有缓冲 减振和提高轴系动态性能的作用 联轴器由两半部分组成 分别与主动 轴和从动轴联接 一般动力机大都借助于联轴器与工作机相联接 是机械产品轴 系传动最常用的联接部件 20 世纪后期国内外联轴器产品发展很快 在产品设 计时如何从品种甚多 性能各异的各种联轴器中选用能满足机器要求的联轴器 对多数设计人员来讲 始终是一个困扰的问题 常用联轴器有膜片联轴器 齿式联轴器 梅花联轴器 滑块联轴器 鼓形齿式联轴器 万向联轴器 安全联 轴器 弹性联轴器及蛇形弹簧联轴器 了解联轴器 尤其是挠性联轴器 在传动系统中的综合功能 从传动系统总 体设计考虑 选择联轴器品种 型式 根据原动机类别和工作载荷类别 工作转 速 传动精度 两轴偏移状况 温度 湿度 工作环境等综合因素选择联轴器的 品种 根据配套主机的需要选择联轴器的结构型式 当联轴器与制动器配套使用 时 宜选择带制动轮或制动盘型式的联轴器 需要过载保护时 宜选择安全联轴 器 与法兰联接时 宜选择法兰式 长距离传动 联接的轴向尺寸较大时 宜选 择接中间轴型或接中间套型 本设计中 联轴器周繇用于精确的将所测旋转轴的扭矩传递到扭矩传感器的待 测弹性轴上 故选用凸缘式联轴器 其特点 构造简单 成本低 可传递较大转矩 不允许两轴有位移 无缓冲 如 图 3 2 为凸缘式联轴器 图 3 2 凸缘式联轴器 3 4 33 4 3 导电滑环及滑臂电刷的选用导电滑环及滑臂电刷的选用 传动轴由于受扭产生机械应变 引起贴在轴上的应变计变形使其电阻值发生改 变 从而导致应变电桥失衡 输出与扭矩成正比的微弱电压信号 然后即可根据 材料力学中应变和扭矩的关系得到相应扭矩大小 这里信号的传输采用接触式的导 电滑环和刷臂 图 3 2 为接触式旋转扭矩传感器测量的原理图 旋转轴上的应 变桥把电压信号传递给和旋转轴一起旋转的导电滑环 导电滑环再把信号传递给和 其接触的固定在传感器外壳上的导电刷臂 从而完成信号由旋转到静止的可靠传递 导电滑环属于电接触滑动连接应用范畴 它又称集电环 或称旋转关节 旋转 电气接口 滑环 集流环 回流环 线圈 换向器 转接器 是实现两个相对转动 机构的图像 数据信号及动力传递的精密输电装置 特别适合应用于无限制的连续 旋转 同时又需要从固定位置到旋转位置传送功率或数据的场所 其由弹性材料 电刷 滑动触点表面材料 导电环 绝缘材料 粘结材料 组合支架 精密轴承 防尘罩及其他辅助件等组成 电刷采用贵金属合金材料 呈 II 型与导电环环槽对称双接触 借助电刷的弹性压力与导电环环槽滑动接 触来传递信号及电流 一般情况下 刷臂分为两种 一种为刷丝式 一种为刷片式 刷丝式的刷臂 和滑环的接触面小 摩擦小 但信号传递可靠性相对较低 不适合高速旋转下测 量 一般转速在 500 r min 情况下 可采用这种测量方式 刷片式的刷臂和滑环 的接触面大 摩擦大 信号传递可靠性相对较高 一般转速在 500 3000 r min 的情况下 可采用这种测量方式 接触式旋转扭矩传感器的特点是 适合测量 静止扭矩 也可以测量低速转动扭矩 体积小 重量轻 易于安装 无需复杂电 路 存在导电滑环的磨损 寿命有限 不适合高转速场合 目前国际上采用的滑环技术分为以下三种 1 复合电刷块技术 一般采用碳刷 铜刷 银 石墨 二硫化钼的刷块等形式 2 采用贵金属合金单丝 如 AuNi9 等 3 纤刷技术 纤刷是指一种特殊的滑行电气接触设计 纤刷简单的说就是将单独 的金属纤丝 线 进行校准并装进一个金属管里 在这个悬臂设计中 纤刷束的 散状的 无束缚的一端依附在环道表面的槽里 综合成本 以及技术方面方面的考虑 本设计采用第一种复合电刷 第四章第四章 扭矩检测系统各部分电路的设计扭矩检测系统各部分电路的设计 4 14 1 引言引言 基于应变式传感器的扭矩检测系统的硬件电路按功能可分为 电桥电路 测量放 大电路 低通滤波电路 A D 转换电路 单片机电路 以及电源电路 本章分别介绍 这几种电路 4 24 2 电桥电路电桥电路 4 2 14 2 1 电桥电路的选用电桥电路的选用 应变片将被测件的应变转换成电阻相对变化 还需进一步转换成电压或电流信 号才能用电测仪表进行测量 通常采用电桥电路实现这种转换 根据电源的不同 电桥分为直流电桥和交流电桥 本设计采用直流电桥 直流电桥具有高稳定性 电 桥平衡电路简单等优点 图 4 1 直流电桥 如图 3 1 所示 U 为电源电压 R1 R2 R3 R4 为桥臂 V0 为输出电压 电桥开路 设为电桥的输出负载 根据基尔霍夫定律 电桥输出负载电流为 若 4 2 则 0 称为电桥的平衡状态 电桥无输出 电桥的输出电压为 4 3 若电桥的负载电阻无限增大 则上式可以简化为 当电桥各臂均有相应的电阻变化 时 由式 4 4 得到 当 R 时 略去式中的高阶微量 式 4 5 可写为 4 6 又 则式 4 6 可写为 4 7 当时 得到 4 8 当弹性轴受到剪切力作用时 R1 R3 应变片受拉应力 R2 R4 受压应力 其应变为 实心 4 9 空心 4 10 式中 D 轴外径 mm d 轴内径 mm M 扭矩 轴材料泊松比 E 轴材料弹性模量 当电桥的供电电压是 Ui时 其输出电压 Uo为 4 11 式中 K 应变片的灵敏系数 根据式 2 3 2 4 2 5 可以得出 实心 4 12 空心 4 13 式中 E 轴材料弹性模量 M 轴材料泊松比 D 轴外径 mm d 轴内径 mm 圆周率 K 应变片的灵敏系数 输出电压 输入电压 4 2 24 2 2 电桥电路的精度误差分析电桥电路的精度误差分析 由于温度变化造成的误差来源很多 所以会有不同现象的误差出现 如温度变 化时 零点会有变化 其次在被应力不变的情况下 不同温度条件将可能有不同的 输出 前者称为温度引起的零点漂移 而后者称为灵敏度漂移 引起零点漂移的原因主要有应变片粘贴的好坏 应变片材料的不均匀 所选应 变片的电阻温度特性不一致等 由上述原因造成的零点漂移 在测量桥配好以后 往往具有固定的方向性 可采用简单的方法 在相应的桥臂中串入一个由较大温度 系数材料制成的电阻来进行补偿 引起灵敏度漂移的主要原因是弹性体材料的弹性模数随温度的变化 应变片灵 敏系数随温度的变化 弹性元件热膨胀系数变化及热膨胀各向异性等因素 而以弹 性模数随温度变化为主 且大多是随温度提高而灵敏度也相应提高 对灵敏度漂移 补偿最简单的方法是随温度的变化自动调整供桥电压 当供桥电压降低时 电桥的 不平衡输出减小 即降低了电桥的灵敏度 正确的补偿为在桥路进行实际灵敏度漂 移的测量 然后根据漂移的正或负方向 大小来确定补偿方法及补偿量 常用的方 法有改变供桥稳压电源输出值或在电路中串 并联电阻等 一般当灵敏度随温度升 高而提高时 可在电源回路中串入一个正温度系数的电阻加以补偿 4 34 3 放大电路的设计及硬件选用放大电路的设计及硬件选用 4 3 14 3 1 放大电路的设计放大电路的设计 由于应变电桥输出的电压为 mV 级 不能满足后续电路要求 所以必须经过放大 电路进行信号放大 根据仪器工作环境 精度要求确定放大电路必须满足下列条件 首先放大电路有要有较高的共模抑制比 具有高稳定性 低零漂 高精度 并且放 大倍数 100 左右并且可调 经过实验比较 由上节叙述可知温度传感器输出电压范 围为 2 428V 0 133V 而在本系统中 A D 的输入电压范围为 0V 5V 时才能使精度达 到最高 因此需把 2 428V 0 133V 电压放大到 0V 5V 的范围 此即为设计该测量 放大器的目的 本设计采用一种双运放放大电路 双运放差动输入放大电路的使用效果 结构 性能等都优越于单运放前置放大电路 并且通过对反馈电阻的扩展 减小了电阻所 带来的热噪声电流 输入端采用的双通道差分式输入 使得输入信号中的不稳定误 差信号通过差值抵消掉 增强了系统的稳定性 所用的放大器为 TCL2252 如图 4 2 所示 BBIN0 3 2 1 84 U2 A TLC2252 5 6 7 84 U1 B TLC2252 C9 0 1u R4 10k R5 30k R6 30k R7 30k R8 10k 5v 5v 图 4 2 放大电路 TLC2252 呈现高输入阻抗和低噪声 能很好的用于高阻抗源 例如电压传感器的 小信号状况 由于这些器件功耗低 所以他们在手持监视和遥感远视传感器应用中 工作良好 此外 满电源电压幅度 输出特性以单独 成分或分离电源工作使得这些器件在直线与模拟数字转换器接口时成为主要选择对 象 所有这些特性 再结合它的温度性能 使得 TLC2252 能够理想的利用于声纳 远程压力传感器 温度控制 有源压阻传感器 加速计 手持仪表以及其他应用 图 4 3 为 TLC2252 的引脚排列 图 4 3 TLC2252 的引脚排列 表 4 1 为 TLC2252 的工作条件 表 4 1 TLC2252 的工作条件 后缀为 C后缀为 I MIN MAXMIN MIN 单位 电源电压 VDD 2 2 8 2 2 8 V 输入电压范围 V1 VDD VDD 1 5VDD VDD 1 5V 共模输入电压 VIC VDD VDD 1 5VDD VDD 1 5V 工作环境 自然通风 TA 0 70 40 125 1 输入输出关系 由 V 4 14 4 15 可得 4 16 4 17 当 时 4 18 当电阻不匹配时 会产生电阻不匹配误差 设电阻不匹配误差 时 则 4 19 4 3 24 3 2 放大电路的误差分析放大电路的误差分析 1 电路可获得较高的增益 却不会使电阻热噪声有所增加 减少了运放对偏置电 流的影响 2 电阻不匹配产生的误差 V 只与 Vr 有关 而与 V 无关 而且对动态误差的影 响并不十分大 3 运放的输入失调电压也会导致误差 并且它是与放大倍数有关的 这种误差仍 然属于静态误差 通过调节 Vr 就可以抵消掉 4 电路只需使用两个运放单元 而且电路十分简单 但它却可以实现 V 和 V 高 阻差动输入 可调放大倍数 还附带一个基准电压或偏置输入 Vr 这些为电路的构 成 调节以及输出偏置 静态误差补偿等提供了极大的方便 4 44 4 低通滤波电路的设计低通滤波电路的设计 为了抑制高频干扰 在放大电路输出端设计了二阶有源低通滤波器 让指定频 段的信号通过 而让其余频段的信号加以抑制或使其急剧衰减 运算放大器和 RC 网 络组成的有源滤波器与无源滤波器相比 具有一系列优点 首先 它不用电感元件 免除了电感所固有的非线性特性 磁场屏蔽 耗损 体积 和重量过大 以及不经 济等缺点 其次 由于运算放大器的增益和输入阻抗很高 输出阻抗很低 所以有 源滤波器还能提供一定的信号增益和缓冲作用 本系统选用的 ADC0809 的转换速率为 680kHz 为了避免高频噪声对测量精度及 稳定度的影响 本系统在放大器和 A D 间加了一个低通滤波电路 以滤去高频噪声 由于要求输出电压范围为 0V 5V 因此选择 TLC2252 作为该滤波器的运放 3 2 1 84 U3 A TLC2252 R1 10k R2 10k R3 20k C7 10n C8 10n 5v 图 4 4 低通滤波器 该滤波器是二阶压控电压源低通滤波器 其电压增益 1 其特征频率 n 1 RC 品质因数 Q 1 3 其传递函数为 4 20 对于本系统 R 10k C 0 01uF 因此特征角频率为 10kHz 又因为通带电压 增益 1 3 则此低通滤波器系统是稳定的 4 54 5 A DA D 转换电路的设计转换电路的设计 A D 转换器的类型较多 常用的有逐次逼近型和积分型 单片机应用系统中最常 用的 A D 转换器是可编程的 ADC0809 ADC0809 是典型的 8 位 8 通道逐次型 A D 转换 器 CMOS 工艺 ADC0809 的内部逻辑结构如图 2 4 所示 图中 8 路模拟量开关可选 通 8 个模拟通道 8 路模拟量分时输入 共用一个 A D 转换器进行转换 地址锁存与 译码电路完成对 A B C 三个地址位进行锁存和译码 其译码输出用于通道的选择 8 位 A D 转换器是逐次逼近式 由控制与时序电路 逐次逼近寄存器 树状开关及 256 电阻阶梯网 C0809 芯片为 28 引脚双列直插式封装 图 4 5 为 ADC0809 内部结构 其主要引脚的功能说明如下 1 IN7 IN0 模拟量输入通道 ADC0809 对输入模拟量的要求主要有信号是单极 性 电压范围 0 5V 若信号过小还需进行放大 另外 模拟量输入在 A D 转换过程 中其值不应变化 因此对变化速度快的模拟量 在输入前应增加采样保持电路 2 ADDA ADDB ADDC 地址线 ADDA 为低位地址 ADDC 为高位地址 用于对模 拟通道进行选择 3 ALE 地址锁存允许信号 在 ALE 上升沿时 A B C 地址状态送入地址锁存器 中 4 START 转换启动信号 在 START 上升沿时 所有内部寄存器清零 START 下降 沿时 开始进行 A D 转换 在 A D 转换期间 START 应保持低电平 5 D7 D0 数据输出线 为三态缓冲输出形式 可以和单片机的数据线直接相连 6 OE 输出允许信号 用于控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的数据 当 OE 0 输出数