皮带轮式无线应变扭矩测量系统设计说明书.doc

精品文档皮带轮式无线应变扭矩测量系统设计 摘要转轴是机械中用于传递运动及动力的最常用的部件,扭矩正是最直接反映转轴运行状态的重要参数。扭矩的周期性变化会造成转轴的疲劳断裂,过大的扭矩还有可能导致转轴扭转变形断裂,甚至会造成严重的生产事故,因此提高扭矩测量的准确性以及扭矩异常分析的可靠性,是减少事故发生、保证生产正常进行的重要手段,具有重要的现实意义。转轴是机械中用于传递运动及动力的最常用的部件，扭矩正是最直接反映转轴运行状态的重要参数。提高扭矩测量的准确性以及扭矩异常分析的可靠性，是减少事故发生、保证生产正常进行的重要手段，因此设计一种在线扭矩监测系统十分必要。本文分析比较了国内外扭矩测量系统的发展状况，结合现代工业、农业机械设备测试的需求，设计了一种新型应变式扭矩测量系统。鉴于信号采集发射模块固定在转轴上的特殊需求，系统采用高性能C8051F120单片机实现片内12位精度的A/D转换及控制功能。考虑到工业设备、农业机械工作环境的复杂性，选用WAP200B无线传输模块传输单片机和PC机间的通信数据，利用433MHz无线数据传输专用频段实现了扭矩的非接触式在线测量，克服了传统集流环有线传输的缺陷，便于在艰苦恶劣环境中得到应用。终端PC机使用Lab VIEW软件进行数据采集处理虚拟仪器平台的设计，实现了PC机与无线模块的串行通信，测量信号的在线实时采集、分析、计算和存储功能，人机交互性好，用户可实时观察电压及扭矩值的变化，测试结束后还可读取存储的数据文件进行详细分析。系统软件设计强调模块化编程，开发周期短，可维护性好。模拟测试实验结果表明系统运行速度快，传输精度高，误差小，便于远距离实现旋转机械的扭矩测量。本论文设计的应变式扭矩测量系统体积小巧，工作可靠，是一款工业、农业旋转机械普遍适用的扭矩测量系统，在农业机械野外测量领域的适用性尤为显著。关键词 扭矩测量；单片机；无线传输；Lab VIEW；标定1.绪论1.1研究背景 迄今为止，旋转轴扭矩传感技术经过长期不断的发展形成了以应变测量和扭矩转角为测量为对象的两类传感器技术，根据扭矩信号传输方式，即传感器输出信号从旋转轴上的敏感元件传输到静态上又可以分为接触式测量和非接触测量。扭矩传感器技术利用电学、光学、光电子学、电磁学等原理，形成了电阻应变式、电感式、光电式、磁电相位差式、激光光纤等扭矩传感器。不同的传感器具有不同的应用领域，不同的测量条件和测量精度。随着我国水利事业的发展，三峡工程及其他多项水力发电站的建立，急需能对水轮机主轴系统进行扭矩检测的测试设备，以监控整个系统的工作状况。水轮机主轴系统具有特殊的工作环境及工作条件，由于工作条件恶劣，如强电磁干扰，温度及湿度调价复杂，同时对主轴工作的安全性要求特别高，要求测量系统能够及时可靠的进行报警。这些都是传统扭矩测量仪和测试手段无法完全解决的。无线应变传感器节点使用简单方便，极大地节约了测试中由于反复布设有线数据采集设备而消耗的人力和物力，无线数字信号传输方式消除了长电缆传输带来的噪声干扰，整个测量系统具有极高的测量精度和抗干扰能力。无线传感器节点可以组成庞大的无线传感器网络，支持上千个测点同时进行大型结构试验。广泛应用于桥梁、建筑物、飞机、船舶、车辆、起重机械等结构静力测试，疲劳测试，载荷实验等。1.2图像处理领域研究现状1.2.1图像处理的概念图像处理是指对图像信息进行加工,从而满足人类的心理、视觉或者应用的需求的一种行为。图像处理方法一般有数字法和光学法两种,其中数字法的优势很明显,因此,已经被应用到了很多领域中,相信随着科学技术的发展,其应用空间将会更加广泛。数字图像处理技术其实就是利用各种数字硬件与计算机,对图像信息通过转换而得到的电信号进行相应的数学运算,例如图像去噪、图像分割、提取特征、图像增强、图像复原等,以便提高图像的实用性。其特点是处理精度比较高,并且能够对处理软件进行改进来优化处理效果,操作比较方便,但是由于数字图像需要处理的数据量一般很大,因此处理速度有待提高。目前,随着计算机技术的不断发展,计算机的运算速度得到了很大程度的提高,这大大的推动着数字图像处理技术向前发展发展。1.2.2图像处理的应用目前,数字图像处理技术的应用领域越来越广泛,并且在医疗保健、工业、林业、农业、通信、军事、航空航天等各个领域扮演着越来越重要的角色。其中,非常典型的应用就是在通信中的应用:目前通信主要的发展方向是文字、声音、图像与数据多者相结合的多媒体通信,具体地说就是将计算机、电视、电话通过三网合一的方式在网上进行传输。其中以图像通信表现较为困难和复杂,因此,数字图像处理技术也就成为决定这方面工作成败的关键技术。1.2.2.1计算机图像生成。以计算机图形学和“视觉”为基础的计算机图像生成技术在航海、航空仿真训练系统,大型模拟军事演习系统中的应用已经卓有成效。在广告制作、动画制作。网络游戏中已有令人叹为观止的杰作。1.2.2.2图像传输与图像通信。以全数字进行图像传输的实时编码-压缩-解码等图像处理技术在远程多媒体教学、网络视频聊天等已经有了很大发展。1.2.2.3医学图像处理与材料分析。医用超声成像、X光造影成像、X光断影成像、核磁共振断层成像为基础的医学图像处理技术已经在疾病诊断中发挥重要作用。以图像重叠技术进行无损伤也应用在工业无损伤和检验中。智能化的材料分析有助于人类深入了解材料的微观性质,促进新型功能材料的诞生。1.2.2.4图像跟踪及光学制导。20世纪70年代,图像制导技术在战略技术武器制导中发挥了极大作用。光学跟踪测控也是最精密的测控技术之一。1.3本课题研究内容根据课题要求，需要完成皮带轮式无线应变扭矩测量系统的设计。即在测量部分应使用应变型传感器且传感器安装于皮带轮处。数据传输方式采用无线传输方式。同时还应包括完整的后处理系统。因此基于此原理，系统的基本内容应包括：传感器的选择，与被测轴的连接方式（应变片的贴片方式）。信号的采集及前处理电路，信号的收发装置的选择（如选择通讯协议、型号等），传感器的标定信号的选择与传输方式，信号的后处理部分1.4国内外扭矩测量仪的现状简介 目前各国都有研制无线传输测量扭矩系统，比较具有代表性的有以下几种：1.4.1德国KMT公司生产的RTSE600单通道遥测系统德国KMT公司生产的RTSE600单通道遥测系统。它属于PCMFM无线传输方式。它的发射主频为433.3434.5MHz，无线传输距离可达到250ITI，非线性度为0.1%，系统误差（不包括传感器）。1.4.2日本的TR82/THG83应变遥测系统日本的TR82/THG83应变遥测系统采用的是FMFM无线传输方式。它把轴上的信号调理和发射电路集装在一个金属盒里面。金属盒体积小、质量轻，并且有屏蔽保护作用。该系统的发射主频为7090MHz，无线传输距离可达到10m，可以测量的应变范围为非线性度为。1.4.3美国佛罗里达大学（university of Florida）研制的通过红外线无线传输测量铣刀铣削时扭矩的测量仪。2扭矩测量系统基本理论2.1扭矩测量方法测量扭矩的方法，按其基本原理可分为：传递法（扭轴法）、反衡力法（反力法）及能量转换法等三种方法。2.1.1传递法传递法是根据弹性元件在传递扭矩时所产生的物理参数的变换方法而测量扭矩的方法。这里所根据的物理参数可以是弹性元件的变形、应力或应变。最常用于测量扭矩的弹性元件是扭轴。2.1.2平衡力法对于任何一种匀速工作的动力机械或制动机械，当他的主轴受扭矩作用时，在它的机体上必定同时作用着方向相反的平衡力矩（或称之为支座反作用力）。测量机体上的平衡力矩已确定机器主轴上作用扭矩大小的方法，就是平衡力法，亦称反力法。2.1.3能量转换法这是根据其他能量参数（如电机参数）测量机械能参数及扭矩的方法。综上所述的三种测量扭矩的方法，传递法和平衡力法为直接测量扭矩的方法，其测量方便、精度较高，而能量转换法为间接测量扭矩的方法，测量误差较大，常达。所以只有在无法直接测量的场合下才采用间接测量法。2.2扭矩测量的基本原理一根实心的圆轴在扭矩的作用下，其表面的剪应力的大小为式中G为剪切弹性模量，同时，相距为L的两个断面的相对扭转角，其值的可有下式决定：式中为断面的极惯性矩，又对于实心圆轴：=/32；对于空心圆轴：/32（）；由上述各式可见，只要轴的尺寸D或，及L确定，材料的剪切弹性模量就一定，转轴的剪应变和相距L的两断面的相对转角就只与扭矩有关，且成比例，即 为常数，所以因此，只要测量即可确定。2.2.1应变式扭矩测量由材料力学可知，当受扭矩作用时，轴表面有最大剪应力。轴表面的单元体为纯剪应力状态，在与轴线成的方向有最大正应力，其应力值为。相应的变形为和，当测得应变后，便可算出。测量时应变片沿应变沿与轴向成的方向粘贴。2.2.2压磁式扭矩测量压磁式扭矩传感器是利用轴受扭矩时材料导磁率的变化测量扭矩。其特点是可以非接触测量，使用方便，但要求旋转过程不出现径向跳动，否则铁芯与转轴间隙发生变化，会造成测量误差甚至损坏测量设备。2.2.3磁电感应式扭矩测量磁电感应式扭矩测量传感器结构如图2.2-1。他是在转轴上固定两个齿轮，通过其所在横截面之间相对扭转角来测量扭矩。图2.2-1 磁电感应式扭矩测量2.2.4光电式扭矩测量光电式扭矩测量传感器结构如图2.2-2。他是在转轴上固定两个圆盘光栅，通过两光栅之间相对扭转角来测量扭矩。 图2.2-2 光电式扭矩测量2.3扭矩测量信号的传输方法被测物理量经过传感环节后被转换为电阻、电容、电感、电荷、电压或电流等电参数的变化。在测试过程中不可避免地受到各种内、外干扰因素的影响，同时为了使被测信号能够驱动显示仪、记录仪、控制器，或进一步将信号输入到计算机以进行信号分析与处理，需要对传感器的输出信号进行调理、放大、滤波等一系列的变换处理，使变换处理后的信号变为信噪比高、有足够驱动功率的电压或电流信号，从而可以驱动后一级仪器。通常使用各种电路完成上述任务，这些电路称为信号变换及调理电路，电路的转换过程称为信号的变换及调理。2.3.1直流电桥电桥是将电阻R(应变片)、电感L、电容C等电参数变为电压U或电流I信号后输出的一种测量电路。其输出既可用于指示仪，也可以送入放大器进行放大。常见的许多传感器都是把某种物理量的变化转换成电阻、电容或电感的变化，因此电桥电路具有很强的实用价值。电桥由于具有测量电路简单可靠、较高的灵敏度、测量范围宽、容易实现温度补偿等优点，因此在测量装置中被广泛应用。采用直流电源的电桥称为直流电桥。图2.3.1-1是一个直流惠斯登电桥(即单臂电桥)，它的四个桥臂由电阻组成。a、c两端接直流电源，称供桥端；b、d两端接输出电压，称输出端。当电桥输出端接入仪表或放大器时，电桥输出端可视为开路状态，电流输出为零。此时桥路电流为、因此，a、b之间电位差为a、d之间电位差为电桥输出电压为 式2.3.1-1 由此可以看出，若电桥平衡，即使输出Uo=0，则应满足 式2.3.1-2图2.3.1-1 直流电桥根据式2.3.1-1和式2.3.1-2，可以选择桥臂电阻值作为输入，使电桥的输出电压只与被测量引起的电阻变化量有关，而在测量装置没有输入的情况下，电桥不应有输出。图2.3.1-2所示为采用不同形式电桥测量质量的应用示例。图2.3.1-2 测量桥在机械测试中，根据工作电阻值的变化桥臂数把电桥分为半桥和全桥。2.3.1.1. 半桥单臂连接(一片)工作中有一个桥臂阻值随被测量而变化，如图2.3.1-3(a)所示，为电阻随被测物理量变化而产生的电阻增量。此时输出电压为为了简化设计，令，则 因为所以 由此可知，电桥的输出与输入电压成正比。在条件下，电桥的输出也与成正比。电桥的灵敏度定义为 则半桥单臂的灵敏度为。(a) 半桥单臂(b) 半桥双臂(c) 全桥图2.3.1-3 直流电桥的连接方式2.3.1.2. 半桥双臂连接(两片)工作中有两个桥臂阻值随被测物理量而变化，且阻值变化大小相等而极性相反，即，如图2.3.1-3(b)所示，该电桥的输出电压为 由于，所以当输入为时，半桥双臂连接的灵敏度为 2.3.1.3全桥四臂连接(四片)工作中四个桥臂阻值都随被测物理量而变化，相邻的两臂阻值变化大小相等，极性相反，相对的两臂阻值变化大小相等极性相同，即当，时，如图2.3.1-3(c)所示，输出电压为当输入为时，全桥连接的灵敏度为 由此可知，采用不同的桥式接法，输出的电压灵敏度不同，其中全桥的接法在输入量相同的情况下可以获得最大的输出。因此，在实际工作中，当传感器的结构条件允许时，应尽可能采用全桥接法，以便获得高的灵敏度。2.3.2电桥测量的误差及其补偿对于电桥来说，误差主要来源于非线性误差和温度误差。由式知，当采用半桥单臂接法时，其输出电压近似正比于，这主要是因为输出电压的非线性造成的。减少非线性误差的办法是采用半桥双臂和全桥接法。由式和式可知。这些接法不仅消除了非线性误差，而且使输出灵敏度也成倍提高。另一种误差是温度误差，即温度的变化造成上述双臂电桥接法中的R1R2，及全桥接法中的R1R2或者R3R4。所以在贴应变片时尽量使各应变片的温度一致，从而有效地减少温度误差。2.3.3直流电桥的干扰由上述可知，电桥输出为R0/R0与供桥电压Ui的乘积。由于R0/R0是一个非常小的量，因此，电源电压不稳定所造成的干扰是不可忽略的。为了抑制干扰，通常采用如下措施：2.3.3.1电桥的信号引线采用屏蔽电缆。 2.3.3.2屏蔽电缆的屏蔽金属网应该与电源至电桥的负接线端连接，并应该与放大器的机壳地隔离。2.3.3.3放大器应该具有高共模抑制比。综合以上各种扭矩测量方式，以及考虑成本和可实现性等问题最终采用应变式扭矩测量方法，并选用四片均布的双竖八字布置方式，并采用全桥方式调理电路。3.扭矩测量系统设计3.1扭矩测量系统的工作原理系统的工作原理是：扭矩传感器将扭矩信号转换成电信号，经放大器放大后送入A/D转换器，单片机控制A/D转换器将采集的模拟信号转换成数字信号，通过发射模块发射出去。接收端接收到信号后进行分析处理，得到正确的扭矩数据，把数据送到上位机监测软件显示数据考虑到许多扭矩测量的工作环境恶劣，测量系统的外壳需要防爆设计，安装在旋转轴上的无线发射信号会被壳体完全屏蔽，外部无法接收，所以研制的扭矩测量系统运用了局部无线传输，其组成包括四个部分.3.1.1安装于旋转轴上的扭矩测量、无线数据的发射电路扭矩传感信号调理模数转换单片机无线发射模块3.1.2固定于壳体上的转速测量、无线数据接受、串口通讯电路无线接收模块光电开关信号调理单片机RS-232串口输出3.1.3固定于地面的数据接收、处理、显示装置3.1.4旋转轴上测量电路的感应供电装置3.2扭矩传感器的工作原理 此类传感器是目前国内外使用最多的一种传感器，它采用在旋转轴表面贴应变片的传统方法，利用适当的电路取得信号，然后进行分析处理。应变片可以直接贴在需要测量扭矩的转轴上，也可以贴在一根特制的轴上制成应变式扭矩传感器，用于需要测量扭矩的场合。3.3皮带轮部分的设计3.3.1系统设计给定条件 扭矩测量范围，三角带（4根）传动，皮带内孔为。3.3.2设计参数选择3.3.2.1C型V带的额定功率选择（摘自GB/T13575.1-2008）3.3.2.2 V带轮的结构形式和辐板厚度3.3.2.3 V带轮轮缘尺寸（基准宽度制）（摘自GB/T10412-2002）图3.3-3V带轮轮缘尺寸选择标准a图3.3-4 V带轮轮缘尺寸选择标准b图3.3-5 V带轮轮缘尺寸选择标准c从上述参数中选择C型槽。槽型：C型基准宽度bd：19.0基准线上槽深：4.8基准线下槽深：14.3槽间距e：第一槽对称面至端面最小距离:16槽间距累计极限偏差：带轮宽B：B=(Z-1)e+2f外径da:da=dd+2ha3.3.2.4需要选择的键的大小普通平键（摘自GB/T 1095-2003, GB/T 1096-2003）轴径: 键的公称尺寸：184.总结与展望我的论文题目是“皮带轮式无线应变扭矩测量系统设计”，刚一拿到这个题目。我真的是很茫然，不知道怎么着手去弄，有时候感觉自己就快坚持不下去了，感觉很辛苦，还产生了放弃了的念头，但是我还是坚持下来了，因为我知道它对我来说具有很大的挑战性，我要去克服我的薄弱环节，我选择了拼搏，后来就慢慢的进入了状态，思路也逐渐的清晰了，历经了很长时间的奋战，紧张而又充实的毕业设计终于落下了帷幕。回想这段日子的经历和感受，我感慨万千，在这次毕业设计的过程中，我拥有了无数难忘的回忆和收获。开始是搜集资料。在指导老师的指点下，通过各种渠道开始准备工作通过网络、图书馆搜集相关学术论文、核心期刊、书籍等。通过深入学习，搜集了一大堆与毕业设计相关的资料，在老师的指导下，摒弃了一些无关紧要的内容，保留了有参考价值的资料作为备用。在这段时期，我整天出入图书馆。在学校图书馆，搜集资料，还在网上查找各类相关资料，在常见的搜索引擎中，我了解到一些相关的知识，并将这些内容列成提纲，全部记在笔记本上，尽量使我的资料完整、精确、数量多，这有利于论文的撰写。然后我将收集到的资料仔细整理分类，及时拿给导师进行沟通。接下来，我开始对所搜集的资料进行整理、分析研究，对比，并进行相关图形的绘制工作。为了画出自己满意的装配图，我又仔细复习和学习了AutoCAD、pro/e的绘图技术。掌握了许多的细节问题。这次毕业论文的制作过程是我的一次再学习，再提高的过程。在设计中我充分地运用了大学期间所学到的知识。在设计装配图初期，由于没有设计经验，觉得无从下手，空有很多设计思想，却不知道应该选哪个，后来经过仔细的对比，我的设计渐渐有了头绪，通过查阅资料，逐渐确立系统方案。在此期间，我多次与老师电话或短信以及利用E-mail进行沟通，听取老师好的建议，积极采纳。感觉自己做的差不多的时候，我就将初稿拿给了我的指导老师，老师对我的设计进行了仔细的研究，一项一项的对我讲解，每一个部分都讲解的很详细透彻，对我提出了宝贵的意见，后来老师将初稿修改后及时反馈给我，看了之后才发现设计中的漏洞很多，老师给了我很好的建议。至此，我发现，要干好一件事并非那么简单，但也不是很难，敷衍了事是万万不可的，对待任何事情都要认真去思考，用思想来完成任务。一篇优秀的毕业设计不是写出来的，而是修改出来的，这需要的是耐心，还要用心。在毕业设计过程中，我遇到的问题很多，有些是在自己技术所在范围之外，每当无法实现自己的想法或者运行不下去的时候，我就会出现浮躁的情绪，但是我没有放弃，而是适时地调节自己的心态，在同学老师的帮助下，完成了初次的设计。越是不懂的东西才要去学，在学习的过程中你会收获很多，其中一点就是互相学习是最好的学习途径，在学习之后你会感觉到很有成就感，这也是我在完成设计之后体会到的。我不会忘记这难忘的几个多月的时间。毕业设计的制作给了我难忘的回忆。在我徜徉书海查找资料的日子里，面对无数书本的罗列，最难忘的是每次找到资料时的激动和兴奋；亲手设计装配图的时间里，记忆最深的