毕业设计（论文）-扭矩-压力复合检测传感器的试验性设计.doc

扭矩-压力复合检测传感器的试验性设计院 系：机电与自动化学院专业班级：机械电子工程1006班姓 名：学 号：20101100364 指导教师： 2014年 5 月扭矩-压力复合检测传感器的试验性设计The Experimental Design of Torque - Pressure Compound Test Sensor 摘 要随着现代科学技术的迅猛发展，人类社会进入了信息时代。随着科学技术的进步和测试技术的快速发展，对扭矩、压力传感器提出了更高的要求。在工程项目和生产实际中，很多要求同时检测静态轴的扭矩和压力状况的参数指标，单一的扭矩、压力传感器测量单元已经远远满足不了生产上的需求，而且在轴上同时安装压力传感器和扭矩传感器需要占据较大的空间，有时候轴的工作环境不允许有这么大的空间，有的需要专门设计安装法兰和轴类机构，才能将扭矩、压力传感器安装上去，但这样就增加了一些由于安装带来的冗余误差。基于以上种种原因，本课题提出一种新型的扭矩压力复合检测传感器，该传感器解决了工程实际中的扭矩和压力复合载荷轴检测的关键问题。扭矩压力复合检测传感器试验性设计主要有机械设计部分和电子设计部分组成。机械设计主要是完成复合传感器的基体设计，既能够达到检测的效果，也能便于应变片的粘贴，电子设计主要是完成应变电路设计、放大调理电路设计、A/D采集电路设计。完成机械设计和电子设计后，必须实施贴片粘贴、电路走线、电子盒设计、电缆布局设计等具有操作性的工艺设计。本课题设计研究提出的扭矩压力复合检测传感器的试验性设计任务，该传感器主要是将扭矩压力的检测集成于一体，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。关键字：应变式传感器 压力测量 扭矩测量 AbstractHuman society entered the information age with the rapid development of modern science and technology, The torque measurement,the precious of pressure sensors put forward higher requirements.We usually requests simultaneously detect parameter index static shaft torque and pressure conditions in projects or the production practice, a single torque , pressure sensor unit has been far from meeting the needs of the production , pressure sensors and torque sensor installed on the shaft and at the same time needs to occupy a larger space , sometimes working environment does not allow , sometimes shaft require special designsuch as mounting flange and agenciesto put torque and pressure sensor on it, but this may increases some redundancy error.For these reasons , the subject of a new torque - pressure composite detection sensor that solve practical engineering torque shaft load and stress testing of composite key issues .Torque - Pressure sensor composite experimental design is mainly composed of mechanical and electronic design part design part . Mechanical design is mainly complete matrix composite sensor designed to achieve both the detection results , can be easy to paste , the electronic design of the strain gauge circuit design mainly to complete strain , amplification circuit design conditioning , A / D acquisition circuit . After completion of the mechanical design and electronic design must be implemented paste patch , circuit traces , electronic box design , layout design, process design cable with operational .Therefore, this study presents topics in torque - an experimental design tasks pressure composite detection sensor , the sensor is mainly torque - in one integrated test pressure through a sensor detects the two shafts parameter index, the sensor is easy to install, test data and reliable.Key Words: strain sensor pressure measuring torque measuring 目 录摘 要IAbstractII绪 论11 课题设计任务分析21.1 课题的研究背景21.2 课题研究的目的和意义21.2.1 课题研究的目的21.2.2 课题研究的意义31.3 扭矩压力测量的发展现状31.4 课题研究的内容和方法41.4.1 课题研究的内容41.4.2 课题研究的方法42 总体方案设计及原理介绍52.1 任务分析52.2 设计方案52.2.1 检测装置整体系统框图52.2.2 扭矩传感器的基本原理62.2.3 压力传感器的基本原理82.2.4 扭矩压力复合传感器的提出103 扭矩压力复合传感器的设计113.1 应变片的选用123.2 应变片的粘贴123.3 弹性轴材料的选择和确定134 检测系统各部分电路设计164.1 电桥电路设计164.1.1 电桥电路的选用164.1.2 电桥的误差分析174.2 信号放大电路的设计及误差分析174.2.1 放大电路的设计174.2.2 放大电路的误差分析184.3 单片机电路及硬件选取194.4 A/D转换电路的设计204.5 LCD显示电路及硬件选取21结 论22致 谢23参考文献24附录1 弹性轴三维图及应变片粘贴位置25附录2 弹性轴的结构和应变片的贴片实物图26附录3 应变片电桥图27附录4 ML324放大电路28附录5 单片机与LCD显示器连接图29附录6 单片机程序代码3034绪 论在工程项目和生产实际中，很多要求同时检测静态轴的扭矩和压力状况的参数指标，单一的扭矩、压力传感器测量单元已经远远满足不了生产上的需求，而且在轴上同时安装压力传感器和扭矩传感器需要占据较大的空间，有时候轴的工作环境不允许有这么大的空间，有的需要专门设计安装法兰和轴类机构，才能将扭矩、压力传感器安装上去，但这样就增加了一些由于安装带来的冗余误差。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。本课题设计研究提出的扭矩压力复合检测传感器的试验性设计任务，该传感器主要是将扭矩压力的检测集成于一体，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。1 课题设计任务分析1.1 课题的研究背景通常所说的复合传感器是由两个或者两个以上的独立检测单元组成一个组合体，但一般可以理解为一个整体。这些传感器的每个单元信号都可以独自的进行检测输出信号的，高级的传感器则由组合体中嵌入进去的处理器先进性测量，然后把测量数据按照规定统一的的格式一起输出。例如，把一个探头置于水中，用于检测水质的复合型传感器，这种传感器就能检测出多种水里化学物质的含量。而轴承用的复合型传感器一般都集成有对温度检测、压力检测、振动频率等参数的测量单元。这样的复合传感器比单一的温度检测传感器、压力检测传感器、振动频率检测传感器等分开来测量多个物理量方便的多。因为用于各行各业的轴承的类型很多，而且使用的环境和条件和性能也各不相同，所以，现在用于检测诊断固定型号的轴承故障的复合型传感器还很少见，所以这对检测诊断带来了很大的不便。复合型传感器一般都是针对具体的工作环境而设计的专用检测复合传感器。而传感器的结构设计是对用于轴承检测的复合传感器的设计难点，怎样把传感器单元合理布置在复杂而狭小结构单元中，已经成了设计复合型传感器首要解决的问题。目前，对于单一的检测传感器单元和数据处理分析单元的技术已经很成熟了。这为更好的设计复合型传感器奠定了坚实的基础。近几年复合型传感器在轴承和自动化设计加工制造等行业非常热门。而且现在复合型传感器已经慢慢地占到了传感器市场的很大部分。相信随着社会的发展，先进制造技术的发展，复合型传感器的种类会更多，应用的领域越来越广泛，其性能也会更加优越。1.2 课题研究的目的和意义1.2.1 课题研究的目的本次研究课题提出了一种“扭矩压力复合检测传感器”的试验性设计任务，这种复合型传感器主要是将扭矩压力的检测集成于一个检测单元，也就是说两种轴类参数的指标可通过一个传感器检测出，该传感器的安装简单方便，检测数据也很准确可靠。1.2.2 课题研究的意义随着科学技术的发展提高，世界已经进入了信息时代。在信息的利用过程中，如何准确的获取可靠的信息是现在要首先解决的问题，而传感器是获取所需重要信息的主要工具。在现代化生产过程中，生产过程中的各个重要参数需要用各种传感器来检测和控制，从而使机械设备在正常状态下工作，并且使生产的产品有较高的质量。所以说，如果没有优良的传感器，现代化的工业生产也就失去了意义。如今传感器早已应用于各行各业。可以夸张地说，从天上，到地下，几乎每一个现代化生产行业，都有传感器身影。所以说，传感器检测技术在经济的发展、社会的进步等方面的有十分重要作用。1.3 扭矩压力测量的发展现状在现代化生产中，扭矩、压力的检测对与机械设备正常运行来说是很重要的，如果想对机械设备做进一步的改进设计，就需要获取扭矩、压力等重要数据，如何获取这些重要数据为改进设计取得全面的资料，是现在改进设计面临的主要问题，所以对扭矩、压力的检测变得尤为重要。现在常用于扭矩检测的仪器一般分为：相位差扭矩测量仪，应变式扭矩测量仪，电容式、振弦式、磁弹性式测量仪；压力测量仪大致可分为一下几种：压电式、扩散硅式、蓝宝石式测量仪。因为各扭矩、压力测量仪的应用场合和检测的方法不同，使得各种测量仪有不同的应用范围。扭矩、压力测量技术的发展取决于传感器、信号传输和测量仪的研究。传感器产业正由传统型向新型传感器转型，它体现了新型传感器向微型化、多功能化、数字化、智能化发展的趋势。传感器的技术发展了几十年，其技术的发展历程可分三代：（1） 结构型传感器，它是利用结构参量的改变来检测和将非电信号转换为电信号；（2） 在上个世纪七十年代新发展起来的一种固体型传感器，这种传感器是利用电介质、半导体、磁性材料等固体物质某些特性制成。（3） 在上世纪八十以后发展起来的一种新型智能型传感器，是微型计算机技术与检测技术相结合的产物，使传感器检测技术智能化。1.4 课题研究的内容和方法1.4.1 课题研究的内容根据课题研究的目的分析可知，我们需要开发一种新型的复合传感器：扭矩-压力复合型检测传感器，那么本次课题设研究的主要内容有以下几个方面： （1） 机械结构设计方案的确定； （2） 机械结构的设计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） 对扭矩、压力传感器的结构和工作原理研究及信号转换、传输，查阅相关文献和产品样本； （5） 单片机的选型设计 （6） 放大器的选型及设计研究；1.4.2 课题研究的方法轴类零件在工作时通常会受到扭矩M或压力F的作用，而且扭矩M或者压力F的存在会使弹性轴发生变形，这种变形与轴所受扭矩M或压力F的大小存在着一定的比例关系，所以扭矩M或压力F的大小可以用电阻应变片来检测。当弹性轴受到扭矩M的作用时会产生扭曲变形，并且最大剪应力存在于与轴线成45度角的方向上。因此将电阻应变片粘贴在这个方向上就能够检测到弹性轴所受扭矩M的大小；当弹性轴受到压力F作用时扭转变形，产生的正压应力在轴线方向上，在此方向上粘贴电阻应变片能够检测到弹性轴所受压力F的大小。用应变胶将专用的测扭应变片和测压应变片粘贴在弹性轴上组成应变全桥电路，只需给应变桥提供合适的电源电压即可测得该弹性轴受扭受压的电信号。将该电信号输送到放大器单元进行放大，然后经低通滤波电路调理后信号再次被进行处理，将调至好的信号送入A/D转换电路，然后由单片机进行数据处理，最后将处理好的数据送给LCD显示屏。2 总体方案设计及原理介绍2.1 任务分析在一般的情况下，扭矩M和压力F是可以单独测量的，但如果被测轴本身的力学结构决定了该轴同时含有扭矩M和压力F两种负载，而测量力的传感器基本都采用应变片测量，所以这样就会导致：在测量扭矩M时，由于压力F负载的存在会对扭矩M的测量带来干扰，致使扭矩M的测量带来很大的误差。同样；在测量压力F时，由于扭矩M负载的存在会对压力F的测量带来干扰，致使压力F测量带来很大的误差。所以本次课题研究提出一种新型的传感器：扭矩-压力复合检测传感器，这种传感器主要是将扭矩-压力的检测集于一体，通过一个传感器就能检测出两种轴类参数指标，该传感器具有安装方便，检测数据准确可靠等特点。2.2 设计方案2.2.1 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 （1） 测量电桥信号采集电路：因电桥有很好的对称性，抗干扰性强，能精确的将非电信号转换成电信号。 （2） 信号放大器：因经过测量电桥输出的电压信号只有毫伏数量级，所以必须对这个信号就行放大处理。 （3） A/D转换电路：将模拟信号转化为数字信号。 （4） 单片机：扭矩、压力传感器与单片机系统组合在一起就构成了扭矩、压力测量仪，这部分电路的功能是：将扭矩、压力传感器的输出电信号进行整形处理分析后，计算出相应的扭矩、压力值的大小，最后将计算数据传送给显示器。 （5） 显示器：显示器可以直观地显示出所测弹性轴的扭矩、压力的大小。2.2.2 扭矩传感器的基本原理扭矩传感器是对各种旋转或非旋转机械部件上的扭转矩感知的检测。扭矩传感器将扭力产生的形变转换成精确的电信号。应变电测技术是扭矩检测方法中的一种比较成熟的检测方法，因它具有可靠性好、频响快、精度高、寿命长等众多优点，所以该方法也是一种比较常用的方法。 用应变胶粘将专用的测扭应变片贴在被测弹性轴上，组成应变桥电路，此时若向应变桥电路提供合适的工作电源，就可以检测出该弹性轴受扭的电信号。这就是扭矩传感器工作的基本原理。应变片扭矩测量传感器采用的是应变电测技术。在弹性轴上粘贴应变片组成测量电桥，当弹性轴受扭矩M产生一定的变形后引起应变片电阻值R的变化，电阻变化就会引起电路电压、电流的变化，从而实现将非电信号的变化转变为电信号的变化，电信号经过运算处理后就可以将扭矩M的大小在显示器上显示出来。传感器一般是由弹性轴及弹性轴上的应变片、测量电桥、放大器电路、A/D转换电路组成。扭矩传感器基本原理：采用应变片电测技术，在弹性轴上组成应变电桥，通过应变片电阻大小的变化检测出弹性轴所受扭矩的大小。原理图如图2-2所示：图2-2 测量原理图这种传感器的检测精度比较高、稳定性好、抗干扰性也比较强；可以测量弹性轴所受的正向、反向扭矩的大小。当弹性轴受到扭矩时，传递的扭矩是剪应力对截面扭心的合成力矩。如图2-3所示：图2-3 扭矩横截面上的剪力分布弹性轴受扭矩M时切应力在纵向轴的径向平面上，因此可以在弹性轴的表面取一个足够小的平行六面体来分析研究。因所取的平行六面体足够小，所以其边长可视为微量，于是此六面体就可近似于一个正六面体。由弹性轴受扭力时的应力分布可知，此单元体所受的力为纯剪切应力。只需将应变片粘贴在沿弹性轴的与轴线45度和-45度方向的表面上，应变片就会受到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，图中弹性轴在未受到外加负载时应变片电阻值为R1=R2=R3=R4,当弹性轴受到外加负载扭力矩M的作用时，工作应变片R1、R3、R2、R4分别产生最大的正、负应变， R1、R3应变片受拉应力；R2、R4受压应力。 图2-4 应变片全桥电路图当电桥的供电电压是Ui，其输出电压U0时： （2-1） 式中，E轴材料的弹性模量（MPa） 轴材料的泊松比 D轴的外径（mm） K应变片的灵敏系数 U0输出电压（V） Ui输入电压（V）扭矩传感器测量系统方框图如图2-5所示：图2-5 扭矩传感器测量系统方框图2.2.3 压力传感器的基本原理压力传感器是工业生产中比较常用的一种传感器，广泛应用于各行各业的自动化生产的环境控制，以保证机械设备能在良好的状态下正常的运行。将电阻应变片粘贴在弹性轴的表面上，当力、扭矩、等物理量作用于弹性轴时，就会使弹性轴发生形变，从而引起应变片电阻的变化，应变片电阻应变化就会引起测量电桥电压的变化，完成将非电信号转换成电信号，电信号经过分析处理后以数字的形式在显示器上输出，这就是电阻应变片式传感器的基本工作原理。用于力学检测的传感器种类比较多，如电阻应变片式压力传感器、半导体应变片式压力传感器、压阻式压力传感器等。由于这些传感器的结构和性能有所不同，所以其应用范围也有所不同。本次课题研究中，选用的是电阻应变片式压力传感器。按照其应变化电阻应变压力传感器可以分为两类，一类是电阻丝应变片、另一类是半导体应变片。目前，电阻丝应变片要用的比较多，电阻应变压力传感器如图2-6所示：图2-6 电阻应变压力传感器 压力传感器一般是将电阻丝应变片粘贴弹性轴上，当弹性轴受到外加压力F后的，弹性轴就会发生变形，这种变形是很微小的，但足以使粘贴在弹性轴表面上的应变片电阻值发生改变。在通常情况下，压力传感器的内部都是由4个电阻应变片连接成一个全桥电路的测量电桥。当弹性轴受到外加压力F使其发生形变，传感器内部4个电阻应变片因受到压力F的作用发生变形，并且电阻应变片在变形时，有2个电阻应变片阻值变大，另外2个电阻应变片阻值变小。从而使测量电桥不平衡，电桥的输出端就有相应的信号输出。电阻应变压力传感器的激励方式有恒压源和恒流源两种。在较理想的情况下，采用恒流源作为激励方式比选用恒压源作为激励方式的因温度产生的误差要小得多，但在这次课题研究中还是选择使用恒压源作为电桥的供电电源。 1-应变筒；2-外壳；3-密封膜片图2-7 应变式压力传感器示意图根据物理学知识可知，金属丝的电阻值R与其长度L和电阻率成正比，与其横截面积A成反比。其公式为：R=L/A （2-2） 式中，电阻率(/m)L金属丝长度（m）A金属丝横截面积（m2）下面以金属丝应变片为例来分析其工作原理，当应变片在工作时，金属丝就会受到外力F的作用使其长度L和横截面积A发生变化。从公式R=L/A中可以很明显的看出，应变片电阻值会因电阻丝长度L和横截面积A的变化发生改变，当金属丝受拉应力其长度L变长时，横截面积A就会相应的减少，使得电阻丝应变片的阻值变大。当金属丝受压应力其长度L缩短时，横截面积A就会相应的增大，使得电阻丝应变片的阻值减小。这时只要检测出加在电阻丝应变片两端的电压或者电流的变化，就可计算出电阻丝应变片的应变情况。压力传感器测量系统方框图如图2-8所示：图2-8 压力传感器测量系统方框图2.2.4 扭矩压力复合传感器的提出在一般情况下，扭矩和压力是可以单独用扭矩传感器和压力传感器测量的，但是有时候被测轴自身的机械结构和受力情况，使得被测轴同时存在扭矩和压力两种负载，而且用于测量力学参数的传感器基本都是采用应变片测量的，这样就会导致：当测量弹性轴所受扭矩M时，由于压力负载F的存在会给扭矩M的测量带来一定的干扰，导致对扭矩M测量的误差变大；同样，当测量弹性轴所受压力F时，由于扭矩负载M的存在会给压力F的测量带来一定的干扰，导致压力F测量误差变大。正是由于以上种种原因，所以本次课题研究就提出设计一种新型传感器，将测量单一量的扭矩传感器和压力传感器做成一个整体结构，使其成为一个复合型传感器，该复合传感器可以把轴类的两种参数指标一次性检测出来。该传感器有结构简单、易于安装、数据检测准确等优点。复合型传感器是一种新型的传感器，那么它的数据检测及数据分析处理方式又是怎样呢？以下就这些疑问做一些分析：当给定一个已知大小压力F的前提下测量出此时的扭矩M的大小，然后改变压力F的大小，测出改变后的扭矩M的大小，这样改变压力F大小重复测量数次；或者当给定一个已知大小扭矩M的前提下测量出此时的压力F的大小，然后改变扭矩M的大小，测出改变后的压力F的大小，这样改变扭矩M大小重复测量数次。然后把检测到的数据用一些数学方法进行处理，比如采用相关分析法和矩阵分析法进行数据分析处理，得到准确的扭矩M或者压力F的大小。3 扭矩压力复合传感器的设计3.1 应变片的选用应变片一般可分为电阻应变片、光学应变片两类，而其中的电阻应变片是比较常用的。电阻应变片的种类也有很多，有丝绕式、短接式、箔式等。在本次课题研究中选用丝绕式电阻应变片。电阻应变片的主要参数有：应变片的电阻值、几何尺寸、灵敏度系数、绝缘电阻、允许最大电流、机械滞后、零点漂移、极限应变等。怎样选择一个合适的应变片，是关乎这次研究是否能顺利进行首要问题。要想选择一个合适的应变片，就必须对应变片的一些性能作一定了解，这样才能正确的选择应变片。有时候并非传感器检测精度越高就越好，这要根据传感器的工作情况而定，做研究要考虑多方面的因素，在能够满足性能的条件下，还要考虑经济成本。在通常情况下，尺寸较大的应变片，感受到的应变量比较平均，这种应变片适用于对精度要求比较高的场合；尺寸较小的应变片，感受到的平均应变量较少，但却能很好的反映出集中于点的应力情况，因此关于对应变片尺寸的选择，还要根据弹性轴受力分布情况和弹性轴本身结构尺寸来选择。3.2 应变片的粘贴将应变片选择好了之后，就是如何将应变片粘贴在弹性轴上。在粘贴之前，我们还要做一些准备才能将应变片较好的粘贴在弹性轴上。比如说对应变片的性能做一些检查： （1） 检查应变片是否有损坏而不能正常工作， （2） 检查应变片电阻值的大小是否在允许范围内。 （3） 检查应变片上是否标有中心线。在应变片的粘贴之前，还需对弹性轴上粘贴应变片的地方进行清洗，防止由于油渍的存在使应变片粘贴不牢而脱落。然后在应变片的粘贴面处涂上一层薄薄的胶水。将应变片上的方位线对准事先在弹性轴上划的线，在粘贴过程中要始终保证上述两线重合，并且要将粘贴面里多余的胶水和气泡挤出来。压紧应变片时要沿着弹性轴表面法线方向用力，保证在时压紧应变片是不能移动的，知道粘贴牢固。 扭矩传感器应变片分布图如图3-1所示：图3-1 扭矩传感器应变片分布图3.3 弹性轴材料的选择和确定应变片是粘贴在弹性轴上的，而应变式扭矩-压力复合传感器主要用于动力设备扭矩、压力的测量，当弹性轴受到扭矩、压力时使应变片发生形变而检测出扭矩、压力的大小的。要使传感器能够顺利的检测出扭矩、压力的大小，就必须的保证弹性轴在受到扭矩、压力时，弹性轴不至于被损坏。这就需要对弹性轴的结构设计及对轴材料的选择。在工程与实际应用中，应变式扭矩-压力复合传感器弹性轴的材料一般选用：45钢、40Cr等。现已知弹性轴上所受最大扭矩为Mmax=1000Nm,压力为FN=50000N，为了防止计算的轴径过小以至于应变片不好粘贴，把弹性轴设计成空心轴，取轴的内径d=10mm，可根据轴的强度条件设计计算弹性轴的外径。扭转强度设计校核公式如下： （3-1） （3-2） （3-3） 上式中，最大切应力MPa Mmax最大扭矩Nm WP扭转截面系数mm3 D弹性轴外径mm d弹性轴内径mm对于弹性轴受静载荷作用的情况下，扭转的许用切应力与拉伸许用应力有关，对于钢材为： = (0.50.6) （3-4）查机械设计手册的45钢最大切应力=88.23MPa，40Cr的最大切应力=562.5MPa。当最大扭矩Mmax=1000Nm时，根据上述的强度计算公式得出：（1） 当选用45钢时，弹性轴直径Dmin=78.64mm；（2） 当选用40Cr时，弹性轴直径Dmin=27.58mm。弹性轴所受压力F引起的正压力均匀分布在整个横截面上。正压力计算公式如下： （3-5） 上式中，FN产生的正压力N/mm2 FN弹性轴所受正压力N A弹性轴横截面积mm2 D弹性轴外径mm d弹性轴内径mm查阅机械设计手册的45钢的许用压应力=235MPa，40Cr的许用压应力=937.5MPa。当弹性轴受到最大压应力Fmax=50000N时，根据上述正压力计算公式得出：（1） 当选用45钢时，弹性轴直径Dmin=26.46mm；（2） 当选用40Cr时，弹性轴直径Dmin=18.24mm。根据对扭矩、压力计算选择不同材料时的最小直径可得：当选择45钢，内径d=10mm时弹性轴最小直径Dmin=78.64mm；当选择40Cr，内径d=10mm时弹性轴最小直径Dmin=27.58mm。综合上述的设计计算，在满足条件的前提下，从成本和结构方面考虑，这次设计研究选用40Cr，在尽量保证安全的前提下，将弹性轴的直径取稍微大的整数值，最后确定弹性轴的直径为D=30mm。根据对弹性轴的结构设计和应变片的粘贴方法，用NX UG5.0设计出弹性轴的三维图和应变片在弹性轴上粘贴的位置。 弹性轴的结构和应变片的贴片如图3-2所示：图3-2 弹性轴的结构和应变片的贴片图3-3 弹性轴的结构和应变片的贴片实物图4 检测系统各部分电路设计4.1 电桥电路设计4.1.1 电桥电路的选用应变片将弹性轴的形变转换成应变片电阻值的变化，进而通过应变片电桥电路将应变片的形变量转换成电压或者电流信号的变化，然后用测量电压、电流仪器表将数值测量出。这种形变量转换为电信号一般是通过电桥电路实现的，根据所用电桥电路所选用电源的不同，电桥可以分为直流电桥和交流电桥。本设计采用直流电桥电路，因其具有较高的抗干扰稳定性，电路简单等优点，所以直流电桥电路应用的比较广泛。应变片电桥电路原理图如图4-1所示： 图4-1 应变片电桥电路原理图图4-1中，U为电源电压，R1、R2、R3、R4为桥臂，VO为输出电压。若R1=R3=R2=R4时，VO=0称为电桥的平横状态，电桥无输出。当弹性轴因受到扭矩M、压力F发生形变时，弹性轴上的应变片电阻R1、R3受拉应力的作用；而R2、R4则受压应力的作用，打破原本平衡的电桥，此时Vo不再为0。当电桥的供直流电电压Ui，可用测量仪器检测出输出电压值Uo，则根据公式： （4-1）可计算出弹性轴所受扭矩值的大小。 式中，E弹性轴材料的弹性模量（MPa） 轴材料的泊松比 D弹性轴的外径（mm） K应变片的灵敏系数本次课题设计的是扭矩压力复合型传感器的设计，需要检测五个信号，所以电路中有五个电桥电路，一个用于检测弹性轴所受扭矩M，四个用于检测弹性轴所受压力F，所设计电桥电路的其中两个应变片电桥检测单元电路图如图4-2所示：图4-2 应变片电桥电路图4.1.2 电桥的误差分析由于外界的干扰（例如温度、噪音、震动等），传感器的输出量会发生变化，常见的有温度漂移、零点漂移。温度漂移通常指的是工作的环境温度发生变化，保证输入量的大小不发生变化，但传感器的输出量发生了变化。零点漂移是指传感器在无输入时，其输出值不为零值的现象。造成这种现象的主要原因是由于老化而使传感器自身结构参数发生变化。温度漂移和零点漂移都可以通过串联或者并联合适的可调电阻来进行减小或者消除。4.2 信号放大电路的设计及误差分析4.2.1 放大电路的设计扭矩压力传感器工作时是将非电量的扭矩、压力信号转换成电信号。但由于应变片传感器电桥电路的供电电压一般都很低，只有5V左右，而且应变片形变量很小，电阻变化不大，所以电桥输出电压Uo值也很小，也就是说获取的电信号都很小，而且信号也不稳定，波动范围比较大，往往还夹杂其他信号，例如，有很大的共模干扰信号成分，所以要想得到比较明显而且稳定的信号，就必须对传感器的输出信号进行处理，这种处理方式就是把输出信号输送到放大器电路对信号进行放大处理。根据设计要求选择合适的放大器，只能选择功耗较低、漂移量较小、失调率低、增益性良好的放大器，才能使信号不失真进行放大，从多方面考虑，本次设计选择ML324作为放大器。ML324的引脚排列如图4-3所示：图4-3 ML324的引脚排列图ML324单通道放大电路图如图4-4所示：图4-4 ML324放大电路图4.2.2 放大电路的误差分析 （1） 采用ML324作为放大电路可以得到比较高的增益，而且电阻的发热也不会增加，所以降低了偏置电流对运算放大结果的影响。 （2） 运算放电大路的输入失调电压也会导致误差，并且它与放大电路的放大倍数有关，这种误差属于静态误差，可通过调节Vr消除。4.3 单片机电路及硬件选取一般情况下，使用51单片机比较广泛，但是由于51 单片机的功能不是很强大，也不是很方便，所以本次研究选用的是STC IAP15F2K61S2单片机，STC IAP15F2K61S2单片机本身也是一种仿真器。该单片机为1T8051单片机微处理器，在相同频率下工作时，其运算速度是普通8051的812倍，属于增强型8051内核，有一个1个时钟/机器周期。正常工作电压为5.5V3.8V，带有低功耗设计：低速模式、空闲模式、掉电模式（可由外部中断或内部掉电唤醒定时器唤醒）。不需要外部复位、外部晶振，内置高精度的R/C时钟。其SRAM空间大小为2K，ROM程序空间大小为61K，有两组高速异步串行通信端口UART及1组SPI、内部EEPROM、高速A/D转换、CCP/PCA/PWM功能，工作频率可以达到28MHz正常工作温度的范围比较宽为-40oC80oC，有40个引脚。其实物图和引脚图如图4-3所示：图4-3 STC IAP15F2K61S2单片机实物图和引脚图 IAP15F2K61S2单片机内部结构图如图4-4所示：图4-4 IAP15F2K61S2单片机内部结构图 IAP15F2K61S2单片机程序下载窗口如图4-5所示：图4-5 IAP15F2K61S2单片机程序下载窗口4.4 A/D转换电路的设计由于IAP15F2K61S2单片机中内置有高速的A/D转化器，所以这里就不需要选择另外的A/D转换器。4.5 LCD显示电路及硬件选取为便于观察和监视单片机的工作情况，需要随时读取单片机的数据，这就需要显示器将单片机的工作情况如输入值等显示出来。在单片机的应用系统中，常用的显示器主要有LED（发光二极管）显示器和LCD（液晶）显示器。这两种显示器具有耗电量少、成本低廉、配置灵活、线路简单、安装方便、耐振动和寿命长等优点。本次课题研究设计选择LCD1602作为扭矩压力检测的显示器。LCD1602采用标准的16脚接口，其中：（1） 第1脚：GND为接地。（2） 第2脚：VCC接5V电源正极。（3） 第3脚：V0为液晶显示器对比度调整端。当V0接正电源时对比度最弱，V0接地电源时对比度最高。（4） 第4脚：RS为数据寄存器选择。当RS为高电平“1”时选择数据寄存器，RS为低电平“0”时选择指令寄存器。（5） 第5脚：RW为读写信号线。当RW为高电平“1”时进行读操作，RW为低电平“0”时进行写操作。（6） 第6脚：E(或EN)端为使能端。当E(或EN)端为高电平“1”时读取信息，当E(或EN)端低电平“0”为时执行指令。（7） 第714脚：D0D7为8位双向数据端。（8） 第1516脚：空脚或背灯电源。15脚背光正极，16脚背光负极。LCD1602的外形图如图4-6所示：图4-6 LCD1602的外形图LCD1602与单片机连接图如图4-7所示：图4-7 LCD1602与单片机连接图结 论经过对理论的分析和试验，本课题研究设计的扭矩压力复合传感器，主要是将扭矩-压力的检测集在一个整体上，通过一个传感器将轴类参数的两种指标检测出，这种复合型传感器可以解决当弹性轴同时存在扭矩、压力的检测问题。该复合型传感器有安装方便、结构简单，数据检测精度高等特点。在扭矩、压力的测量上，使用了应变片从而实现了非电信号到电信号的转换。在很大程度上减少了传感器的机械结构的设计，使传感器安装方便。运用单片机对电信号的处理，再经过信号放大及调整，最后将检测数据显示显示器上，从而可以直观的观测到检测的数据。由于时间仓促，本次课题设计只完成了机械设计部分和电子设计部分的设计，还未来得及经过调试做出实物，这是本次课题设计中最大的不足之处。致 谢本课题的设计研究和研究生论文的撰写是在刘海老师的悉心关怀和指导下完成的。在论文的撰写过程中，刘海老师给我提了很多良好的改进意见，他渊博的学术知识对我的影响很大，在指导我设计研究中，使我受益匪浅。在论文写作过程中，刘海老师对我进行了耐心的指导和帮助并且给我提出很多宝贵的的改进意见，他不断的引导我开阔思路，发散思维，鼓励我敢于创新、勇于创新。在这三个月左右的毕业设计研究中，使我增长了许多知识，毕竟我不是专业学电的，这个研究课题对于我来说还是有一定的难度，但是在刘海老师的指导下，我打破重重困难，完成了毕业设计，使我学到了许多之前从未了解的关于电路信处理的知识。从他的身上我学到了很多知识，也学到了很多做人的道理。在此，谨向刘海老师以及在论文完成过程中给与我帮助的人致以崇高的敬意和衷心的感谢。参考文献1 戴文进，陈瑛，杨莉电机与电力拖动基础学习指导北京：清华大学出版社， 20122 刘海成单片机及应用系统设计原理与实践北京：北京航空航天大学出版社，20093 李广弟，朱月秀单片机基础北京：北京航空航天大学出社，20074 别传爽，陈强，李晓可等.单片机原理与应用.北京：北京理工大学出版社，20105 胡汉才单片机原理及接口技术武汉：清华大学出版社，20046 蔡朝洋单片机控制实习与专题制作北京：北京航空航天大学出版社，20067 雷于生，胡成松C语言程序设计北京：高等教育出版社，20098 潘炼. 传感器原理及应用. 北京：电子工业出版社，20129 李华，孙晓民等.MCS-51系列单片机使用接口技术.北京：北京航空航天大学出版社，199310 来清明传感器与单片机接口及实例北京：北京航空航天大学出版社， 200811 周永轩，袁芳，高鹏毅等电工电子学武汉：华中科技大学出版社，200212 范钦珊，章梓茂，殷雅俊.材料力学. 北京：高等教育出版社，2