光電式轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器的設(shè)計(jì)

1、傳感器與測(cè)控電路課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書 設(shè)計(jì)題目 光電式轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器的設(shè)計(jì) 專業(yè)班級(jí) 測(cè)控技術(shù)與儀器一班 姓 名 學(xué) 號(hào) 指導(dǎo)教師 目 錄一、引言1二、設(shè)計(jì)任務(wù)22.1 設(shè)計(jì)題目22.2 設(shè)計(jì)要求2三、基本原理簡(jiǎn)述23.1 轉(zhuǎn)矩測(cè)量原理33.1 轉(zhuǎn)速測(cè)量原理4四、擬定設(shè)計(jì)總體方案43.1 傳感器總體設(shè)計(jì)思路43.2 測(cè)控電路總體設(shè)計(jì)思路5五、傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算55.1 扭軸的設(shè)計(jì)與計(jì)算5 5.2 傳感器外形尺寸設(shè)計(jì)7六、測(cè)控電路設(shè)計(jì)與分析86.1 測(cè)量系統(tǒng)框圖86.2 限幅電路的設(shè)計(jì)96.3 限壓電路的設(shè)計(jì)96.4 低通濾波電路的設(shè)計(jì)96.5 綜合設(shè)計(jì)10七、繪制相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)cad圖(見(jiàn)附圖)1

2、1八、繪制相應(yīng)的電路protel圖（見(jiàn)附圖）11九、精度誤差分析119.1鋁箔粘貼不對(duì)稱119.2機(jī)械安裝誤差119.3其它誤差11十、參考文獻(xiàn)12 一、引言 隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)( cad )、微機(jī)電系統(tǒng)(mems)技術(shù)、光纖技術(shù)、信息理論以及數(shù)據(jù)分析算法不斷邁上新的臺(tái)階, 傳感器系統(tǒng)正朝著微型化、智能化和多功能化的方向發(fā)展。轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速測(cè)量是機(jī)械產(chǎn)品的研究開(kāi)發(fā)、測(cè)試分析、質(zhì)量檢驗(yàn)、安全或優(yōu)化控制等工作中所必不可少的內(nèi)容。轉(zhuǎn)矩是各種工作傳動(dòng)軸的基本載荷形式, 是旋轉(zhuǎn)機(jī)械動(dòng)力輸出的重要指標(biāo), 是檢驗(yàn)產(chǎn)品是否合格的標(biāo)志之一, 是計(jì)算機(jī)械功率和效率的必需參數(shù)。通過(guò)測(cè)量機(jī)械設(shè)備的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速, 可以分

3、析和研究零件、機(jī)構(gòu)的受力狀況和某些物理現(xiàn)象的機(jī)理。傳感器作為轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x器的核心部分, 決定著儀器的主要性能指標(biāo)。轉(zhuǎn)矩傳感器從最初的光學(xué)機(jī)械變形類發(fā)展到電磁感應(yīng)類、相位差類, 到現(xiàn)在應(yīng)用最廣泛的應(yīng)變測(cè)量類。隨著低功耗微電子技術(shù)的發(fā)展, 各類轉(zhuǎn)矩傳感器被賦予了新的生命, 其性能也越來(lái)越好, 可測(cè)的精度與轉(zhuǎn)速也越來(lái)越高。按測(cè)量原理, 轉(zhuǎn)矩傳感器可分為傳遞法(扭軸法)、平衡力法(反力法)及能量轉(zhuǎn)換法3類。傳遞類轉(zhuǎn)矩傳感器應(yīng)用十分廣泛, 該類傳感器按轉(zhuǎn)矩信號(hào)的產(chǎn)生方式可分為光學(xué)式、光電式、磁電式、應(yīng)變式、電容式、鋼弦式及機(jī)械式。同時(shí)還可根據(jù)信號(hào)傳輸方法的不同而分為接觸型和非接觸型兩種。一般每分鐘幾百

4、轉(zhuǎn)以下的低轉(zhuǎn)速場(chǎng)合采用接觸式。每分鐘幾百轉(zhuǎn)至1萬(wàn)轉(zhuǎn)甚至更高的轉(zhuǎn)速場(chǎng)合采用非接觸式。傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩傳感器通常采用電阻應(yīng)變橋來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)矩信號(hào), 并采用導(dǎo)電滑環(huán)來(lái)耦合橋壓輸入及應(yīng)變信號(hào)輸出, 但由于導(dǎo)電滑環(huán)屬于磨擦接觸, 因此不可避免的存在著磨損并發(fā)熱, 因而限制了旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速及導(dǎo)電滑環(huán)的使用壽命, 同時(shí)由于接觸不可靠還會(huì)引起測(cè)量信號(hào)波動(dòng)誤差增加。另外, 磁柵式轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器也常被應(yīng)用, 但響應(yīng)時(shí)間慢, 不能進(jìn)行高速測(cè)量。綜合考慮之后，在這里提出一種利用光電式反射原理、探測(cè)裝置高靈敏度和較佳的響應(yīng)時(shí)間, 在高速狀態(tài)下對(duì)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩進(jìn)行測(cè)量的傳感器設(shè)計(jì)方案。 1二、設(shè)計(jì)任務(wù) 2.1 設(shè)計(jì)題目 光電式轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感

5、器的設(shè)計(jì) 2.2 設(shè)計(jì)要求利用光電式反射原理設(shè)計(jì)一個(gè)測(cè)量轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速的傳感器，同時(shí)設(shè)計(jì)一測(cè)控電路對(duì)傳感器的輸出量進(jìn)行處理，使信號(hào)經(jīng)處理后能得到自己想要的信號(hào)，從而進(jìn)行一系列的測(cè)量與控制。3、 基本原理簡(jiǎn)述 因?yàn)楣怆娛脚ぞ販y(cè)量原理是把扭矩測(cè)量轉(zhuǎn)換成彈性軸的扭轉(zhuǎn)角測(cè)量, 彈性軸的扭轉(zhuǎn)角與扭矩有下式關(guān)系：由公式( 1) 可知, 對(duì)于一定長(zhǎng)度、直徑和材料的彈性軸, 扭轉(zhuǎn)角與扭矩m 成正比, 測(cè)得扭轉(zhuǎn)角就可得到m。扭轉(zhuǎn)角可用以下方法測(cè)得： 當(dāng)彈性軸加負(fù)載時(shí), 兩個(gè)光源發(fā)出的光經(jīng)各自鋁箔反射后得到兩路存在相位差的光信號(hào),經(jīng)光電轉(zhuǎn)換(pd ) 后得電壓信號(hào)e1和e2, 對(duì)el和e2進(jìn)行整形放大得到u1 和u2,

6、 兩者之間存在相位差，對(duì)u1和u2進(jìn)行邏輯比較后可得如下：式中：z為鋁箔個(gè)數(shù)2 3.1 轉(zhuǎn)矩測(cè)量原理光電式轉(zhuǎn)矩傳感器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。由扭軸和兩個(gè)發(fā)光二極管、兩個(gè)光電二極管組成, 4片鋁箔以一定的距離l 分隔并固定于扭軸兩端的上下面(相距180度), 并與扭軸堅(jiān)固。光源和光電元件安裝在傳感器支架上。 相位轉(zhuǎn)矩測(cè)量技術(shù)是將傳遞法測(cè)轉(zhuǎn)矩與相位差測(cè)量技術(shù)相結(jié)合。當(dāng)扭軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí), 由發(fā)光二極管發(fā)出的光線, 經(jīng)鋁箔的反射, 光線被光電二極管接收到, 使光電二極管的電阻發(fā)生變化, 在檢出元件的電路中產(chǎn)生一個(gè)脈沖電壓。當(dāng)扭軸空載旋轉(zhuǎn)時(shí), 檢測(cè)電路輸出的v1 和v2 兩同頻交變信號(hào)保持初始相位差不變(實(shí)際運(yùn)用時(shí)

7、, 由于環(huán)境溫度影響、安裝誤差等使得兩個(gè)光電二極管的輸出信號(hào)具有一定的初始相位差。所以, 實(shí)際測(cè)試時(shí)要將初始相位差值, 存放到單片機(jī)內(nèi), 作為補(bǔ)償量)。在扭軸加上負(fù)荷時(shí), 扭軸產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形, 使得圖1中所示兩光電二極管接收的信號(hào)有時(shí)間差,從而兩輸出信號(hào)v1 和v2 之間的相位差為: , 其中z 為軸上反射鏡片數(shù)目, 為扭軸兩端產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)角。由此可見(jiàn), 在相位轉(zhuǎn)矩測(cè)量中, 扭矩的測(cè)量歸結(jié)為測(cè)相位差。經(jīng)測(cè)量電路, 將相位差轉(zhuǎn)換成時(shí)間差, 就可測(cè)出扭矩值。 由于這種設(shè)計(jì)在檢測(cè)扭軸的扭轉(zhuǎn)變形時(shí)不必用任何接觸方法, 因此測(cè)量精確度高, 而且可以使用于高速傳動(dòng)機(jī)械。3 3.2轉(zhuǎn)速測(cè)量原理 光電二極管輸出信

8、號(hào)的相移被轉(zhuǎn)換為一定的脈沖數(shù), 通過(guò)翻轉(zhuǎn)放大整形電路進(jìn)入計(jì)數(shù)器, 經(jīng)單片機(jī)計(jì)算后, 顯示被測(cè)轉(zhuǎn)矩值。當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí), 帶動(dòng)扭軸和反射鋁箔一起轉(zhuǎn)動(dòng)。反射鋁箔與扭軸的轉(zhuǎn)速是相同的。紅外線發(fā)光二極管4和6發(fā)射出的紅外線, 經(jīng)反射鋁箔反射后,被光電二極管5和7接收。此時(shí), 光電二極管就輸出一個(gè)脈沖信號(hào), 當(dāng)紅外線沒(méi)有照射在反射鋁箔上時(shí), 光電二極管就沒(méi)有脈沖輸出, 軸每轉(zhuǎn)一周光電二極管就輸出兩個(gè)脈沖信號(hào), 相位相差180度, 并相應(yīng)有兩個(gè)脈沖信號(hào)通過(guò)測(cè)量電路輸出到單片機(jī)中, 單片機(jī)根據(jù)傳來(lái)信號(hào)的矩形波, 用定時(shí)器定時(shí)一秒鐘時(shí)間, 并用計(jì)數(shù)器記住脈沖個(gè)數(shù), 即光電二極管探測(cè)器接收的脈沖的數(shù)目, 可以得到

9、軸的轉(zhuǎn)速。 四、擬定設(shè)計(jì)總體方案 4.1傳感器總體設(shè)計(jì)思路傳感器有光電式、磁電感應(yīng)式、電渦流式、霍爾式等類型, 其中光電式分為透射式和反射式。透射式是光通過(guò)光碼盤射向光敏元件, 光碼盤上的孔使光產(chǎn)生間斷, 從而使光敏元件產(chǎn)生脈沖信號(hào); 反射式是通過(guò)某種途徑使光發(fā)生反射后照到光敏元件上，從而使光敏元件產(chǎn)生脈沖信號(hào)。透射式和反射式轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器輸出的脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)放大整形等處理后, 即獲得自己想要的信號(hào)時(shí), 再經(jīng)過(guò)相應(yīng)的處理, 即可得被測(cè)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速 。由圖一可知：它分別由扭軸和兩個(gè)發(fā)光二極管、兩個(gè)光電二極管組成, 4片鋁箔以一定的距離l分隔并固定于扭軸兩端的上下面(相距180度), 并與扭軸堅(jiān)固。光

10、源和光電元件安裝在傳感器支架上。在給其配上適當(dāng)?shù)耐鈿?，則可得到自己想要的光電式轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器。4 4.2測(cè)控電路的總體設(shè)計(jì)思路該設(shè)計(jì)是對(duì)高速運(yùn)轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行測(cè)量,因此對(duì)測(cè)量電路的要求很高。由于光電二極管接收到的信號(hào)產(chǎn)生的脈沖是不規(guī)則的, 而且脈沖信號(hào)微弱, 因此必須經(jīng)過(guò)整流放大和濾波后變成形狀規(guī)則的矩形波才能輸入給單片機(jī), 其波形變換如圖2所示。 因此，光信號(hào)經(jīng)光電二極管轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后, 要進(jìn)入放大整形電路, 再經(jīng)脈沖計(jì)數(shù)、顯示等轉(zhuǎn)換輸出轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速數(shù)值。其核心部分是由限幅限壓電路、整形放大和濾波電路、脈沖發(fā)生電路等組成。 五、傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算 光電式分為透射式和反射式。透射式是光通過(guò)光

11、碼盤射向光敏元件, 光碼盤上的孔使光產(chǎn)生間斷, 從而使光敏元件產(chǎn)生脈沖信號(hào)； 反射式是通過(guò)某種途徑使光發(fā)生反射后照到光敏元件上，從而使光敏元件產(chǎn)生脈沖信號(hào)。由于透射式需要用到光刻技術(shù)，從而會(huì)造成成本的打打提高，故這里采用反射式。 5.1 扭軸的設(shè)計(jì)與計(jì)算對(duì)于等圓截面直桿，如圖3所示： 圖3 5圖中的受力特征為外力偶矩的作用面與桿件的軸線相垂直，變形特征為縱向線傾斜一個(gè)角度，稱為剪切角(切應(yīng)變)；兩個(gè)橫截面之間繞桿軸線發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，稱為扭轉(zhuǎn)角。桿件的任意兩個(gè)橫截面都發(fā)生繞軸線的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，以及使桿產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形的外力偶，稱為扭力偶，其矩稱為扭力偶矩（外力偶矩）且m=fd。 對(duì)于一根圓軸在扭矩的作用下

12、，其表面剪切應(yīng)力為 （3）式中為圓軸的抗扭斷面模量。對(duì)于實(shí)心圓軸，其值；對(duì)于空心圓軸其值為。其中：d為實(shí)心圓的直徑；為空心圓軸的外徑；為空心圓軸的內(nèi)徑；在彈性范圍內(nèi)，對(duì)應(yīng)剪應(yīng)變 (4) 式中g(shù)為剪切彈性模量。同時(shí)相距為l的兩個(gè)斷面之間產(chǎn)生相對(duì)扭轉(zhuǎn)角，其值可由下式確定： （5）式中為斷面的極慣性矩。對(duì)于實(shí)心圓軸：；對(duì)于空心圓軸：； 從（4）和（5）式可見(jiàn)，只要軸的尺寸以及形狀確定，材料的剪切彈性模量一定，轉(zhuǎn)軸的剪應(yīng)變和相距為l的兩斷面相對(duì)轉(zhuǎn)角就只與扭矩有關(guān)，且成比列，即可表示為： （6）6其中，故可知，因此只要測(cè)量即可確定。 受扭圓軸失效的形式有兩種，對(duì)于塑性材料：首先發(fā)生屈服，在試樣表面的橫向

13、和縱向出現(xiàn)滑移線，最后沿橫截面被剪斷。對(duì)于脆性材料：變形很小，在與軸線約成45的面上斷裂。因此： 對(duì)于塑性材料 t (0.5一0.6) 對(duì)于脆性材料， t (0.81.0)t而且:對(duì)于等截面圓軸扭轉(zhuǎn)時(shí)的強(qiáng)度條件應(yīng)滿足： 式中稱為抗扭截面系數(shù)。 對(duì)于等截面扭矩時(shí)的剛度條件 式中g(shù)為剪切彈性模量。5.2 傳感器外形尺寸設(shè)計(jì)為保證測(cè)量精度，被測(cè)值應(yīng)盡可能接近所選傳感器的最佳測(cè)量范圍，即滿量程的三分之二左右的。另外，選用傳感器規(guī)格還要考慮被測(cè)對(duì)象的最大轉(zhuǎn)矩和過(guò)載一般不大于額定轉(zhuǎn)矩的150%。根據(jù)上述兩條原則，對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)傳感器型號(hào)列表可設(shè)計(jì)滿量程為1000n.m，可測(cè)最大轉(zhuǎn)速為4000r/min條件下的傳

14、感器。對(duì)照?qǐng)D4，傳感器外形尺寸如下圖所示(單位mm)：7六、測(cè)控電路設(shè)計(jì)與計(jì)算 6.1 測(cè)量系統(tǒng)框圖圖5測(cè)量系統(tǒng)的工作原理框圖8 6.2限幅電路的設(shè)計(jì)傳感器輸出直接接限幅電路，經(jīng)限幅電路可以按限定的范圍削平信號(hào)電壓幅值，對(duì)穩(wěn)定信號(hào)十分有利，其具體電路如下： 6.3限壓電路的設(shè)計(jì)傳感器輸出經(jīng)限幅電路之后，再接入限壓電路，可以防止脈沖電壓過(guò)高, 燒毀芯片，其具體電路如下： 6.4低通濾波電路的設(shè)計(jì)脈沖信號(hào)通過(guò)限壓電路后, 再通過(guò)濾波電路進(jìn)行濾波。濾波器是具有頻率選擇作用的電路或運(yùn)算處理系統(tǒng),當(dāng)信號(hào)與噪聲分布在不同頻帶中時(shí), 可以從頻率域?qū)崿F(xiàn)信號(hào)分離。在實(shí)際測(cè)量系統(tǒng)中, 噪聲與信號(hào)的頻帶往往有一定的

15、重疊, 如果重疊不很嚴(yán)重, 仍可利用濾波器有效的抑制噪聲功率, 提高測(cè)量精度。除濾波噪聲外, 濾波器還可用于分離各種不同的信號(hào)，其具體電路設(shè)計(jì)如下：9 6.5綜合設(shè)計(jì) 通過(guò)濾波電路之后再將濾波電路的輸出接入lm319做進(jìn)一步處理，從而得到自己想要的脈沖信號(hào)，其具體設(shè)計(jì)如下圖所示： 整形后的信號(hào)由vo1、vo2接入到8254芯片進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)。經(jīng)8254芯片計(jì)數(shù)后的信號(hào)做為單片機(jī)8051的輸入信號(hào), 然后由8051 單片機(jī)的片內(nèi)定時(shí)器自動(dòng)記錄兩個(gè)脈沖之間的時(shí)間值, 該時(shí)間值與輸出信號(hào)v1 和v2 的相位差成正比, 從而可以完成轉(zhuǎn)矩的測(cè)量。驅(qū)動(dòng)顯示器max7219將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)值顯示。在測(cè)控系統(tǒng)中,

16、一般的工作狀態(tài)可以通過(guò)指示燈或數(shù)碼顯示來(lái)指示微機(jī)的工作狀態(tài)。但對(duì)于某些緊急狀態(tài), 設(shè)計(jì)中采用兩種報(bào)警方式: 閃光報(bào)警和鳴音報(bào)警。分別由8051的p2. 0口輸出閃光報(bào)警信號(hào)和p2. 1口輸出鳴音報(bào)警信號(hào)。10 七、繪制相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)cad圖(見(jiàn)附圖) 八、繪制相應(yīng)的電路protel圖（見(jiàn)附圖） 九、精度誤差分析 9.1鋁箔粘貼不對(duì)稱由于鋁箔粘貼在扭軸上，而扭軸的同一側(cè)的兩個(gè)鋁箔有可能粘貼在與軸線不平行的一條直線上，扭軸的同一圓周上的兩個(gè)鋁箔有可能粘貼的角度不是相差180，它們?cè)谶@兩種情況下有可能有一定的誤差，不可能完全相等,從而導(dǎo)致整形后所得信號(hào)的脈沖寬度也會(huì)忽寬忽窄, 扭矩不變, 上下兩路信

17、號(hào)之間的相位差也會(huì)不斷變化，這樣的誤差具有隨機(jī)性。本系統(tǒng)是并沒(méi)有設(shè)計(jì)相應(yīng)的措施來(lái)減小這項(xiàng)誤差，因此要求相關(guān)人員在粘貼鋁箔時(shí)要特別注意，以盡量減小這一隨機(jī)誤差。 9.2機(jī)械安裝誤差 由于發(fā)光二極管發(fā)出的光先要經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直鏡將其變成直線的平行光，然后再經(jīng)鋁箔反射后照到光電二極管上，使光電二極管的電阻發(fā)生變化, 在檢出元件的電路中產(chǎn)生一個(gè)脈沖電壓。一般情況下，為了增大測(cè)量精度，鋁箔不會(huì)太大，而是盡可能的小，這樣發(fā)光二極管和光電二極管的位置就有一定的要求。一般選擇鋁箔中線的兩側(cè)，并關(guān)于這條線對(duì)稱最好，而這是很難做到的，從而導(dǎo)致相位差的變化，這樣的誤差是系統(tǒng)誤差。本系統(tǒng)是通過(guò)將實(shí)際測(cè)試時(shí)的初始相位差值, 存放到單片機(jī)內(nèi), 作為補(bǔ)償量來(lái)消除這一誤差的。 9.3其它誤差 由于一些材料在加工時(shí)由于系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差、粗大誤差的存在也會(huì)引入一些誤差，雖然我們會(huì)采取很多措施來(lái)減小這些誤差，但他們?nèi)匀淮嬖凇?1 十、參考文獻(xiàn)1 強(qiáng)錫富. 傳感器m . 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2001.2 張國(guó)雄, 金篆芷. 測(cè)控電路m . 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 20