非接触式扭矩仪中的关键技术研究

论文摘要

在机械传动系统中,扭矩是各种机械的最重要的特征参数之一。扭矩测试是各种机械产品开发、质量检验、优化控制、工况监测和故障诊断等必不可少的内容。扭矩传感器已广泛应用于各种机械设备的动力驱动系统优化设计和智能控制上,如汽车发动机试验和电机出厂测试等。首先,本文对目前国内外扭矩传感器的发展历程和研究现状进行了认真的分析和总结。在此基础上,研究了扭矩应变测量的原理,它通过测量粘贴在弹性轴上的电阻应变片的变形,进而计算得到扭矩值。设计了一种基于能量和信号无线传输的非接触式扭矩测量仪,解决了传统有线传输中存在接触部位的摩擦阻力和接触零件的磨损、发热等问题。其次,设计了扭矩信号处理的方案。在转子电路中,从应变电桥输出的微弱信号经过仪表放大器AD620的放大,然后经过Butterworth二阶低通滤波器,再通过CC1110芯片的内置A/D模块进行A/D转换,得到的数字量经过CC1110的无线发送模块发射出去;定子上的CC1110无线接收模块在接收到扭矩信号后,通过外围的12864液晶模块进行显示,并且可通过232串口与上位机进行通讯。在完成硬件电路的基础上,还讨论了系统的软件设计,包括了无线发送、无线接收和液晶显示等子模块。然后,提出了一种为非接触式扭矩仪无线供电的方案,它是基于感应耦合供电技术(Inductively Coupled Power Transfer,简称ICPT)实现的。本文重点讨论了松耦合变压器的设计方法,并建立了适用于对其进行分析的漏感模型。在此基础上,建立了整个电路的等效电路模型,然后利用KCL和KVL建立了系统的状态空间方程,得到了谐振电容的计算式。最后,通过实验对感应供电的效果进行了验证,实验中的谐振电容值与计算值相比较验证了理论分析的正确性,并提出了减小损耗和提高传输效率的方法。最后,讨论了系统的抗干扰措施。首先分析了系统中可能存在的干扰来源及其传输方式,然后讨论了硬件抗干扰的方法,包括屏蔽、滤波和接地等,最后讨论了软件实现抗干扰的方法,包括单片机抗干扰和数字滤波等。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 插图索引
• 第1章 绪论
• 1.1 本文背景和扭矩测量方法
• 1.1.1 平衡力法
• 1.1.2 能量转换法
• 1.1.3 传递法
• 1.2 国内外扭矩仪发展及其现状
• 1.2.1 应变型扭矩测量仪
• 1.2.2 磁弹性扭矩测量仪
• 1.2.3 相位差型扭矩测量仪
• 1.2.4 扭矩测量的发展趋势
• 1.3 课题来源和本文主要内容安排
• 第2章 非接触式扭矩测量仪的原理与总体设计
• 2.1 扭矩仪测量的基本原理
• 2.1.1 扭矩测量原理
• 2.1.2 应变测量原理
• 2.2 非接触式扭矩仪总体方案设计
• 2.2.1 设计要点
• 2.2.2 基本结构和原理
• 2.3 本章小结
• 第3章 非接触式扭矩仪信号处理电路硬件设计
• 3.1 信号调理电路
• 3.1.1 放大电路
• 3.1.2 滤波电路
• 3.2 无线传输/接收模块电路设计
• 3.2.1 无线传输方案比较
• 3.2.2 CC1110 功能概述
• 3.2.3 开发环境概述
• 3.2.4 无线收发模块电路RF 射频电路设计
• 3.3 A/D 转换电路
• 3.4 液晶显示
• 3.5 通讯接口
• 3.6 本章小结
• 第4章 非接触式扭矩仪信号处理电路软件设计
• 4.1 总体概述
• 4.2 A/D 转换子程序
• 4.3 RF 程序
• 4.3.1 无线RF 部分概述
• 4.3.2 RF 寄存器配置
• 4.3.3 数据协议
• 4.3.4 DMA 配置
• 4.3.5 无线发射子程序
• 4.3.6 无线接收子程序
• 4.4 液晶显示模块子程序
• 4.5 本章小结
• 第5章 感应供电技术研究
• 5.1 引言
• 5.2 ICPT 的基本原理和结构
• 5.3 电路原理和分析
• 5.3.1 松耦合变压器模型
• 5.3.2 电路设计
• 5.3.3 电路建模分析
• 5.4 试验结果与分析
• 5.4.1 试验结果
• 5.4.2 谐振频率验证
• 5.4.3 效率分析及改进措施
• 5.5 本章小结
• 第6章 系统抗干扰设计
• 6.1 干扰源及其传播途径分析
• 6.1.1 干扰源分析
• 6.1.2 干扰的传播途径
• 6.2 系统抗干扰设计
• 6.2.1 硬件抗干扰设计
• 6.2.2 软件抗干扰设计
• 6.3 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A（攻读硕士学位期间发表的学术论文）