磁電式扭矩測量儀的設(shè)計與誤差

1、傳感器原理及工程應用設(shè)計（論文）磁電式扭矩測量儀的設(shè)計與誤差分析學生姓名：學 號：所在學院：信息技術(shù)學院專 業(yè)：電氣工程及其自動化中國·大慶2011 年 12 月黑龍江八一農(nóng)墾大學2摘要 船艇主動力裝置的轉(zhuǎn)速、扭矩測量對于把握其工作狀態(tài)進行優(yōu)化控制具有重要意義，當前轉(zhuǎn)速的測量技術(shù)已十分成熟，但現(xiàn)有的扭矩測量裝置在可靠性、精度或價格方面存在的問題以及船艇惡劣的工作環(huán)境，使得扭矩的實時測量遠未達到令人滿意的程度。本文研究是艦艇非接觸式轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速儀研制項目的一部分。通過對各種扭矩儀的特性比較，認為磁電相差式扭矩儀屬于非接觸式測量，不需要結(jié)構(gòu)復雜、容易帶來不可靠因素的信號引出裝置，結(jié)構(gòu)簡單可靠

2、，無需外加電源而有較強的輸出信號，對工作環(huán)境要求不高，不易受到干擾，能在較寬的環(huán)境溫度范圍下正常工作，且精度高，轉(zhuǎn)速范圍大，較為符合船艇的實際工作環(huán)境，因而選擇了磁電相差式扭矩儀作為研究方向。本文根據(jù)磁電相差式扭矩儀的原理和特點，分析其誤差產(chǎn)生的主要原因，提出減小誤差的措施，完成測量系統(tǒng)的總體方案設(shè)計和技術(shù)設(shè)計。關(guān)鍵詞： 扭矩測量儀磁電式設(shè)計誤差分析2目錄摘要2前言51 系統(tǒng)總設(shè)計611轉(zhuǎn)矩測量設(shè)備發(fā)展概況6111 轉(zhuǎn)矩測量設(shè)備的基本類型和主要特征6112國內(nèi)外轉(zhuǎn)矩測量設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀712非接觸式轉(zhuǎn)矩儀方案論證7121方案論證遵循的基本原則7122系統(tǒng)方案論證82 執(zhí)行器部分921轉(zhuǎn)矩儀轉(zhuǎn)速特性

3、的基本知識922減小轉(zhuǎn)速特性誤差的途徑93 信號采樣部分1131 波形的模擬計算11311影響傳感器輸出波形及信噪比的因素1132 測量系統(tǒng)的總體設(shè)計1133信號采集和處理部分的設(shè)計12331硬件12332軟件134 應用的傳感器1741 傳感器概述17411引文17412分類17413定義17414原理17415總結(jié)185 試驗及結(jié)果分析1951試驗設(shè)計19511臺架試驗的目的19512試驗設(shè)計196 結(jié)論22參考文獻234磁電式扭矩測量儀的設(shè)計與誤差分析前言轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、功率測量的意義 動力系統(tǒng)是船艇的心臟，是直接關(guān)系到船艇能否安全運行的關(guān)鍵，其狀態(tài)監(jiān)測已越來越為人們所重視。近年來，動力系統(tǒng)

4、的檢測技術(shù)取得了長足進步，已由原始的機械式監(jiān)測儀表逐步走向電子式、計算機綜合檢測，所測參數(shù)的范圍也有了很大發(fā)展，部分參數(shù)已逐步成為在線監(jiān)測參數(shù)。當前船艇的動力大多由柴油機提供，其轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、功率是反映船艇動力性能的重要特征參數(shù)，綜合反映主機的工作狀態(tài)和工作質(zhì)量，因而這些參數(shù)的測量具有重要意義。轉(zhuǎn)矩贏接反映主機的負荷，動力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速和負荷是描述系統(tǒng)工況的兩個基本參數(shù)，從主機的冷卻水溫度、滑油溫度和壓力、爆炸壓力及排氣溫度也可間接反映主機的負荷，但都不如轉(zhuǎn)矩來得直接、全面。獲知主機輸出轉(zhuǎn)矩后，根據(jù)螺旋槳特性曲線可了解螺旋槳的效率以及軸系的工作可靠性。轉(zhuǎn)速分為循環(huán)平均轉(zhuǎn)速和瞬時轉(zhuǎn)速，循環(huán)平均轉(zhuǎn)速反映

5、了柴油機的運轉(zhuǎn)平穩(wěn)性和調(diào)速性能。柴油機是往復式工作機械，一個運行周期分為進氣、壓縮、做功、排氣四個階段，各階段的轉(zhuǎn)速有所不同，且船用主機多為多缸機，各缸按一定的順序相繼發(fā)火，使得瞬時轉(zhuǎn)速曲線在一個循環(huán)內(nèi)出現(xiàn)與發(fā)動機缸數(shù)相等波，這一波動情況可反映工作循環(huán)內(nèi)柴油機各缸的工作細節(jié)，為主機某些故障的判斷提供了有效的信息。通過分析轉(zhuǎn)速的波動情況，可以監(jiān)測氣缸的氣密性和工作氣缸的動力性能，評判各缸的工作均勻性。對轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等參數(shù)進行實時監(jiān)測，能夠及時掌握主機的運行狀態(tài)，對船艇動力系統(tǒng)的實時控制和早期故障診斷具有重要作用。當前，轉(zhuǎn)速的測量技術(shù)已十分成熟，在實船上的應用也很普遍，轉(zhuǎn)矩的測量在實驗室中出現(xiàn)了多種

6、方法，但在工作現(xiàn)場測量還遠未達到令人滿意的程度。課題來源和本文所做的主要工作課題來源于海軍裝備部下達的“艦艇非接觸式轉(zhuǎn)矩儀的研制”科研項目，該項目針對當前轉(zhuǎn)矩儀存在的問題，研制適合于船艇實際工作環(huán)境的在線轉(zhuǎn)矩測試儀。本文所做的工作有以下幾個方面：1綜合比較各種不同工作原理的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速儀的特點，選擇了較為符合艦艇實際工作環(huán)境的磁電相位差式轉(zhuǎn)矩儀。2從磁電相位差式轉(zhuǎn)矩儀的原理著手，分析了影響轉(zhuǎn)矩儀精度的主要因素轉(zhuǎn)速特性誤差的產(chǎn)生原因和減小這一誤差的途徑。3對不同齒輪產(chǎn)生的波形進行了模擬計算，并由此分析了影響波形的主要因素。4確定了系統(tǒng)的設(shè)計原則，結(jié)合艦艇實際工作環(huán)境完成了系統(tǒng)方案設(shè)計。5在6135z

7、c柴油機臺架上完成了系統(tǒng)技術(shù)設(shè)計，并對系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩測量情況進行了試驗研究。2磁電式扭矩測量儀的設(shè)計與誤差分析1 系統(tǒng)總設(shè)計11轉(zhuǎn)矩測量設(shè)備發(fā)展概況轉(zhuǎn)矩測量設(shè)備作為旋轉(zhuǎn)軸系測功、測力設(shè)備，在確定被測裝置性能、對裝置實施狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷及實現(xiàn)優(yōu)化控制等方面有著廣泛的用途，因此，開發(fā)可靠性高、測量精確的在線轉(zhuǎn)矩測量設(shè)備具有重要的實際意義。111 轉(zhuǎn)矩測量設(shè)備的基本類型和主要特征按照轉(zhuǎn)矩測量方法的基本原理，主要的轉(zhuǎn)矩測量設(shè)備可以分為以下三種類型：平衡類、傳遞類和能量轉(zhuǎn)換類。1平衡力類：平衡力類測量轉(zhuǎn)矩設(shè)備通常稱為測功器，其原理是通過吸收發(fā)動機的功來測量轉(zhuǎn)矩，主要由主機、平衡支承和平衡力測量機構(gòu)三

8、部分組成。平衡力矩可由水流、電流、電渦流、磁粉、空氣等提供，最為常見的兩種測功器是水力測功器、電力測功器，分別通過水的摩擦力、電磁力矩來平衡發(fā)動機輸出軸轉(zhuǎn)矩，并傳輸給外部測力機構(gòu)，測出輸出轉(zhuǎn)矩。2傳遞類：傳遞類測量轉(zhuǎn)矩設(shè)備通常稱為轉(zhuǎn)矩儀，其測量轉(zhuǎn)矩的原理是通過測量發(fā)動機輸出軸在轉(zhuǎn)矩作用下的變形、應力或應變，并進一步轉(zhuǎn)換成軸的轉(zhuǎn)矩。由于被測軸是旋轉(zhuǎn)的，因此被測軸的變形或變換的輸出較為困難，并且也影響其測量的準確性、穩(wěn)定性及設(shè)備的可靠性。3能量轉(zhuǎn)換類：能量轉(zhuǎn)換類測量轉(zhuǎn)矩和功率是基于測量發(fā)動機消耗燃料的化學能以及發(fā)動機進行能量轉(zhuǎn)換的效率來白J接獲取發(fā)動機功率的方法，由于影響發(fā)動機的效率的因素復雜多變

9、，因此，此類設(shè)備通常較難具有通用性，且精度較低。關(guān)于柴油機功率的測量，美國的報道有通過測量發(fā)動機排氣管壓力波動情況來確定發(fā)動機功率的設(shè)備，但實際應用中局限性很大。在三類轉(zhuǎn)矩測量設(shè)備中，能量轉(zhuǎn)換類通常在電機類和液壓機械類轉(zhuǎn)矩測量中應用，在其它能量轉(zhuǎn)化場合很少應用：平衡類轉(zhuǎn)矩測量裝置沒有從旋轉(zhuǎn)軸到顯示部分的轉(zhuǎn)矩信號傳輸問題，其本身就是一臺工作機或制動器，在實驗室和內(nèi)燃機制造廠家，對動力機械或工作機械進行試驗時，就不需要另外再去選配負載機械，因而，平衡類轉(zhuǎn)矩測量設(shè)備在實驗室和內(nèi)燃機制造廠家中有廣泛應用，但該類轉(zhuǎn)矩測量裝置體積龐大，價格較貴，僅可測量穩(wěn)定轉(zhuǎn)速工作情況下的轉(zhuǎn)矩，不能測量動態(tài)轉(zhuǎn)矩，且在測功

10、時測功器消耗發(fā)動機輸出功，不能輸出轉(zhuǎn)矩，因而不能用于工作現(xiàn)場測量；傳遞類即轉(zhuǎn)矩儀具有不影響原動機功率輸出的優(yōu)點，可以在現(xiàn)場測量，因而應用最為廣泛。112國內(nèi)外轉(zhuǎn)矩測量設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀（一）國外轉(zhuǎn)矩測試設(shè)備研制情況隨著電阻應變測量技術(shù)的發(fā)展和電子技術(shù)水平的提高，轉(zhuǎn)矩儀的研究得到了迅速的發(fā)展。按美國1973年的統(tǒng)計?，F(xiàn)代實驗工作中采用轉(zhuǎn)矩儀測量轉(zhuǎn)矩的占6040%，采用測功器測量的占268%，其他方法占104%，而且轉(zhuǎn)矩儀所占的比例有明顯增加的趨勢。用于船艇的轉(zhuǎn)矩實時測量技術(shù)在國外起步較早，1972年美國海軍首先在一艘以燃氣輪機為主動力的DD一963級驅(qū)逐艦上安裝使用了ACURX型船用轉(zhuǎn)矩儀，實時監(jiān)測船

11、艇航行時主機的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、功率，對主機進行科學管理，同時保護軸系。此后，英、日、德等西方發(fā)達國家普遍在船艇、鉆井機械、軋鋼設(shè)備上配置轉(zhuǎn)矩傳感器，對設(shè)備進行科學管理。傳感器的精度在不斷提高，磁電式轉(zhuǎn)矩傳感器的靜校精度已不低T±01%，同本生產(chǎn)的轉(zhuǎn)矩遙測儀精度可達I%。數(shù)字式顯示儀表出現(xiàn)后，其不易受到于擾,測量精度高，測量結(jié)果便于自動記錄或輸入計算機進行處理的優(yōu)點使得其在轉(zhuǎn)矩測量中應用同益廣泛。測量轉(zhuǎn)矩不僅在技術(shù)上朝著多樣化、方便、高精度等方向發(fā)展，而且測量范圍也不斷擴大。（二）國內(nèi)轉(zhuǎn)矩測試設(shè)備研制情況我國轉(zhuǎn)矩儀的應用始于六十年代，到八十年代以較廣泛用于內(nèi)燃機、泵、電機、齒輪箱等方面。造

12、船部門為驗交船舶，在試航工作中使用轉(zhuǎn)矩儀測量轉(zhuǎn)矩、功率，作為交船依據(jù)，但作為船用主機的固定配套設(shè)備卻少有應用，其原因一方面是對轉(zhuǎn)矩儀保障船艇技術(shù)性能的重要性認識不足：另一方面，那時的轉(zhuǎn)矩儀操作較困難。有的需要改變軸系布置，可靠性較低，信號傳輸方面存在一些難以解決的問題。直NA十年代末，七零四所研制成功RTMMC功率遙測儀，才丌始逐漸在主要船艇上配置使用。12非接觸式轉(zhuǎn)矩儀方案論證121方案論證遵循的基本原則根據(jù)轉(zhuǎn)矩儀研制的用途為工程在線檢測，因此，確定了如下的基本原則：(1)在可靠的基礎(chǔ)上求先進工程檢測設(shè)備，尤其是在線檢測設(shè)備，其可靠性好壞、壽命長短是其最關(guān)鍵的因素，因此，在方案論證時必須充分

13、重視系統(tǒng)的可靠性，可靠性和壽命是維系系統(tǒng)功能發(fā)揮的基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上系統(tǒng)的先進性能彳能得以實現(xiàn)并發(fā)揮其效益。在重視可靠性的同時，應兼顧其性能的先進性，滿足工程測試的基本要求。(2) 精度與穩(wěn)定性相結(jié)合動態(tài)測量及穩(wěn)態(tài)測量精度與靈敏度往往形成矛盾，靈敏度優(yōu)越的系統(tǒng)可能穩(wěn)定性較差，尤其是來自外界的干擾，在動態(tài)響應好的系統(tǒng)上往往產(chǎn)生很大的影響，因此必須重視系統(tǒng)的抗干擾能力。(3)性能與價格并重充分考慮系統(tǒng)性能，尤其是其可擴展性與造價的關(guān)系，力爭在系統(tǒng)形成后，針對柴油機等熱機，具有在熱力性能等方面擴展其測量范圍的可能性，追求較高的性能價格比。122系統(tǒng)方案論證本文的研究是結(jié)合“艦用非接觸式轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器的

14、研制”課題進行的，課題研究適用于艦艇動力裝噩的輸出轉(zhuǎn)矩實時測量的測量設(shè)備，被測轉(zhuǎn)矩范圍比較大，設(shè)備在機艙中工作，環(huán)境比較惡劣。根據(jù)課題要求，綜合比較各種轉(zhuǎn)矩測試設(shè)備的特點后，認為相位差式轉(zhuǎn)矩儀較為符合課題的要求。整個測量系統(tǒng)由傳感器部分和信號處理部分組成1. 傳感器部分的選型相位差式轉(zhuǎn)矩儀的傳感器一般可采用電渦流式、光電式和磁電式三種形式。西安交通大學曾使用清華大學精密儀器與機械學系傳感器研究室研制生產(chǎn)的電渦流傳感器進行實驗，發(fā)現(xiàn)電渦流傳感器有響應速度慢的致命弱點，不能滿足實時性的要求。光電式響應速度快，信號強度不受轉(zhuǎn)速的影響，結(jié)構(gòu)簡單。但其缺點是抗污染能力較弱，需配置外加電源，光源需經(jīng)常更換

15、，可靠性較差，不能測起動和低轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩，靜標困難。磁電式傳感器基于磁感應原理，測量精度高，轉(zhuǎn)速范圍大，結(jié)構(gòu)簡單、可靠，無需外加電源麗有較強的輸出信號，對工作環(huán)境要求不高，不易受到干擾，能在一2060的環(huán)境溫度下J下常工作。根據(jù)課題的要求和各種傳感器的特點，本課題擬采用磁電式傳感器。2信號處理部分信號處理部分的主要功能是磁電式傳感器產(chǎn)生的電壓信號進行數(shù)據(jù)采集，數(shù)模轉(zhuǎn)換，對轉(zhuǎn)換后的信號進行分析處理，得出所需的轉(zhuǎn)速信號和相位差信號，并以此推算出轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。本文使用AD轉(zhuǎn)換板對采集信號進行數(shù)摸轉(zhuǎn)換，直接送入計算機，采用軟件進行后處理。2 執(zhí)行器部分磁電式轉(zhuǎn)矩儀的系統(tǒng)誤差由靜標定誤差和轉(zhuǎn)速特性誤差組成。靜

16、標定誤差主要由扭力軸剛度的非線性引起，通過標定可以消除。轉(zhuǎn)矩儀的轉(zhuǎn)速特性是指在被測軸轉(zhuǎn)矩不變時，其測量值隨軸轉(zhuǎn)速變化的規(guī)律。最理想的轉(zhuǎn)速特性應是測量值與轉(zhuǎn)速變化無關(guān)，但實際上，由于各種因素的影響，理想的轉(zhuǎn)矩儀轉(zhuǎn)速特性難以實現(xiàn)。本章的主要目的是通過對磁電相位差轉(zhuǎn)矩儀的轉(zhuǎn)速特性分析，尋找實現(xiàn)其良好轉(zhuǎn)速特性的途徑，提高轉(zhuǎn)矩的測量精度。21轉(zhuǎn)矩儀轉(zhuǎn)速特性的基本知識按照國家標準，轉(zhuǎn)矩儀轉(zhuǎn)速特性的定義為被測軸轉(zhuǎn)矩不變時，轉(zhuǎn)矩儀測量值隨被測軸轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律。211轉(zhuǎn)矩儀轉(zhuǎn)速特性的種類和特點按轉(zhuǎn)矩儀測量其轉(zhuǎn)速特性時被測軸轉(zhuǎn)矩的大小，其轉(zhuǎn)速特性可分為三類：a零值轉(zhuǎn)速特性零值轉(zhuǎn)速特性是指被測軸轉(zhuǎn)矩為零時，其測量值

17、的變化規(guī)律。此時的轉(zhuǎn)速特性與零點漂移的概念有相似之處，但不能反映被測軸扭轉(zhuǎn)剛度的非線性影響，因此它并非真正的測量儀零點漂移。由于此特性較易獲得，且只與測量儀有關(guān)，因此多用此特性作為反映測量儀的性能指標之一。b部分轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特部分轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性是指被測軸轉(zhuǎn)矩小于量程條件下的非零值轉(zhuǎn)速特性，由于轉(zhuǎn)矩值可多樣化，因此難以建立統(tǒng)一的標準，故通常只做為研究參數(shù)，不做為評價測量儀性能的指標。c滿量程轉(zhuǎn)速特性滿量程轉(zhuǎn)速特性是指在被測軸轉(zhuǎn)矩為滿量程時，其轉(zhuǎn)矩測量值隨被測軸轉(zhuǎn)速的變化情況。由于其包含了整個測量系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速特性，因而可綜合反映系統(tǒng)的零點漂移，故可用作評價系統(tǒng)的測試技術(shù)指標。但作為內(nèi)燃機等發(fā)動機輸出軸轉(zhuǎn)矩

18、測量設(shè)備時，由于原動機速度特性的影響，獲得此特性較為困難，作為實際應用指標較難實現(xiàn)。綜上所述，目前在評價轉(zhuǎn)矩測量儀轉(zhuǎn)速特性誤差方面，應用較多的指標仍為零值轉(zhuǎn)速特性或空載轉(zhuǎn)速特性。22減小轉(zhuǎn)速特性誤差的途徑轉(zhuǎn)速特性誤差是磁電傳感器的固有特性引起，因而不能從原始信號中完全去除。當測試系統(tǒng)設(shè)計合理時，可減小轉(zhuǎn)速特性誤差對測量準確性的影響，從而提高測量精度。從上述分析結(jié)果可知，減小轉(zhuǎn)速特性誤差應從兩方面著手，一方面應盡量使兩個傳感器的參數(shù)一致，并使外電路的輸入電阻遠大于線圈內(nèi)阻。另一方面，要從二次儀表的設(shè)計時，采取合理有效的措施來減小其對系統(tǒng)測量精度的影響。當傳感器與齒輪間隙不變時，對具有對稱齒形的齒

19、輪，傳感器輸出波形具有軸對稱性，這種對稱性不隨軸轉(zhuǎn)速變化而改變。當軸、傳感器座振動引起齒輪與傳感器自J隙變化時，信號的波形對稱性將發(fā)生變化，但此時可對波形進行均值差處理而獲得對稱波形。1.過零觸發(fā)過零觸發(fā)即指當輸入信號電位為零作為丌始計時和停止計時的條件，由于波形的對稱性，傳感器輸出波形的周期只決定于軸轉(zhuǎn)速和齒輪，而與傳感器的特性無關(guān)。出于零值點在對稱波形時可作為其周期的標定點，因此若傳感器輸出波形是軸對稱波形，零值觸發(fā)不會引起由于傳感器幅值特性差異產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速特性誤差。2.分段零值觸發(fā)當轉(zhuǎn)軸、傳感器座振動對波形對稱有影響時，在齒輪齒數(shù)足夠大的條件下?？刹捎梅侄瘟阒涤|發(fā)的方法來減小轉(zhuǎn)速特性誤差。

20、即以齒輪的一個齒作為觸發(fā)波形單位，將這一個波內(nèi)的各采樣點電壓值減去這個波的平均值，使波形單齒對稱。3.軟件補償信號波形的變化與轉(zhuǎn)速有關(guān)，因而可以將扭軸空載時的轉(zhuǎn)速分為若干段，事先測出空載時在各個分段點的初始相位差，根據(jù)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為兩個齒輪的初始偏差角，存儲在計算機中，分段點之間的轉(zhuǎn)速用插值計算初始偏差角，測量轉(zhuǎn)矩時，根據(jù)測得的扭轉(zhuǎn)后的偏差角和當前轉(zhuǎn)速時的初始偏差角計算轉(zhuǎn)矩，由于有負載和空載時轉(zhuǎn)速相同，可以減小轉(zhuǎn)速特性誤差。3 信號采樣部分31 波形的模擬計算傳感器的輸出波形及其信噪比對相位差識別影響較大，因此從理論上搞清影響輸出波形的因素，尋求提高信噪比的途徑對提高轉(zhuǎn)矩測量精度有重要意義，減少試

21、驗的工作量。311影響傳感器輸出波形及信噪比的因素1傳感器線圈匝數(shù)N線圈匝數(shù)影響傳感器輸出波形的幅值，因而其大小對輸出信號的信噪比有影響，通常較大的線圈匝數(shù)可獲得較大的信號電壓，但線圈匝數(shù)增加后，會使線圈內(nèi)阻增大，線圈發(fā)熱量增加改變系統(tǒng)特性。并且線圈中的感生電流產(chǎn)生交變磁場，它將加強或減弱傳感器磁源的磁場，給測量帶來誤差。2傳感器的磁場強度或磁勢F傳感器磁源的磁場強度影響對信噪比的影響與線圈匝數(shù)類似，但由于其本身是傳感器的信號源，因此增大傳感器的磁勢可獲得更好的信噪比，且沒有提高線圈匝數(shù)帶來的副作用。一般多采用高強度磁鐵作為系統(tǒng)的磁源。3傳感器與齒輪齒頂?shù)拈g隙d系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)確定后，是唯一可調(diào)整

22、的對系統(tǒng)有影響的參數(shù)，可以看到感應電勢的大的平方成反比，當增大時，信噪比下降，輸出波形的幅值降低。實際系統(tǒng)安裝時還應考慮軸系振動等對間隙的最小值限制，最好的情況是使艿等于能滿足系統(tǒng)可靠工作的最小值。4齒輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)對于漸開線齒輪，當基圓半徑rb增大時，感應電勢的幅值增大，而基圓半徑rb等于模數(shù)和齒數(shù)的乘積，因而當齒數(shù)和模數(shù)增大時，傳感器的信噪比提高。對于矩形齒輪，理論上的波形是脈沖信號，感應電勢的幅值僅決定于傳感器的響應特性。32 測量系統(tǒng)的總體設(shè)計從提高系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性的觀點來看，系統(tǒng)的硬件部分應盡可能簡單，另外，從第二章的轉(zhuǎn)速特性誤差分析可知，產(chǎn)生信號的感應部分和相位差信號獲取部分的參數(shù)

23、差異是造成轉(zhuǎn)速特性誤差的主要原因，因而，在硬件設(shè)計上應盡量避免這種差異，總體想法是直接以柴油機的輸出軸為彈性軸，由兩個磁電式傳感器產(chǎn)生兩路電壓信號，用AD板將信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號直接送入計算機，轉(zhuǎn)速信號和相位差信號的獲得和處理均由軟件完成，充分發(fā)揮計算機計算能力強和存儲量大的特點。整體結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。3-1 測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖33信號采集和處理部分的設(shè)計331硬件硬件部分的主要功能是將傳感器產(chǎn)生的模擬信號轉(zhuǎn)化為計算機能處理的數(shù)字信號。磁電式傳感器產(chǎn)生的感應電勢比較大，無須進行放大，在硬件上直接使用AD轉(zhuǎn)換板對模擬信號進行處理。這樣做的好處是減少了外電路，增加了系統(tǒng)的可靠性，且AD轉(zhuǎn)換板的輸入電

24、阻一般很大，使傳感器近似丌路，減少了由于外電路參數(shù)不一致造成的轉(zhuǎn)速特性誤差。AD轉(zhuǎn)換板的轉(zhuǎn)換頻率是一個很重要的參數(shù)，它關(guān)系到系統(tǒng)的可識別的最小轉(zhuǎn)矩或轉(zhuǎn)矩分辨率。設(shè)r為轉(zhuǎn)矩分辨率，為單位軸長扭轉(zhuǎn)角，軸轉(zhuǎn)速為n，L為兩齒輪安裝間距，則有采樣頻率的計算公式如下：通常在實際船艇中，采樣時使用了兩個通道，故采樣頻率。即在上述條件下，系統(tǒng)能識別的最小轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的1。這一分辨率隨L的增大和n的降低而提高。采用1Mhz的采樣頻率時，系統(tǒng)最小轉(zhuǎn)矩分辨率為15%。332軟件軟件主要包括以下幾個部分：電壓信號的采集、去除直流分量和濾除雜波、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的獲得。測量的程序框圖如圖3-2所示。信號采集將事先計算好的采

25、樣頻率和一次采樣時間及觸發(fā)方式、掃描方式、通道數(shù)等控制字送入相應的偏移地址，即可丌始采集信號，一次掃描結(jié)束后，根據(jù)采樣位數(shù)將得到的二進制數(shù)轉(zhuǎn)換為浮點數(shù)，送入下一模塊處理，若測量時自j未到，需要重新設(shè)置控制字，繼續(xù)采樣。信號的處理信號處理主要包括信號的濾波和信號相位差識別和頻率識別，信號處理時考慮的原則是使信號的頻率、相位識別結(jié)果真實準確地反映被測軸的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，同時顧及系統(tǒng)的簡單、可靠性以及價格。3-2 軟件部分流程圖信號的濾波采集到的信號波形如圖3-2所示，可以發(fā)現(xiàn)信號中有雜波干擾，直接計數(shù)會產(chǎn)生誤差，因而考慮將雜波濾去，濾波可使用硬件或軟件進行，采用硬件速度快，但增加的兩路濾波電路特性不一

26、致會產(chǎn)生轉(zhuǎn)速特性誤差，軟件濾波可以方便地調(diào)整參數(shù)，而且不會造成兩路信號的差異，本文中采用軟件進行濾波。3-2 原始信號波形3-3 原始信號的功率譜為使濾波器的設(shè)計滿足上述要求，需對原始信號的頻譜進行分析，圖3-3漸開線齒輪信號的分析結(jié)果，從分析的結(jié)果可以看出，信號的主頻集中在低頻段，比干擾的頻率低得多，且主峰突出，其它頻率所占比例很小，濾波器的截止頻率可取得較大而不影響濾波效果。此結(jié)果說明可設(shè)計共用濾波器而不需考慮轉(zhuǎn)速變化范圍的影響。濾波器的設(shè)計考慮硬件濾波和軟件濾波兩種形式的特點，減小或避免由兩路信號濾波器參數(shù)差別或元件特性差異對濾波信號相位特性的影響，較好的方法是采用軟件濾波。軟件濾波存在

27、的問題是需解決濾波時問問題，其系統(tǒng)相位的識別時間必須滿足監(jiān)測的要求，并且濾波必須保證相位不失真。轉(zhuǎn)矩是通過測量兩路信號的相位差得到的，因而在濾波時，最好采用有線性相位特性的濾波器，也即沖擊響應為奇對稱的FIR濾波器t261但從實際效果上來看，為取得較為理想的濾波效果，F(xiàn)IR濾波器的階數(shù)要取得較高，這時的計算的時間加長，對測量的實時性不利。圖3-4、圖3-5，圖3-6、圖3-7、圖3-8分別顯示了原始信號經(jīng)過二階ButterworIlI濾波器、二階、四階、八階、十二階FIR濾波器后得到的波形。3-4 經(jīng)過二階Buttcrworth濾波囂后的波形3-5 二階FIR游波后的波形3-6 四階FIR濾波

28、后的波形3-7 八階F1R濾波后的波形3-8 十二階FIR濾波后的波形4 應用的傳感器41 傳感器概述411引文隨著社會的進步，科學技術(shù)的發(fā)展，特別是近 20 年來，電子技術(shù)日新月異，計 算機的普及和應用把人類帶到了信息時代， 各種電器設(shè)備充滿了人們生產(chǎn)和生活的各 個領(lǐng)域，相當大一部分的電器設(shè)備都應用到了傳感器件，傳感器技術(shù)是現(xiàn)代信息技術(shù) 中主要技術(shù)之一，在國民經(jīng)濟建設(shè)中占據(jù)有極其重要的地位。412分類1、轉(zhuǎn)軸式的，由轉(zhuǎn)軸將速度傳遞出來，到一個小的發(fā)電機，很小的那種，根據(jù)發(fā)電機所建立的電壓，推算出轉(zhuǎn)速。2、電磁感應式，在轉(zhuǎn)動的軸上安裝齒輪，外側(cè)是電磁線圈，轉(zhuǎn)動是由于輪齒間隙通過，得到方波變化的

29、電壓，再推算出轉(zhuǎn)速。413定義單位時間內(nèi)位移的增量就是速度。速度包括線速度和角速度，與之相對應 的就有線速度傳感器和角速度傳感器，我們都統(tǒng)稱為速度傳感器。414原理磁電式速度傳感器為慣性式速度傳感器，其工作原理為：當有一線圈在穿過其 磁通發(fā)生變化時，會產(chǎn)生感應電動勢，電動勢的輸出與線圈的運動速度成正比。磁電式傳感器的結(jié)構(gòu)有兩種，一種是繞組與殼體連 接，磁鋼用彈性元件支承，另一 種是磁鋼與殼體連接，繞組用彈性元件支承。常用的是后者，為磁電式速度 計的典型結(jié)構(gòu)。 在測振時，傳感器固定或緊壓于被測系統(tǒng)，磁鋼與殼體一起隨 被測系統(tǒng)的振動而振動，裝在芯軸上的線圈和阻尼環(huán)組成慣性 系統(tǒng)的質(zhì)量塊 并在磁場中

30、運動。彈簧片徑向剛度很大、軸向剛度很小，使慣性系統(tǒng)既得到可靠的 徑向支承，又保證有很低的軸向 固有頻率。阻尼環(huán)一方面可增加慣性系統(tǒng)質(zhì)量，降 低固有頻率，另一方面在磁場中運動產(chǎn)生的阻尼力使振動系統(tǒng)具有合理的阻尼. 因線圈是作為質(zhì)量塊的組成部分，當它在磁場中運動時，其輸出電壓與線圈切割 磁力線的速度成正比。前已指出，由基礎(chǔ)運動 所引起的受迫振動，當 w>>wn 時，質(zhì) 量塊在絕對空間中近乎靜止，從而被測物（ 它和殼體固接）與質(zhì)量塊的相對位移、 相對速度就分別近似其絕對位移和絕對速度。這樣，絕對式速度計實際上是先由慣性。415總結(jié)由于微電子技術(shù)和微機械加工技術(shù)發(fā)展，傳感器正向微型化、多功

31、能化，智能化 方向發(fā)展。微型化傳感器利用微機械的加工技術(shù)將微米級的敏感元件、信號調(diào)理器、 數(shù)據(jù)處理裝置集成封裝在一塊芯片上。這將成為一種趨勢。416傳感器實例概述 HSBG-V3950系列磁阻式/磁電式測速傳感器是針對測速齒輪而設(shè)計，安裝在靠近測速齒輪的方。具有抗干擾性能好，抗振動、安裝使用方便，可在煙霧、油氣、水氣等惡劣環(huán)境中使用的特點。應用于電廠、水泥廠、水泵廠、風機廠、煤炭、礦山、石油化工、鋼鐵冶金、造紙廠等行業(yè)。主要技術(shù)指標* 直流電阻：約350+15(25) 抗 振 動：20g* 測速齒輪形式：模數(shù)2 4（漸開線齒輪） 相對濕度：90%* 螺紋規(guī)格：16傳感器（M16×1.

32、0） 工作溫度：-30 +130傳感器樣式5 試驗及結(jié)果分析51試驗設(shè)計511臺架試驗的目的臺架試驗的目的是檢驗設(shè)計的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)是否滿足實船設(shè)計要求，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計存在的不足并為今后進一步研究打下基礎(chǔ)。512試驗設(shè)計試驗設(shè)備以目前的實驗室臺架已有設(shè)備為基礎(chǔ)，經(jīng)適當改造形成試驗臺架，臺架的構(gòu)成框圖如圖43所示，主要設(shè)備包括6-135ZC柴油機，額定功率為882KW，額定轉(zhuǎn)速為1500rmin，輸出軸直徑為71ram，材料為低碳鋼，兩個齒輪的緊固螺釘之間的距離為420mm，在輸出端用水力測功器來提供外負載。根據(jù)對采樣頻率的要求，選擇了PT-6342超高速模入接口卡進行數(shù)據(jù)采集和數(shù)模轉(zhuǎn)換，PT

33、-6342超高速模入接口卡適用于具有ISA總線的Pc系列微機，具有良好的兼容性，CPU從現(xiàn)在廣泛使用的64位處理器直到早期的16位處理器均可適用，在硬件上的安裝也十分簡便，使用時只需將接口卡插入機內(nèi)ISA總線插槽即可，信號電纜從機箱外部直接接入。其最高AD轉(zhuǎn)換頻率可達125MHz；AD轉(zhuǎn)換分辨率為12位；最大輸入通道數(shù)單端輸入時為16路，雙端輸入時為8路，為擴展其它功能提高了條件；輸入阻抗大于10M o，遠高于傳感器內(nèi)阻，可使傳感器接近于丌路，減小了由于外電路的參數(shù)不一致引起的轉(zhuǎn)速特性誤差；板上帶有128K*16Bit的存儲器，一次采樣時問可達013秒。PT-6342接口卡在使用前需根據(jù)實際的

34、測量要求設(shè)置跳線，卡上有一個八位選擇開關(guān)Kl和八個跳線丌關(guān)JK1Jk8。八位選擇丌關(guān)Kl用于選擇所需的初始地址，可選擇范圍為100H36FH之問，使用前應根據(jù)具體計算機的情況，選擇不會發(fā)生沖突的基地址，本文中將基地址設(shè)為100H。跳線開關(guān)JKl、JK2用于選擇單雙端輸入方式，JK3用于選擇碼制，JK4用于選擇總采樣倍數(shù)，JK5是通道標志，JK6用于可預置模擬電平觸發(fā)方式選擇，JK7選擇存儲器映像地址，JK8用于選擇中斷號。根據(jù)本系統(tǒng)信號采集的特點，將JK1、JK2置為單端輸入方式，JK3值為雙極性二進制偏移碼方式，其余跳線開關(guān)不改變。 4-1 PT一6342接。卡布局圖在采樣程序中，首先將轉(zhuǎn)換

35、板簧為主機讀寫狀態(tài)，分別送入通道號，掃描方式，然后送入采樣狀態(tài)控制字，在不同的偏移地址上寫入掃描頻率，采樣總數(shù)，啟動AD轉(zhuǎn)換矗到獲得采樣結(jié)束標志。采樣得到的數(shù)掘為16位二進制數(shù)，前4位為通道號，后12位為數(shù)據(jù)，本實驗采用的是雙極性工作方式，則第5位為J下負標志，用后1l位表示O5v的電壓。為使用方便，需將數(shù)據(jù)位轉(zhuǎn)化為浮點數(shù)，轉(zhuǎn)化公式為：電壓值=數(shù)碼(12位)*104095-5(V)電壓分辨率為52047=0.244mV。試驗條件分析由于系統(tǒng)中無精密轉(zhuǎn)矩測量設(shè)備，水力測功器較難準確設(shè)定、精確測量轉(zhuǎn)矩(水力測功器讀數(shù)分度為2Kg)，被測軸段較短，變形較小，在柴油機滿負荷時，兩齒輪刪的扭轉(zhuǎn)角只有006950CA，約為系統(tǒng)量程的10%左右，因此難以通過水力測功器直接對測量系統(tǒng)的精度進行標定。解決問題的方法由于臺架設(shè)備性能與系統(tǒng)試驗目杯存在矛盾，為良好達到試驗目的，必須合理解決矛盾。矛盾的關(guān)鍵是由于臺架設(shè)備無法準確計量產(chǎn)生軸變形的轉(zhuǎn)矩和使被測軸有足夠大的變形。被測軸變形的大小對測量系統(tǒng)的影響，核心是其兩路信號相位差的大小以及準確地確定此相位差，因此可以想象