极端环境下机械主轴扭矩传感器测量系统的研究

论文摘要

扭矩作为各种机械传动轴的基本载荷形式,是旋转机械动力输出的重要指标,利用扭矩传感器测量系统,采集大量实测数据,通过比较分析处理后可获得传动系统是否工作在正常、稳定的工作状态,对避免重大设备事故的发生具有十分重要的现实意义。论文结合极端环境下机械传动系统动态特性研究目前国内外的发展现状和实际,在重庆市科委自然科学基金计划资助项目“极端环境下机械传动系统动态特性研究”的资助下,提出用基于交流电磁感应的球栅技术、可扩展性好且廉价的AVR单片机和虚拟仪器等建立用于极端环境下机械传动主轴扭矩传感器测量系统,并对整个传感器测量系统进行了设计和研制。论文的研究工作从工程应用的角度出发,探讨了与机械主轴扭矩测量相关的理论和技术问题,设计出基于交流电磁感应技术的球栅扭矩传感器测量系统,用ATmega128单片机和相关的信号采集/处理电路组成数据采集卡采集信号,利用RS-232串行口电路传送两路采集到的信号至基于LabVIEW平台的PC机,采用软件算法计算出相位差,通过相关数学关系求出扭转角大小,从而实现扭矩测量。该系统利用虚拟仪器技术以灵活的软件功能代替固化硬件,使系统的硬件电路得到简化,降低了由硬件电路造成的干扰信号的影响,使测量结果更加精确,同时提高了系统的可靠性、灵活性、通用性和可扩展性。系统人机界面友好,前面板具有功能选择、相关输出参数设定与调整旋钮、数据指示表及信号的时域波形显示视窗;具有存储功能,用户可以随时启动或终止存盘操作,将输出信号的高速离散采样数据进行本地存储,便于本地调用和远程传输。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题的背景及意义
• 1.2 扭矩测量的国内外研究现状
• 1.2.1 扭矩测量方法的基本原理及分类
• 1.2.2 扭矩测量系统
• 1.2.3 扭矩测量的国内外研究现状
• 1.3 课题来源及主要完成的工作
• 2 总体设计
• 2.1 扭矩概述
• 2.2 球栅法扭矩测量的原理
• 2.2.1 扭轴扭转角测扭矩
• 2.2.2 球栅技术介绍
• 2.2.3 球栅法扭矩测量
• 2.2.4 球栅法扭矩测量的优点
• 2.3 系统总体设计方案
• 3 球栅扭矩传感器的设计
• 3.1 组成
• 3.2 工作原理
• 3.2.1 差动变压器式传感器原理
• 3.2.2 球栅扭矩传感器工作原理
• 3.3 信号处理电路
• 3.4 传感器参数的确定
• 3.4.1 线圈材料和尺寸的选择
• 3.4.2 钢球和标尺的选择
• 3.4.3 绝缘材料的选择
• 3.4.4 工作频率的确定
• 4 数据采集系统的硬件设计
• 4.1 90°移相器的设计
• 4.1.1 压控增益放大器
• 4.1.2 积分90°移相器
• 4.1.3 隔直及超前补偿
• 4.1.4 积分调节器
• 4.2 加减法器的设计
• 4.3 单片机的选择
• 4.4 正弦输入信号的产生
• 4.5 A/D 转换器
• 4.6 数字电位器
• 4.7 单片机和PC 的通讯接口
• 5 扭矩测量系统软件设计
• 5.1 系统软件设计思路
• 5.2 LABVIEW 介绍
• 5.3 LABVIEW 与单片机的串口通讯
• 5.4 数据采集流程
• 5.5 虚拟相关法测量相位差
• 5.5.1 相位差检测
• 5.5.2 相关分析法算法原理
• 5.5.3 相关分析法算法实现
• 5.5.4 相关法相位差测量的程序设计
• 5.6 扭矩计算程序设计
• 5.7 数据存储与回放
• 5.7.1 数据存储
• 5.7.2 数据回放
• 6 实验平台设计及仿真实验
• 6.1 实验平台设计
• 6.1.1 实验平台的总体构成
• 6.1.2 传感器的安装
• 6.2 仿真实验
• 7 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录