毕业设计-定扭矩电动扳手扭矩测量检验台设计.doc

皖西学院本科毕业论文（设计）皖 西 学 院本科毕业论文（设计）论 文 题 目定扭矩电动扳手扭矩测量检验台设计姓名（学号）许正祥（2004023233）系 别机械与电子工程系专 业机械设计制造及其自动化导 师 姓 名李鸿宾二 八 年 六 月目 录1、毕业论文（设计）计算说明书正文2、皖西学院本科毕业论文（设计）任务书3、皖西学院本科毕业论文（设计）开题报告4、皖西学院本科毕业论文（设计）中期检查表5、皖西学院本科毕业论文（设计）指导教师意见表6、皖西学院本科毕业论文（设计）评阅教师意见表7、皖西学院本科毕业论文（设计）答辩记录表目 录摘要.1Abstract .11、前言.22、定扭矩扳手测量检验台总体设计.22.1 检验台机械结构设计.22.2 检验台测试系统设计.23、定扭矩扳手测量检验台机械结构设计.33.1 零部件材料的选择依据 .33.2 底座的设计.43.2.1 底座材料选择.43.2.2 底座外形尺寸.43.3 电动扳手支撑座设计.43.4 测量检验台中检验棒的设计.53.4.1 检验棒的材料选择.5 3.4.2 检验棒的结构设计.53.4.3 检验棒的直径.63.4.4 轴的扭转刚度计算.73.5 键的设计 .73.5.1 平键联接强度计算.83.6 压板上压紧螺栓设计.103.6.1 螺栓工作拉力的计算.103.6.2 螺栓预紧力的计算.124、检验台测试系统设计.134.1 扭矩测量原理.134.1.1 电桥选择.144.2 放大电路的原理及设计.164.3 滤波器的原理及选择.194.4 A/D转换器原理及设计.214.5显示电路设计.255、小结.27 致谢.27 参考文献.28定扭矩电动扳手扭矩测量检验台设计作 者许正祥指导教师李鸿宾摘要：近年来，随着技术的发展越来越多的技术设备被用在生产的各个领域。这些先进的设备不但减轻了人类的劳动，而且提高了生产效率。其中在机械行业，定扭矩电动扳手就是减轻人类劳动、提高生产效率的先进设备之一。本文是通过对某一额定扭矩的电动扳手而专门设计的一种检验装置。此检验装置是通过将待检验的电动定扭矩扳手放入检验台上，启动扳手通过扳手的转动，带动检验台上安放的一根检验棒转动，然后由检验棒上安装的应变片将检验棒因扭转而引起的变化信号经过一定的信号处理，将信号传递给A/D转换器，由A/D转换器将模拟量转换成数字量通过数字显示装置显示出来，由显示出来的数据与电动定扭矩扳手的额定参数进行比较来检验此电动定扭矩扳手是否满足要求。关键词：检验棒、检验台、应变片、放大器、滤波电路、A/D转换the checkout stand of the electric torque wrench,s designAuthorXuzhengxiangThe instructorLihongbinAbstract：With the development of technology, more and more advanced equipment used in production. These advanced equipment will not only reduce the labor intensity, but also improve the efficiency of production. In the machinery industry, the electric torque wrench is one of the advanced equipment to reduce labor intensity and improve the efficiency of production.This thesis is based on a rated torque of the electric wrench to design a testing device. This device is rated torque of the electric wrench installed in the checkout stand. After start the switch of wrench, as the rotation of electric wrenches drives the test rods rotation that installed the test platform. Test rods on the film will have a contingency deformation. This device will strain signal amplification, filtering processed, the signal will be transmitted to the A/D converter. After A/D converter translate the analog signals into digital signals，the torque values will be displayed through a digital display devices. Finally，compare the torque rated torque to numerical values. By comparison to determine whether the electric wrenches qualified.Keywords：Test wand， Strain gauge，The checkout stand，Amplifiers，Filter circuit，A/D converter1、前言随着工业的迅猛发展,定扭矩扳手对保证车辆及机械的维修质量等起着至关重要的作用,在铁路机务、车辆、维修部门的应用愈来愈广泛。定扭矩电动扳手就是通过扳手扭动物体，当扭动达到所设定的扭矩值时翻转体不会转动，说明此时被紧固的物体像螺栓之类所受的旋转力矩为实际施加力矩。但是当电动定扭矩扳手的额定扭矩值超过了被紧固物体所需的扭矩时，就会导致紧固物体的破坏。因此为保证工厂里生产的每一台定扭矩扳手都合格，就需要定扭矩扳手检测装置来检测定扭矩扳手的额定扭矩是否达到所设定的扭矩值，从而使产品的合格率提高。本次任务是设计一种电动定扭矩扳手的检验装置，同时在达到设计任务的前提下，也要考虑到所设计的检验装置的检验数值准确可靠、整体占地面积小、价格低廉等特点。在具体设计过程中，通过翻阅大量书籍，对扭矩测量并检验有了一定了解，同时积累了大量的设计资料，再加上查指导老师和同学门的热情帮助，基本上完成设计任务。由于设计内容为定扭矩电动扳手检验台设计，所以设计论文的重点内容为检验台机械结构设计与测试系统设计以及牵涉到其他的设计只作了理论上的简略设计说明。2、定扭矩扳手测量检验台总体设计本设计选用P18D24型定扭矩电动扳手，其额定扭矩为150Nm，控制精度为5%，电动扳手方头尺寸为1414mm，外形尺寸为37590135mm。因为本设计是关于机械测试方面，因此可以将检验台总体设计分为检验台机械结构设计和检验台测试系统设计。2.1、检验台机械结构设计从材料的经济性、满足零件的使用性、满足零件的工艺性等要求选择各零件的材料。根据电动扳手的外形尺寸初步设定检验台基体的总体尺寸，同时检测电动扳手时，为了防止电动扳手的振动还需设计一些防振措施。检验棒的设计不仅要选择合适的材料还要进行一些必要强度和刚度校核。2.2、检验台测试系统设计检验台测试系统的原理就是将应变片粘贴在检验棒上，通过电动扳手的扭转将产生的应变信号经过放大、滤波后，传递给A/D转换器，由A/D转换器将模拟量转换成数字量通过一种数字显示装置显示出来。通过显示出来的扭矩值与电动扳手的额定扭矩值进行比较判断此电动扳手是否合格。因为在市场上都可以买到放大器、A/D转换芯片、LED数码显示装置，因此在设计测试系统时只需要根据工作原理从适用性和经济性等要求选择合适的装置，同时还进行一些必要的计算，用来判断所选装置的合理性。其设计原理框图如图2.1所示：图2.1设计原理框图3、定扭矩扳手测量检验台机械结构设计3.1、零部件材料的选择依据机械零部件所用的材料是各种各样的，即使同一种零部件也可以选择不同的材料。因此，选择合适的零部件材料是零件设计的重要一环。（1）满足零件的使用要求。其中包括零件承受工作载荷的能力，主要从载荷的特点、强度及刚度等方面考虑；零件的工作条件（运动速度等）及工作环境（温度、潮湿、腐蚀等）；耐磨性、寿命、可靠性等要求；零件尺寸和质量的要求。（2）满足零件的工艺性要求。在熟悉材料的工艺性的前提下，根据零部件的结构复杂程度、尺寸大小、生产批量的大小、毛坯制造及机械加工的特点，分析比较，合理选择机械零部件的材料。对于结构复杂、尺寸大的零件，因难以锻造，宜采用铸造或焊接，所选的材料必须具有良好的铸造工艺性（液态流动性、收缩率、偏析及缩孔等），或焊接工艺性（焊接性、焊缝裂纹的倾向性等），同时零件的结构要适应铸造或焊接的要求。需要锻造的零件必须考虑材料的延展性、热脆性等。铸造、模锻、冲压等适用于零件的大批量生产，焊接、自由锻适用于单件或小批量生产。对于需切削加工的零件要考虑材料的宜切削性能及已切削表面的粗糙度等。热处理对改善材料的力学性能有很大的作用，必须根据零件的使用要求、尺寸大小、结构复杂程度及工艺要求，合理选择材料及热处理工艺。（3）材料的经济性。材料的经济性主要包括：材料的相对价格，同样能满足使用要求的前提下，应采用价格相对低的材料；考虑不同材料的加工（毛坯制造、机械加工及热处理等）成本；采用局部品质的原则，如蜗轮的齿圈用铜合金，轮芯采用铸铁或碳钢；材料的利用率，如采用无切削或少切削的材料及工艺；考虑材料的供应状况及储运成本。3.2、底座的设计3.2.1、底座材料选择本设计需要电动扳手放在检验台上,这就要求底座具有承受较大的压力和具有一定的消震作用,因此可采用抗压强度大,消震能力比钢大10倍的灰铸铁(选HT200)作为底座的材料。3.2.2、底座外形尺寸考虑到电动扳手的外形尺寸为37590135，当电动扳手放在检验台上时，为了保证扳手尾部不与底座产生干涉，同时综合考虑了检验台上其他部件尺寸，因此取底座的厚度为60mm，底座的长度和宽度是根据检验台上其他零件的尺寸最后确定的。因底座上设有固定电动扳手的V型块、电动扳手支座、支撑检验棒的支撑板，因此不易将这些部件与底座一同铸造出来，为了便于铸造可以单独铸造底座，同时可以在底座上开有大型槽，用沉孔螺钉将导向块固定在底座的槽中，导向块与槽之间采用小过赢配合，底座上的各个部件可以沿着导向块作轴向移动，然后将底座上的各个部件通过螺钉将其固定。这样各个部件不但易于装配，也保证了支撑检验棒的两支撑板之间具有良好的同轴度，提高了检测的精度。其底座外形示意图如图3.1所示：图3.1 底座外形示意图3.3、电动扳手支撑座设计由于在检测电动扳手的时候,电动扳手会因为电机的转动而产生振动,就会导致检测结果的不准确,这时就需要一种固定装置将电动扳手固定。根据电动扳手的形状，可设计两个V型块将电动扳手放入其中，并用一块压板将两V形块压紧。同时为了避免电动扳手尾部过重导致电动扳手的失稳，可以设计一个凸台将电动扳手的尾部托起，它们均用螺栓固定于底座上。根据电动扳手的外形尺寸确定V型块与尾部凸台之间的具体尺寸。其电动扳手在V型块中外形截面简图如图3.2所示：图3.2电动扳手在V型块中外形截面简图 3.4、测量检验台中检验棒的设计检验台包括三个部分：被测的弹性轴(即检验棒)、检验台底座、支撑、压紧结构。其中最重要的是弹性轴(检验棒)的设计，因为检验棒设计过细或过粗都会影响检测的结果。检验棒的设计必须考虑因疲劳强度不足而产生的疲劳断裂,因静强度不足而产生的塑性变形或脆性断裂、磨损、超过允许范围的变形和振动等失效的情况。因此，根据检验棒的工作条件、生产批量和经济性原则，选取适合的材料、毛坯形式及热处理。根据检验棒的受力情况、安装位置、配合尺寸及定位方式等具体要求，确定检验棒的合理结构形状及尺寸，即进行检验棒的结构设计。对受力大的细长轴和对刚度要求高的轴，还要进行强度和刚度计算。3.4.1、检验棒的材料选择为了便于检测出检验棒因扭转而产生的信号，把检验棒的材料选为弹簧钢,其中60Si2MnA就是一种弹簧钢的材料。这种钢加入了硅，故可以显著地提高弹性极限，并提高了回火稳定性，从而得到良好的力学性能。所以通过机械零件手册查出60Si2MnA弹簧钢的许用扭转切应力T= 480MPa3.4.2、检验棒的结构设计在满足强度、刚度和振动稳定性的基础上，根据检验棒的定位要求及棒的加工、装配工艺性要求，合理地定出检验棒的结构形状，其检验棒的结构形状如图3.3所示图3.3检验棒的结构形状3.4.3 检验棒的直径按扭转强度条件计算轴的直径轴的扭转强度条件为T= （1）式中：T 扭转切应力，单位为MPa T 轴所受的扭矩，单位为 Nmm WT 轴的抗扭截面系数，单位为mm3空心检验轴的抗扭截面系数可由式：=0.2d3（1-4） （2）式中: 即空心轴的内径d1与外径d之比，通常=0.50.6所以由式（1）、（2）得出检验棒的直径 （3）所以由式（3）得 =0.0119m12mm对于直径d100mm的轴，有一个键槽时，轴径增大5%7%，因此可得出轴的直径d12（5%7%）=12.612.84mm此时所求的轴的直径是最小直径，为了尽量满足轴的设计要求即轴的内径应大于电动扳手的方头尺寸，同时对轴的直径进行圆整，所以取轴的内径d1=20mm因取=0.5，所以轴的内径为d=20mm/0.5=40mm3.4.4、 轴的扭转刚度计算当检验棒受到扭力作用后，轴将出现扭转等变形。如果变形过大，超过允许变形范围，轴就不能正常工作，甚至影响检测效果。因此，对于有扭转刚度要求的轴，必须进行扭转刚度校核。扭转刚度校核计算产生的扭转角为，因此轴的扭转刚度条件为对于空心轴：其扭转角 （4）式中： 每米长的扭转角，单位为()/mT 轴所受的扭矩，单位Nmm G 轴的材料的剪切弹性模量，对于钢材，G=8.1104MPa IP 轴截面的极惯性矩，单位为mm4，对于空心圆轴，IP=(d4-d14)/32d1 空心轴的内径，d空心轴的外径，单位：mm所以由（4）式得出检验棒的扭转角 =0.31()/m对于根据轴的使用场合，对于一般轴，每米长的许用扭转角=0.51()/m， 所以可得出=0.31()/m，故轴的扭转刚度符合要求。3.5、键的设计在检验中需要使检验棒和工作台一起连接。通常键主要用来实现轴和轴上零件（如齿轮、带轮等）的周向固定以传递转矩。键是标准件，分为平建、半圆键、楔键和切向键等。键一般采用抗拉强度极限SB8101012121717222230303838444450键宽b键高h3344556687108128149键的长度系列L6，8，10，12，14，16，18，20，22，25，28，32，36，40，45，50，56，63因此由表3.1可选出键的尺寸为：键宽b键高h=128，键的长度L=50mm键与轮毂槽的接触高度k=0.58=4mm 键的工作长度l=50-12=38mm表3.2键联接的许用挤压应力表许用挤压应力联接工作方式键或毂、轴的材料载荷性质静载荷轻微冲击冲击p静联接钢1201501001206090铸铁708050603045由键、支撑板、检验棒的材料可知，支撑板的材料最弱，通过表3.2可知许用挤压应力p=（7080）MPa最后得出普通平键的强度为：由式（5）可知p=49.3MPap所以键宽b=12mm，键高h=8mm，键的长度L=50mm的平键符合设计要求。最终设计的键如图3.5所示:图3.5键的外形图3.6、压板上压紧螺栓设计由于电动扳手放入检验台上时，当电动扳手的一端插入检验棒中时，如果没有一种压紧装置将电动扳手的机身压紧，电动扳手就会产生振动，导致测量结果不准确。因此可以设计将电动扳手机身放入一个V型块上，同时用另一个V型块反向压在电动扳手的机身上，这时采用一压板就可以将上下两V型块中的电动扳手的机身进行压紧，所以就需要设计压板上压紧螺栓的尺寸。对承受预紧力和工作拉力的紧螺栓联接：螺栓的总拉力 （6）其中： F0 螺栓的预紧力 螺栓的工作拉力Cb/Cb+Cm 螺栓的相对刚度，金属垫片或无垫片时取0.20.53.6.1、螺栓工作拉力的计算电动扳手在V型块中的受力(剖面)图如图3.6所示：其中F1、F2、F3、F4是电动扳手所受的支持力f1、f2、f3、f4是电动扳手所受的摩擦力。 图3.6电动扳手在V型块中的受力(剖面)图由摩擦力计算公式：f=F 就可求出电动扳手所受的各个摩擦力，由机械零件手册中摩擦系数表，可查出电动扳手机身与V型块之间的摩擦系数=0.1，根据力矩平衡原理可得出，各个摩擦力所产生的力矩之和大于或等于电动扳手的额定扭矩，即： f1R+f2R+f3R+f4R1.3M （ 1.3 为安全系数 R 检验棒的半径 ）由f=F得F1R+F2R+F3R+F4R1.3M其中F1、F2、F3、F4均相等，所以：4F分R1.3M （7）所以由式（7）得 =1.3150Nm/40.140.510-3m=1.2104N取F分值的最小值1.2104N进行计算，所以F1=F2=F3=F4=1.2104N其电动扳手上方V型块受力图如图3.7所示图3.7电动扳手上方V型块受力图其中,分别为F3,F4的分力。 由力的平衡可知：，因此水平方向的分力相互抵消。力F5为竖直方向的各分力的合力，即：F5= 由力矩平衡原理可求出未知量的大小，即：L2=F5L1所以= F3COS450+F4COS450=21.2104NCOS450=1.7104N=F5L1/L2=1.7104N60mm/120mm=8.5103N3.6.2、螺栓预紧力F0的计算螺栓的预紧力 （8）Kn 可靠性系数，可取1.21.5T 轴所受的扭矩Z 螺栓的数量联接摩擦副的摩擦因数d 电动扳手的直径所以由式（8）得出螺栓的预紧力为=所以由4式得螺栓的总拉力=2.6104N+8.5103N0.2=2.77104N由紧螺栓危险截面的拉伸强度条件为 或 （9）式中： d 螺栓危险截面的直径 F 螺栓所受的总拉力 螺栓材料的许用拉应力其中螺栓联接件的许用拉应力按下式计算确定： = （10）式中： S 螺纹联接件的屈服极限 S 螺纹联接的安全系数由机械设计手册查螺纹联接的安全系数表和螺栓、螺柱、螺钉的性能等级表，取S=1.2，屈服极限S=320MPa最后由（9）、（10）式得出螺栓直径： = 320MPa/1.2=266.7MPa所以由机械零件手册查六角头螺栓的规格表，从中选用M16的螺栓。4、检验台测试系统设计4.1、扭矩测量原理旋转轴上的扭矩是改变物体转动状态的物理量，是力和力臂的乘积。测量扭矩的方法很多，其中通过转轴的应变、应力、扭转角来测量扭矩的方法最常用。也即根据弹性元件在传递扭矩时所产生物理参数的变化来测量扭矩。例如当弹性轴发生扭转时，在相对于轴中心线45方向上会产生压缩或拉伸力，如果在弹性轴上沿轴线的45或135方向将应变片粘贴上，当弹性轴受到扭转作用后，应变片产生应变，其应变量与扭矩M成线形关系。应变片的电阻值为60、120、200等各种规格，以120为最常用。应变片的展开布置图如图4.1所示图4.1应变片的展开布置图弹性轴的截面最常用的是圆柱形，但对于测量小转矩的弹性轴，考虑到便于检测出应变信号、抗弯曲强度、电阻应变片尺寸及粘贴工艺等因素，弹性轴多采用空心结构。无法用应变片来测量，但与转轴中心线45或135夹角方向上的主应力1和3的数值等于，即对于空心圆柱形弹性轴= （11）式中 G 弹性轴的弹性模量 d1、d 分别为空心转轴的内径和外径这样就可沿正负主应力1和3的方向贴应变片，测出应变即可知道其轴上所受的扭矩M。4.1.1、电桥选择本次设计中扭矩扳手的动力源为电动机等旋转机械,原动机输出的动态转矩通过弹性轴进行传递。因此扭矩的测量可以采用由电阻应变片组成的能精确测量各个桥臂微小电阻变化的惠斯登电桥。如图4.2所示：图4.2电桥电路该电路由电阻R1、R2、R3、R4组成4个桥臂,AC两点接供桥电压Ue，BD两点为输出电压Uo, 4个电阻值均为R。在未受载时,BD端的输出电压为= （12）若要使电桥输出为零，应满足：R1R3=R2R4 ，即为直流电桥的平衡条件。测试中常用的电桥连接形式有单臂电桥连接、半桥连接与全桥连接。其中全桥电路能保证应变片粘贴位置准确、应变片特性匹配，则这种装置既可放大电压信号输出,提高测量灵敏度,又可达到温度补偿和消除弯曲应力的目的。因此在沿轴45方向上分别粘贴有四个应变片，如果将其组成全桥电路，则可输出与扭矩M成正比的电压信号，而且这种接法可以消除轴向力和弯曲力的干扰。其全桥电路如图4.3所示：图4.3全桥电路若电桥的四个电阻中任何一个或数个阻值发生变化时，将打破上式的平衡条件，使电桥的输出电压Uo发生变化，测量电桥正是利用这一特点。 对于全桥的接法,受载后四桥臂的电阻均发生变化,分别变成R+R1、R+R2、R+R3、R+R4,根据式（12）可知，当R1=R2=R3=R4=Ro，R1=-R2=R3=-R4=R时，电桥输出为： 事实上，对于全桥电路，当R1=R2=R3=R4=R，且R1R1、R2R2、R3R3、R4R4时，由式（12）可得或综合上面两式可得出： （13）式中,S为工作应变片的灵敏系数,为应变值。通过电桥将电阻转化为电压变化后,再进行放大处理,最后利用标定的电压与扭矩之间的对应关系,即可测出扭矩的大小。综上,由式（11）、（13）可得出电压与扭矩之间的关系式: （14）所以可得出输出电压UO与扭矩M成线性关系。 实际上弹性轴和贴在其上的应变片组成了扭矩传感器。为了给旋转的应变片输入电压和从电桥中检测出信号，在整个检测系统中安装有集流环和电刷。通过此旋转元件(集流环，固定在转轴上)和静止元件(电刷，固定在机架上)的接触，将传感器所需的激励电压输入和检测信号的输出。4.2、放大电路的原理及设计检验棒上的应变片将非电量的应变转变为电压信号，但是这些电量信号一般都很小，而且信号的动态范围较大，往往还有很大的共模干扰成分，为此需要放大器对信号进行放大。为了保证测量精度的要求，放大电路应具有如下性能：1） 足够的放大倍数2） 高输入阻抗，低输出阻抗3） 高共模抑制能力4） 低温漂、低躁声、低失调电压和电流单个普通运放组成的前置放大器，往往在抗共模干扰能力、增益精度、时间和温度稳定性等指标方面不能满足要求。为了提高差分放大线性度和共模抑制比，常采用由三运放组成的测量放大电路，他们的原理图如图4.4所示。图4.4三运放测量放大电路该放大器是一种高性能差动放大器，整个电路由两个对称的同相放大器A1、A2构成第一级，因此输入电阻很高。差动放大器A3构成第二级，两边电阻对称，可以消除远距离测量时的共模干扰。同时当A1、A2输出端上产生的漂移电压对称时，在A3输出V0中也被消除。因此该电路具有很高的抗共模干扰能力和较低的输出漂移电压，取R1=R2，R4=R6，R5=R7。设A1、A2、A3均为理想集成运放，则Vi1=V4，Vi2=V5， 故有： 由上两式联立得 因为 所以总上可得出输出方程为： 当R5=R4时，其放大倍数 因此该三运放结构的放大器比一般的差动比例放大器具有更高（高1+2R1/Rg倍）的共模抑制比，因而具有更好的抗干扰和低漂移性能。同时从上式可知，改变Rg即可改变AV，故Rg常做成可调。Rg称为这种集成仪用放大器的增益调节电阻。仪表放大器常采用三运放结构，对应变信号转变为电压信号进行精密放大，同时抑制共模干扰成分，提高信号质量。其中AD522是典型的一个集成仪用放大器。 AD522可以在环境恶劣的工作条件下进行高精度的数据采集,它线性好,并具有高共模抑制比,低电压漂移和低噪声的优点。其引脚图如图4.5所示：图4.5 AD522引脚图AD522具有高线性高共模抑制比。其中放大倍数在100时，非线性仅为0.005%，共模抑制比大于120dB。引脚1、3为高阻抗输入端，引脚2和14用来外连增益调节电阻RG，调节RG可使放大器闭环增益AV在1至上千欧范围内改变。引脚7为输出端，引脚4和6用来调节放大器零点，引脚12为检测传感端，引脚11为参考端。当引脚12和输出端7相连，参考端与电源公共端相连时，则在输出端与公共端之间得到输出电压VO。13脚为屏蔽端，用于连接信号引线的屏蔽网，以减少外电场对输入信号的干扰。输出电压VO为： （15）为了便于测量，使AD522的输出电压V0随扭矩M以10mV/Nm的灵敏度变化，因此由式（14）、（15）可得出AD522的输出电压V0与扭矩M的关系为：所以 式中 G 为弹性轴的弹性模量，最后得出增益调节电阻值所以只要调节AD522的增益电阻值为127.5时，就能保证输出电压V0随扭矩M以10mV/Nm的灵敏度变化。如当M=150Nm时，经AD522放大后的电压V0=1500mV=1.5V图4.6为AD522与电桥的连接图其中电桥由带有扩流的运算放大器AD7415J恒定(12V)供电，输入由精密参考电压AD581(10V)提供。扩流电阻中串有10电阻，用以短路时起限流作用。图4.6 AD522与电桥的连接图4.3、滤波器的原理及设计通常被测信号是由多个频率分量组合而成的，而且在检测中得到的信号除包含有效信息外，还含有噪声和不希望得到的成分，从而导致真实信号的畸变和失真。所以希望采用适当的电路选择性地过滤掉所不希望的成分或噪声。滤波器便是实现上述功能的手段和装置。根据滤波器的选频方式一般可将其分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器以及带阻滤波器四种类型。低通滤波器允许在其截止频率以下的频率成分通过而高于此频率的频率成分被衰减；高通滤波器只允许在其截止频率之上的频率成分通过；带通滤波器只允许在其中心频率附近一定范围内的频率分量通过；带阻滤波器可将选定频带上的频率成分衰减掉。本设计中，把检验棒经电动扳手扭转后产生微弱的信号经过放大后，由于其干扰信号高于其截止频率，因此需要将输入信号中的高频干扰信号去除或大幅度衰减，让有用的低频信号充分保留，因此通过对以上各类型滤波器比较，选用低通滤波器。其幅频特性图如图4.7所示：其中：fC2为截止频率，即幅频特性 值等于A0/（即-3dB）时所对应的频率点。图4.7幅频特性图最基本的是一阶有源低通滤波器，其中图4.8中输入信号接在滤波电路的同相输入端，图4.9中接在反相输入端，两种情况均为一阶滤波。其频响特性为： 图4.8 图4.9 一阶有源低通滤波电路对图4.8电路 G(j)= 式中 0一阶滤波器的截止频率，0=1/RC AV滤波器的电压增益，AV=1+Rf/R1对图4.9电路G(j)=式中 0=1/RfC ；AV=Rf/R1这类滤波器的特性并不理想，当ff0（f0=0/2）时，其幅频响应衰减不快，仅为-20dB/十倍频程，这会导致滤波不干净。因此为了进一步改善滤波性能，可采用二阶或高阶有源低通滤波电路。 一般说，高阶滤波器的滤波性能优于低阶滤波器，其陡度（对通带之外频率干扰信号的抑制程度）高于低阶滤波器。下面介绍一种集成有源滤波芯片，由美国MAXIM公司生产的MAX29八阶低通滤波器，该滤波器在传感器测量、数字记录仪、应变计中得到广泛应用。该滤波器可以单或双电源应用。只要选择适当的时钟频率送入该集成电路的CLK端，即可达到滤波的目的。也可以使用内部振荡器，在CLK端对地接一个合适的电容器达到同样的目的电容器按式，fX为该滤波器的转折频率。由于本次测试属于静态测试，因此该滤波器的转折频率非常小，我们可以取5Hz，所以由得出CLK端对地接的电容器的电容为6666.7pF。图4.11为MAX29的引脚排列图CLK：时钟输入端 V-：负电源V+：正电源 GND：接地端IN：信号输入端 OUT：信号输出端OPIN：独立运放输入端OPOUT：独立运放输出端 图4.11 MAX29的引脚排列图图4.12是该集成滤波器的典型应用，图中使用单电源，C为电源退耦电容，R为分压电阻，使GND端处电源中点电平。因不用内置运放，将OPIN和OPOUT短接。图4.124.4、A/D转换器原理及选择A/D转换器的任务是完成模拟信号到数字信号的转换。常用的有积分型、逐次逼近型、并行比较型A/D转换器。为了满足多种需要，根据这些转换方法，国内外生产厂家设计生产出了多种多样的A/D转换芯片，仅美国AD公司的ADC产品就有几十个系列，近百种型号之多。其中双积分式A/D转换器精度高,抗干扰性强,一般用于精度要求高而速度要求不高的场合,例如测量仪表中最常用的A/D转换器就是双积分式A/D转换器。尽管A/D转换器的品种、型号很多，性能和功能也各不相同，但从使用角度看，无论何种A/D芯片，都应包括以下四种基本信号引脚端：1） 模拟信号输入端（单极性或双极性）2） 数字量输出端（串行或并行）3） 转换启动信号输入端4） 转换结束信号输出端CC14433是将模拟电路和数字电路集成在一个芯片内的双积分A/D转换器，它具有功耗低、精度高等特点，它采用BCD码输出，读数直观，被广泛的应用在各种数字仪表之中。CC14433的引脚排列如图4.13所示：图4.13 CC14433的引脚排列由图可知CC14433为24线双列直插式封装，各引脚端的应用特性如下：芯片工作电源+5V+8V，-8V-2.8V。正电源接Udd端，负电源接Uee端，两者公共接地端为Uss。基准电压接入Uref端。其接地端为Uag。基准电压一般由专用稳压电路提供+2V或+200mV的精准稳压电源。被测信号由Ux端引入，其接地端为Uag。由于芯片内部具有自动极性转换功能，故正极性或负极性电压均可输入，被测电压量程为1.999V或199.9mV。外接振荡器电阻RCLK接入CLK1和CLK0端，RCLK的典型值为300K，此时时钟频率fC为66kHz，时钟频率随RCLK增加而下降。外接积分电阻接入R1、R1/C1端，外接积分电容接入R1/C1、C1端。当时钟频率fC=66kHz时，积分电容通常取0.1F，在量程为2V时，积分电阻R1=470 K；量程为200mV时，R1=27 K。失调补偿电容C0接入C01、C02端，C0典型值为0.1F。转换周期结束标志由EOC端输出，每当A/D转换结束，EOC端输出一个宽度为1/2时钟周期的正脉冲。过量程标志由输出，当时端输出低电平。更新转换结果输出的控制端为DU。当DU与EOC连接时，每次A/D转换结果的输出都被更新。首先，EOC端发出一个正脉冲，接着多路开关DS1DS4依次选通，选通脉冲DS1DS4控制转换结果Q3Q0，以BCD码形式分时按千、百、十、个位次序送出。具体为当DS2、DS3、DS4选通期间，Q3Q0分时输出百位、十位、个位的BCD码数。但在DS1选通期间，输出端Q3Q0除了表示千位数0或1外，还表示了转换结果的正负极性，输入信号是欠量程还是过量程（过量程是指输入过大使计数值超出1999，欠量程是指输入过小使计数值小于180）。其规定如表4.1所示：表4.1 DS1选通时Q3Q0表示的输出结果DS1Q3Q2Q1Q0输出结果状态110千位数为0100千位数为1110输出结果为正值100输出结果为负值101输入信号过量程111输入信号欠量程在一个转换周期内Q3Q0重复输出同一转换结果高达200次以上（即DS1DS4周期约为80TC），经过约16400TC后EOC再次发出一个正脉冲标志前次转换结果的输出结束，开始新的转换结果输出。每个选通脉冲宽度为18个时钟周期，相邻选通脉冲之间间隔为2个时钟脉冲，图4.14给出CC14433的选通脉冲时序图。图4.14 CC14433选通脉冲时序由于本A/D转换器CC14433采用的模拟电压输入量程为1.999V,且CC14433采用字位动态扫描BCD码输出方式，即千、百、十、个各位BCD码轮流在Q0Q3端输出，同时在DS1DS4端出现同步字位选通信号，4位计数器表示的计数值从01999，所以每一位对应值为当扭矩M=150Nm时，由放大器放大后输出电压V0=1.5V，所以此时的数字量为用BCD码表示为1500=0001 0101 0000 0000图20为AD522与模数转换器CC14433的连接图从图4.15可以看出应变片与弹性轴组成的扭矩传感器将采集的信号送入AD522的1、3引脚，AD522对信号放大150倍后，从引脚7输出送到A/D转换器进行转换。图4.15 AD522与CC14433的连接图4.5、显示电路设计该显示电路由CC14433A/D转换器、驱动LED的译码显示器CC4511和位选择驱动器CC1413组成。4.5.1 CC4511译码器CC4511译码器内有四位锁存器、七段译码器以及驱动器，其驱动电流可达25mA，它的结构框图和CC4511译码器的印脚排列图如图4.16所示： CC4511译码器结构框图 CC4511译码器引脚排列图4.16CC14433的BCD码输出Q0Q3接至CC4511的A、