传感器测传动轴扭矩转速课程设计论文 精品.docx
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传感器测传动轴扭矩转速课程设计
设计说明书
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
5.2.1电桥电路的选用-------------------------------10
5.2.2电桥电路的精度误差分析-----------------------10
5.3放大电路的设计及硬件的选用-------------------------11
5.3.1放大电路的设计-------------------------------11
5.3.2放大电路的误差分析---------------------------13
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,利用本方案设计的静动态扭矩传感器,无接触式电刷2集流环的影响,从而可以达到提高扭矩传感器的使用寿命,并且简化制造过程,不但能解决旋转轴的扭矩测量问题,而且可以方便的解决各种动态扭矩螺栓装配机的扭矩控制和测量问题。
4.3静动态扭矩传感器设计计算原理
对圆管形扭力轴的应变:
ξ45°=-ξ135°=8M/［（π/d3）G］［1/（1–d４0/d４）］
对圆柱管形扭力轴的外径d:
式中:
α为圆管形扭力轴的内、外径之比α=d0/d;M为额定的工作扭矩,N·m;G为材料的弹性模量,Pa;d为扭力轴的外径,m;[τ]为扭力轴的材料的许可应为力,Pa（N/m2）。
扭力轴材料的许可应力[τ]一般可取材料抗拉强度σb的10%～20%。
扭力轴的直径确定以后,可按扭力轴变形角φ的要求,计算扭力轴的工作长度。
扭力轴的变形角一般取φ≈015°～1°之间,约0101rad～0104rad之间。
对圆管形扭力轴的长度:
式中:
φ为扭力轴的扭转变形角。
然后再根据以下公式求出圆管形扭矩传感器的内径d0=ad最后根据以上公式求出圆管形扭矩传感器扭力轴的工作长度L。
经过反复的校对和计算,画出草图,,经过静校及使用,最后才能确定圆管形扭矩传感器的扭力轴的各部分尺寸套管式扭矩传感器的材料一般可以选用Cr12MoV或0Cr17Ni4Cu4Nb。
4.4圆管形扭矩传感器的静校方法
（1）只要在圆管形扭矩传感器的两端安装上输入输出部分的连接装置,在输入输出部分的连接装置上可以施加砝码或使用标准扭矩传感器施加标准扭矩,就可以对圆管形扭矩传感器进行校正。
一般按国家检定规程对圆管形扭矩传感器进行检定。
（2）静动态扭矩传感器取消了电刷和集流环,因此粘贴在试件表面上的应变片的使用寿命就是传感器的使用寿命。
在恒定幅值的应变力作用下可以连续不断的工作,而不产生疲劳损坏的循环次数,就是应变片的使用寿命。
据有关资料介绍应变片在500Hz的动载荷作用下,循环次数可以达到106～107之间。
在扭矩传感器使用过程中,一般交变载荷使用的非常少。
与电刷2集流环式扭矩传感器相比,如果按时间计算无电刷2集流环式传感器使用寿命可达2～3年以上,与电刷集流环式扭矩传感器相比可以提高使用寿命2～3倍以上。
5扭矩检测系统各部分电路的设计
5.1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。
5.2电桥电路
5.2.1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5-1直流电桥
如图5-1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。
5.2.2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
5.3放大电路的设计及硬件选用
5.3.1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范围为2.428V～0.133V，而在本系统中A/D的输入电压范围为0V～5V时才能使精度达到最高，因此需把2.428V～0.133V电压放大到0V～5V的范围，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，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5-2所示
图-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（ｒａｉｌ－ｔｏ－ｒａｉｌ）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5-3TLC2252的引脚排列。
表5-1为TLC2252的工作条件。
表5-1TLC2252的工作条件
后缀为C
后缀为I
单位
MINMAX
MINMIN
电源电压，VDD±
±2.2±8
±2.2±8
V
输入电压范围，V1
VDD-VDD+—1.5
VDD-VDD+—1.5
V
共模输入电压，VIC
VDD-VDD+—1.5
VDD-VDD+—1.5
V
工作环境（自然通风），TA
070
-40125
℃
5.3.2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。
5.4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。
由于要求输出电压范围为0V～5V因此选择TLC2252作为该滤波器的运放。
图5-4低通滤波器
5.5A/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的内部逻辑结构如图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5-5为ADC0809内部结构
其主要引脚的功能说明如下：
（1）IN7～IN0：
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，电压范围0～5V，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。
（2）ADDA、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。
（3）ALE：
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。
（4）START：
转换启动信号。
在START上升沿时，所有内部寄存器清零；START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。
（5）D7～D0：
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。
（6）OE：
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。
（7）CLK：
时钟信号。
ADC0809的内部没有时钟电路，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。
（8）EOC：
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。
（9）Vref：
参考电压。
参考电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＋5V（Vref（+）=+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内部带有输出锁存器，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5-6是ADC0809与51单片机接线方法
图5-5ADC0809内部结构
图5-6ADC0809与51单片机接线
ADC0809的OUT1~OUT8口接单片机的P0.0~P0.7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IN0~IN7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
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