基于应变式传感器的扭矩检测系统设计

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1、摘要近年来,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

2、对于其他检测方式精度高而且操作方便。关键词：应变式传感器 扭矩测量 电桥44 / 47目 录摘要1第一章绪论11.1 引言11.2 课题的研究背景与来源11.2.1 课题研究背景11.2.2 课题研究来源21.3 扭矩测量发展现状及扭矩检测的几种方法21.3.1 扭矩测量的发展现状21.3.2扭矩测量的几种方法41.3.3扭矩测量的发展前景61.4 课题研究的容和方法61.4.1 课题研究容61.4.2 课题研究方法7第二章检测装置的基本原理和总体方案82.1引言82.2检测装置整体系统框图82.3电阻应变片及扭矩测量的基本原理：82.3.1电阻应变片的基本原理82.3.2扭矩测量的基本原理1

3、02.4各部分功能介绍122.5方案论证13第三章扭矩传感器的设计143.1引言143.2 应变片的选用143.3弹性敏感元件设计153.4 扭矩传感器的硬件结构153.4.1 弹性轴材料的选择和确定163.4.2 联轴器的选用173.4.3导电滑环及滑臂电刷的选用18第四章扭矩检测系统各部分电路的设计204.1引言204.2电桥电路204.2.1电桥电路的选用204.2.2 电桥电路的精度误差分析234.3放大电路的设计及硬件选用234.3.1放大电路的设计234.3.2 放大电路的误差分析264.4低通滤波电路的设计274.5 A/D转换电路的设计284.6单片机电路及硬件选取314.7

4、LCD显示电路及硬件选取324,8 硬件的抗干扰措施35第五章软件部分简介375.1引言375.2主程序包含的各部分模块的定义及功能395.3 数据处理子程序395.4 LCD显示部分39结束语41致42参考文献43附录系统总电路图44第一章绪论1.1 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

5、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

6、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。1.2 课题的研究背景与来源1.2.1 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

7、。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

8、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。1.2.2 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,

9、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。1.3 扭矩测量发展现状及扭矩检测的几种方法1.3.1 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

10、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

11、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

12、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

13、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。1.3.2扭矩测量的几种方法磁致伸缩式扭矩传感器。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

14、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。在一定围,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。光电式扭矩传感器。美国NASA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

15、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。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,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；

16、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。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围广,能测量

17、瞬时扭矩及起动扭矩,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。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。电感变压器耦合传输在电源输入上,利用电感耦合机理,将

18、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。.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

19、得极小,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。1.3.3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； 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

20、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。1.4 课题研究的容和方法1.4.1 课题研究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

21、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：扭矩测量围:0200 Nm,转速适用围：0200rpm。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%1.4.2 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

22、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。第二章检测装置的基本原理和总体方案2.1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。2.2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A/D转换电路低通滤波电路液晶显示51单片机测量放大电路信号采集电路图2-1 检测装置整体系统框图2.3电阻应变片及扭矩测量的基本原理：2.3.1电阻应变片的基本

23、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；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

24、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、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。

25、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。2.3.2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

26、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-轴径mm；M-扭矩；-轴材料泊松比；E-轴材料弹

27、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： 2-6 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。2.4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

28、较高的灵敏度。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80120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。4A/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

29、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。2.5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。第三章扭矩传

30、感器的设计3.1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。3.2 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

31、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

32、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：3.210-6S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

33、积小、重量轻、安装方便,便于传感器机械安装机构的设计。3.3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。3.4 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。3.4.1 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

34、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= 式中, F扭轴横截面上的最大剪应力转轴横截面的抗扭极矩M轴所受最大扭矩；D实心扭轴直径。经查相关资料可以计算出 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

35、时,可查得45#钢的极限应力为294 N/,带入式3-1,得：D=17.2mm2当被测材料为40Cr钢时,可查得785 N/,带入式3-1,得：D=12.4mm3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=14.1mm4,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。3.4.2 联轴器的选

36、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

37、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

38、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/T7846.2-95弹簧管联轴器 WS、WSD型十字轴式万向联轴器/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

39、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

40、,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3.4.3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

41、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

42、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 5003000 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 ,

43、 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：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。采用贵金属合金单丝,如AuNi9等。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。第四章扭矩检测系统各部分电路的设计4.1引言基于应变式传感器的扭矩检测系统的硬件电路按功

44、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。4.2电桥电路4.2.1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

45、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： 4-12 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-轴径

46、mm；-圆周率；K-应变片的灵敏系数；-输出电压；输入电压。4.2.2 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

47、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4.3放大电路的设计及硬件选用4.3.1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

48、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围为2.428V0.133V,而在本系统中A/D的输入电压围为0V5V时才能使精度达到最高,因此需把2.428V0.133V电压放大到0V5V的围,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,

49、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

50、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单位MIN MAXMIN MIN电源电压,VDD2.2 82.2 8 V输入电压围,V1VDD- VDD+1.5VDD- VDD+1.5V共模输入电压,VICVDD- VDD+1.5VDD- VDD+1.5V工作环境自然通风,TA0 70-40 125 输入输出关系,由V= +4-14=+4-15可得4-164-17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,4-194.3.2 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

51、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。4.4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

52、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。由于要求输出电压围为0V5V因此选择TLC2252作为该滤波器的运放。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 /,品质因数Q=1/,其传递函数为：4-20对于本系

53、统R=10k,C0.01uF,因此特征角频率为10kHz,又因为通带电压增益=13则此低通滤波器系统是稳定的。4.5 A/D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

54、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部结构其主要引脚的功能说明如下：1IN7IN0：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,电压围05V,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。2ADDA、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。3ALE：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。4START：转换启动信号。在START上升沿时,所有部寄存器清零；S

55、TART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。5D7D0：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。6OE：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,输出数据线呈高阻；当OE=1输出转换。后的数据。7CLK：时钟信号。ADC0809的部没有时钟电路,所需时钟信号由外部提供,因此有时钟信号引脚,通常使用频率为500kHz的时钟信号。8EOC：转换结束状态信号。当EOC=0时,正在进行转换；当EOC=1,转换结束。在实际应用中该状态信号既可作为查询状态的标志,又可作为中断请求信号使用。Vref：参考电压。参考电

56、压用来与输入的模拟信号进行比较,作为逐次逼近的基准,其典型值为5VVref=+5V,Vref=0V。ADC0809与MCS-51系列单片机的硬件接口有三种方式：中断方式、查询方式和等待延时方式。在本系统中采用查询方式,因此ADC0809与AT89C51的接口电路如图3.4所示ADC0809应用说明1 ADC0809部带有输出锁存器,可以与AT89S51单片机直接相连。2初始化时,使ST和OE信号全为低电平。3送要转换的哪一通道的地址到A,B,C端口上。4在ST端给出一个至少有100ns宽的正脉冲信号。5是否转换完毕,我们根据EOC信号来判断。图4-6 是ADC0809与51单片机接线方法图4-

57、5 ADC0809部结构图4-6 ADC0809与51单片机接线ADC0809的OUT1OUT8口接单片机的P0.0P0.7口,负责将转换完毕的8位数字信号传输给单片机。ADDA、ADDB、ADDC分别接在P3.4、P3.5、P3.6口,以选通IN0IN7中的一个通道。ALE接P3.7,给高电平时,地址锁存与译码器将A,B,C三条地址线的地址信号进行锁存,经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。START接P2.6,START为转换启动信号。当单片机给START一个上跳沿信号时,所有部寄存器清零；给一个下跳沿信号时,开始进行A/D转换；在转换期间,ST应保持低电平。EOC接P3.2,。E

58、OC为转换结束信号。当EOC为高电平时,表明转换结束,单片机可以接受数据；否则,表明正在进行A/D转换。OE接P2.6,OE为输出允许信号,用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE1,输出转换得到的数据；OE0,输出数据线呈高阻状态。当转换开始时,单片机给START一个脉冲信号,ADC0809开始将模拟信号转换为数字信号。当转换完成后,EOC发出一个高电平给单片机。单片机将OE改为高电平,并从OUT1OUT8读取数字信号。4.6单片机电路及硬件选取单片机共有十几种芯片,表4.1列出了比较典型的几种芯片的型号及它们的主要性能指标。子片ROM形式片存储容量片外寻址围I/O特性：表4.

59、1 MCS-51系列单片机部分芯片型号对照表子系列片ROM形式片存储容量片外寻址围I/O特性中断源无ROMROMRAMEPROMRAM计数器并口串口51803180514KB128B64KB64KB2*16位4*8位1580C3180C514KB128B64KB64KB2*16位4*8位1552803280528KB256B64KB64KB3*16位4*8位16MCS51单片机可分为51和52两个子系列,并以芯片型号的最末位数字作为标志。其中8x51是基本型,8x52是增强型。采用HMOS工艺的基本型8x51,片集成有8位CPU,4KB ROM8031片无ROM,128B RAM,两个16位定

60、时/计数器,一个全双工串行通信接口UART,拥有乘除运算指令和位处理指令。采用CHMOS工艺的基本型8xC51,有三种功耗控制方式,能有效降低功耗。增强型8x52,与8x51不同的是片ROM增加到8KB,RAM增加到256B,定时/计数器增加到3个,串行接口的通信速率快了6倍。目前比较常见的ATMEL89C51系列单片机,也采用CHMOS工艺,其片含有4KB可编程、擦除只读存储器FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory,使用高密度、非易失存储技术制造,并且与80C51系列的引脚和指令系统完全兼容。芯片上的FPEROM允许在线编程或采用通用的非易失存储编程器对程序存储器重复编程因而89C51的性价比远高于80C51。本系统使用的是新型AT89C51系列单片机的D版本芯片,AT89C51系列单片机的特点有：1增强型6时钟/机器周期,12时钟/机器周期8051 CPU。2工作电压：5.5V-3.4V。3通用I/O口32