光栅转矩测量系统总体设计文献综述.doc

嘉兴学院毕业设计（论文）文献综述题目：光栅转矩测量系统总体设计 学院名称：专业班级：学生姓名：1前言部分使机械元件转动的力矩称为转动力矩，简称转矩。转矩可分为静态转矩和动态转矩。机械元件在转矩作用下都会产生一定程度的扭转变形，故转矩有时又称为扭矩。转矩是各种工作机械传动轴的基本载荷形式，与动力机械的工作能力、能源消耗、效率、运转寿命及安全性能等因素紧密联系，转矩的测量对传动轴载荷的确定与控制、传动系统工作零件的强度设计以及原动机容量的选择等都具有重要的意义。转矩是旋转动力机械的重要工作参数，它关系到机械设备的寿命和安全性，对改进和提高机械性能以及实现自动检测、自动控制都有重要作用。另外，准确地、实时地测出转动轴的转矩，对于及时发现传动系统中存在的故障隐患也具有非常重要的意义。转矩测量系统工作时，一般是先通过传感器采集转轴的负载转矩信号，该信号经过滤波、整形、放大后进入FPGA进行数字信号处理，再通过单片机进行数据处理，最终通过显示设备将负载转矩值显示出来。转矩测量仪器是最常用的仪器。传感器是将物理、化学、生物等自然科学和机械、土木、化工等工程技术中的非电信号转换成电信号的换能器。传感器作为转矩转速测量仪器的核心部分，决定着仪器的主要性能指标扭【1】。矩测量是传动线路中的重要内容之一，高精度、高稳定性的扭矩测量方法是当今各国机械测量研究的热点之一【2】。在众多的转矩测量方法中，转角式测量方法是最常用的一种，即通过弹性扭轴把转矩转化为转角，通过光电、磁电等方法测量角度这种测量方法分为光电式和电磁式，电磁式测量方法由于实现复杂目前已逐渐被结构简单、精度较高的光电式所替代另外，光电式方法还具有不受电磁场干扰的特点【3】。目前使用最理想的一种转矩传感器是电磁式转矩传感器，基于把传感轴两端的扭力应变扭角直接转变成电信号,所以,精度较高,不仅能测量静态平均转矩,而且能测量动态平均转矩,。但是,由于这种传感器结构复杂,机械加工要求高,所以,测量系统成本高,一般只作为标准测量用。2主题部分转矩传感的发展可追溯到上世纪三四十年代，转矩传感器是测量各种电动机、内燃机以及旋转动力设备的输出扭矩及功率的必备设备, 从上世纪三四十年代发展至今已有数十种产品, 从最初的光学机械变形类发展到电磁感应类、相位差类, 到现在应用最广泛的应变测量类【3】。转矩可分为静态转矩和动态转矩。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、缓变转矩和微脉动转矩。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。根据转矩的不同情况，可以采取不同的转矩测量方法。转矩的测量对传动轴载荷的确定与控制、传动系统工作零件的强度设计以及原动机容量的选择等都具有重要的意义。因此国内外不少学者均对其进行了深入研究，基于目前国内的研究情况，可以作以下概述：1）电阻应变式转矩测量技术研究。一般在扭转轴上按与轴线成规定的方向粘贴4片电阻应变片，组成应变电桥。当扭转轴受转矩而产生扭转变形时，各应变片的阻值即随之发生变化，电桥输出的不平衡电压与转矩成比例。即转轴在测量中是连续旋转的，所以应变电桥的供电和信号输出需要用滑环、电刷或旋转变压器、无接触信号传输器等。贴片区域具有足够大且均匀恒定的应变，而弹性体本身强度应在许用强度范围内，同时传感器需在轴向上具有一定的强度，降低轴向压力对扭矩输出的影响【5】。这种仪表能测量静态和动态转矩，测量精确度一般，并且容易受环境影响，所以现在基本被其它传感器取代。2）磁电相位差式转矩测量技术研究。这是一种适合于舰艇工作环境的在线转矩测量仪。这种测量技术测量精度高，转速范围大，结构简单、可靠，无需外加电源而有较强的输出信号，对工作环境要求不高，不易受到干扰，能在一2O+60。C的环境温度下正常工作【7】。两个相同的铁质齿轮分别固定于扭转轴的两端。在每一齿轮的上方各装有一只磁电式检测器。磁电式检测器内有小圆柱形磁钢，磁钢外周绕有线圈。当扭转轴转动时，由于磁钢与齿轮间气隙磁导的变化，在线圈中产生接近正弦波的电信号；当扭转轴转动而未加转矩时，两个检测器产生具有初始相位差（装配所引起）的两个电信号；当扭转轴转动且加转矩时，两个电信号的相位差发生变化。相位差的变化量与所加的转矩值成正比。用电子装置将相位差信号转换为脉冲数，输入电子计数器而显示转矩值。这种方法有着较高的精确度，不仅可以测量静态平均转矩，还可以测量动态转矩。但是这种方法对机械加工过程要求比较高，所以成本会略高。3）螺管形差动变压器的非接触式扭矩传感器研究。这种方法实现了传感器的非接触，避免了接触式传感器的一些致命弱点，并且有着比较高的测量精度和稳定性。这种方法是通过差动变压器来搭建的，差动变压器的弦铁内有一凹槽，而转轴上有一突块。当转轴旋转时，凸块在弦铁的凹槽内滑动，这时差动变压器的输出电压也随之变化，两者之间的关系可由函数表达，即通过线圈组合磁耦合进行电压测量，即可实现扭矩测量【8】。此种方法虽然精确度比较高，但传感器结构复杂，在有磁场的工作环境中会大大降低测量精度。4）振弦式转矩测量传感器研究。两个具有凸台的卡环安装在传动轴上相距一段距离的位置，在两对凸台间装有两根有一定拉紧力的振弦。当传动轴受转矩时，一个振弦伸长，而另一个振弦缩短。两个振弦式传感器将振弦的伸长和缩矩量转换为两个电频率信号。滑环、电刷或旋转变压器、无接触信号传输器将两个信号输入电子装置，以显示或打印出转矩值。这种仪表一般用于测量直径为50750毫米转轴所传递的传矩，测量精确度一般。5）三磁极差动压磁式逆磁致仲缩传感器的研究。这种方法采用一个三极铁心，中间一个为励磁极，两边的为检测极，两边完全对称并且所绕线圈相同但反向连接。当励磁线圈接通具有一定频率的交流电时，便在励磁磁极上产生了交变磁通。磁通被平均分成两个相等的部分 ，并穿过与被测表面的间隙，进入被测材料内部，再通过两个检测磁极回到励磁磁极，形成两个封闭的磁回路【9】。当扭轴没受力时，轴表面各处磁通相等，所以两个检测极磁通相互抵消，传感器输出电压为零。当扭轴受力时，两个检测极磁通不相等，传感器输出一个电压。可以计算出感生电压与扭力的关系。此种方法结果简单，输出功率大，能在恶劣环境下工作。但是其灵敏度不高，特别是载荷比较小时，并且同意受磁场影响。6）光栅转矩测量系统的研究。这是一种精度较高、结构简单的新型传感器，主要由两对完全相同的光栅、光电发射管和光电接收管构成。两对光栅片分别套在转轴的两端，光电发射管和光电接受管分别固定在光栅两侧，并在同一条直线上。一对的两片相对运动则光电接受管的输出端输出一个交流信号波形。光栅转轴没有应变时，两队光栅产生的波形有一相位差，当转轴产生应变时，两队光栅产生一个增大的波形相位差。前后两个相位差的差值与转轴应变扭矩角成正比，由此可求出转矩。总的来说以上传感器可以分成两大类，即光电式和磁电式。都是通过使用这两大原理通过不同方法实现信号的采集。通过比较可知，不同的测量方法有着各自的优缺点，但它们都一个共同点，就是都需要对检测信号进行处理才能得出结果。不同的是它们各自适合的工作环境不尽相同，有些适合在没有磁场或磁场比较弱的环境中，有些适合工作在温度变化不太大的环境下，还需要考虑传感器的体积和价格，所以选择转矩传感器的时候要根据实际情况来考虑。3总结部分转矩传感器从上世纪三、四十年代发展到今天已经经历了七、八十年，传感器的各个方面都有了很大的发展，但是时至今日我们依然在探索新的转矩测量方法，因为我们不满足于现在的各种测量仪器的性能，我们需要结构更加简单，精确度更高，功耗更低，对工作环境要求不高的新型传感器。这是由于我们想要更加精确，更加容易得知道电机的输出转矩。传动系统转矩值的测量直接客观地反映了传动轴的工作情况，以大量实测数据为基础，通过比较分析可以看出整个传动系统是否工作在正常、稳定的工作状态，对正确掌握使用设备，避免重大设备事故的发生具有现实意义【10】。根据一个确切的转矩我们可以选择合理的传动系统零件和原动机的容量，这会使整个机械的造价趋于合理。现代社会计算机是人们必不可少的工具，它有着许多优点。计算机与测量仪器的结合，可对仪器的数据进行现场记录、整理、加工和分析，显著的提高仪器的工作效率和质量。转矩传感器更加需要与计算机紧密的结合，因为传感器的测得的信号需要计算机处理才能显示转矩的大小。并且原动机的转矩输出不是恒定不变的，会有微小的变化，这些微小的变化如果不即时调整好可能会给产品质量产生影响。转矩传感器与计算机结合后，计算机可以通过传感器测得的转矩有没有偏离正常值反馈给原动机，原动机通过计算机的反馈调节转矩的输出保持在正常值，这就是所谓的闭环控制。转矩矩测量装置正由静态测试向动态测试方向发展，由测应变后间接换算应力向直接测应力方向发展，整个测试系统向小型化、数字化、实时化、智能化方向发展，进而与动力装置的控制相结合，达到转速、扭矩、输出功率之间的优化配合，从而节约能源使机械设备工作在最佳状态【11】。数字化、智能化是当代各种机械、电子产品是否高级的标准，智能化使得我们身边的各种设施更加人性。智能传感器应具有以下特点：1 ) 自补偿功能；2) 自计算和处理功能；3) 自学习与自适应功能；4) 自诊断功能；5) 其它的常用功能。智能传感器已广泛应用于航天、航空、国防、科技和工农业生产等各个领域中【12】。转矩传感器作为一种仪器仪表，也将朝着这个方向发展。4参考文献【1】 余以道，罗善明，王晓秋，王建，高速光电式转矩传感器的测量原理与动态特性分析，仪表技术与传感器，2009年第5期；【2】 陶红艳，余成波，徐 霞，李恭琼，基于压电式扭矩传感器的研究，压电与声光，第2 8卷第2期2006年4月；【3】 金远强，杨乐民，刘丽华，李鹏生，数字式光栅转矩测量系统的研究哈尔滨师范大学自然科学学报，第21卷第4期；【4】 冯浩, 刘玉军, 陈国定，光栅转矩测量系统的研究，浙江工业大学学报，100624303 (2002) 0220160204；【5】 陈柯行, 王刚，转矩转速传感器的发展与研究，航空计测技术，100226061 (2003) 0620005203；【6】 王小龙，李代生，季立江，王莹，基于LabVIEW 的高精度扭矩测试系统，仪表技术与传感器，2007矩第11期。【7】 欧大生，张剑平，秦建文，磁电相位差式转矩测量技术研究，电子测量技术，第30卷第4期；【8】 余成波，张 莲，陈学军，翟 峰，螺管形差动变压器的非接触式扭矩传感器研究，仪器仪表学报，第27卷第