传感器测传动轴扭矩转速课程设计.docx

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传感器测传动轴扭矩转速课程设计

传感器测传动轴扭矩转速课程设计

设计说明书

学院：

机电工程学院

班级：

机械工程及自动化0902班

学号：

40902010226

姓名：

张涛

时间：

2013年1月8日

1.设计题目要求与分析----------------------------------------------1

1.1设计题目--------------------------------------------1

1.2设计分析与要求--------------------------------------1

2.扭矩测量及应变片的原理------------------------------------------2

2.1应变片式传感器的原理及结构--------------------------2

2.2扭矩测量的基本原理----------------------------------3

3.总体方案的确定--------------------------------------------------5

3.1检测装置整体系统框图-------------------------------5

3.2各部分功能的介绍-----------------------------------5

3.3方案论证-------------------------------------------6

4传感器的设计----------------------------------------------------7

4.1传感器类型的选择-----------------------------------7

4.2传感器结构设计及结构图-----------------------------7

4.3静动态扭矩传感器设计计算原理-----------------------8

4.4圆管形扭矩传感器的静校方法-------------------------8

5扭矩检测系统各部分电路的设计-----------------------------------10　

5.1引言-----------------------------------------------10

5.2电桥电路-------------------------------------------10

5.3放大电路的设计及硬件的选用-------------------------11

5.4低通滤波电路的设计---------------------------------14

5.5A\D转换电路的设计---------------------------------15

5.6单片机电路及硬件选取-------------------------------19

5.7LCD显示电路及硬件选取-----------------------------20

5.8硬件的抗干扰措施-----------------------------------24

6软件部分简介--------------------------------------------------25

6.1引言----------------------------------------------25

6.2数据处理子程序------------------------------------27

6.3LCD显示部分--------------------------------------27

7精度误差分析--------------------------------------------------29

8结束语--------------------------------------------------------30

9参考文献------------------------------------------------------31

附录一系统电路总图---------------------------------------------32

1设计题目要求与分析

1.1设计题目：

设计一个可测静动态扭矩的传感器及扭矩仪。

1.2设计分析与要求

（1）、既可以测量静止扭矩，也可以测量旋转转矩；

（2）、既可以测量静态扭矩，也可以测量动态扭矩；

（3）、检测精度高，稳定性好；抗干扰性强；

（4）、体积小，重量轻，多种安装结构，易于安装使用；

（5）、不需反复调零即可连续测量正反转扭矩；

（6）、使用条件：

转矩测量仪一般用在机器之间的传动轴上，所以振动大，灰尘、油雾、水污比较多，故要求传感器封装在一起，只留下两个轴端在外面；工作温度在-20~150。

2扭矩测量及应变片的基本原理

2.1应变片式传感器的原理及结构

应变计的转换原理基于应变效应。

所谓应变效应是指

属丝的电阻值随其变形而发生改变的一种物理现象。

由物理

学可知，金属丝酌电阻值R与其长度L和电阻率ρ成正比，

R=ρL/A

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（或覆盖层）、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。

应变计的结构如下：

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。

2.2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。

如图2-2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2-2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2-3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2-3电阻应变片全桥电路

3总体方案的确定

3.1检测装置整体系统框图

检测装置整体系统框图如图3-1所示

图3-1监测装置整体系统图

3.2各部分功能介绍

图3-2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，很小的非线性和较高的灵敏度。

（2）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80～120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。

（4）A/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。

3.3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。

4传感器的设计

4.1传感器的选择

一般的应变式动态扭矩传感器主要是集流环式,它的主要结构是传感器中间有一根回转.运动的扭力轴,并且在扭力轴上贴有应变片。

为了将应变信号输出,碳刷集流环方式信号输出的动态扭矩传感器往往采用碳刷与集流环形式,将应变信号从运动的扭力轴传送到固定的外壳上的碳刷集环方式信号输出的动态传感器。

由于集流环和电刷之间是相互运动,因而有可能产生跳动和共振现象,使电刷和集流环产生急速磨损,缩短了电刷与集流环的使用寿命,并且增加了电刷与集流环之间的接触电阻,影响了信号的输出质量。

根据有关资料介绍,银镍合金集流环和银石墨电刷的使用寿命一般在3×108—6×108转之间。

根据使用转速情况不同,动态扭矩传感器的使用寿命一般在半年至一年半之间。

以上讲的是实验室寿命,实际上使用寿命有可能更短些。

为了解决这个问题,提出采用静动态圆管形扭矩传感器的设计方案。

4.2传感器结构设计及结构图

如图2这种静动态扭矩传感器的主要结构原理是:

在固定不动的套管式传感器2（外壳）上贴有应变片,而旋转的传动轴1通过固定不动的套管式传感器2,传动轴1的一端与变速箱6内的行星齿轮系或步进电机7的转子连成一体,另一端与扭矩负载相连;套管式传感器2的一端与变速箱6、步进电机7的外壳（定子）连成一体,另一端由套管式传感器2的端部与机架固定。

当套管式扭矩传感器2内的传动轴1,在步进电机7的带动下产生旋转运动时,此时,当传动轴1的另一端受到扭矩负载时,而步进电机7的转子必然产生一个大小相等,方向相反的作用力传递给步进电机7的定子（外壳）上,步进电机7的外壳再将这个力传递给变速箱6的外壳,变速箱6外壳再将这个力传递给套管式扭矩传感器2,使套管式扭矩传感器2的应变片产生应变信号,然后直接将这个信号从接线盒8上输出,达到利用静态的、不运动的套管式扭矩传感器,测出运动中或运动后的扭矩大小的目的。

在这里必须指出的是,在套管式扭矩传感器2的外壳与变速箱6及步进电机7的外壳（定子）相连的方,必须采用圆周端面齿相连的方式。

外面用细牙螺纹将两个机件紧紧相连,以消除机件在运动时产生的微量角度位移,以防止套管式扭矩传感器的上应变片信号测量不准。

可以看出,利用本方