基于應(yīng)變式傳感器的扭矩檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于應(yīng)變式傳感器的扭矩檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和測(cè)試技術(shù)的開展，對(duì)扭矩傳感器提出了更高的要求。工程和實(shí)際中,許多情況下必須控制和知道扭矩的大小。本文是在比照多種傳感器的根底上針對(duì)其他扭矩傳感器的缺點(diǎn)，研制開發(fā)了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作穩(wěn)定的新型高精度應(yīng)變式扭矩測(cè)量?jī)x。本文對(duì)扭矩傳感器的開展現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，并明確了研究?jī)?nèi)容和工作步驟。在扭矩傳感器主體的設(shè)計(jì)過程中，首先介紹了應(yīng)變式扭矩傳感器的測(cè)量原理，介紹了一種高精度智能控制扭矩測(cè)試儀的設(shè)計(jì),描述了該儀器的主要機(jī)械結(jié)構(gòu)、電路結(jié)構(gòu)和工作原理,給出了軟件程序流程。采用高精度應(yīng)變式傳感器，數(shù)據(jù)采集分析技術(shù)設(shè)計(jì)小量程的靜態(tài)及低轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)扭矩。檢測(cè)裝置到達(dá)了預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)要求，相對(duì)于其他檢測(cè)方式精度高而且操作方便。關(guān)鍵詞：應(yīng)變式傳感器扭矩測(cè)量電橋ThedesignoftorquemeasurementsystembasedonstrainAbstractRecently，withthedevelopmentoftesttechnologyandtheprogressofscienceandtechnology，torquesensorisputforwardhigherrequirement．Thetorquemomentsizemustbecontrolledandknowninengineeringandpracticality.Thispapercontraposingtheshortcomingsofothertorquesensorsakindofstraingaugehigh-precisiontorqueinstrumentisdesignedanddeveloped,whichhassimplestructureandhighstability.Thepresentdevelopmentsituationoftorquesensorisinvestigatedinthispaper,andconfirmstheresearchcontentandprocedure．Duringthecourseofdesigningmainbodyoftorquesensor,measurementpimpleofstraintorquesensorisintroducedfirstly.Thispaperintroducesthedesignofaprecisetorsiontestinginstrumentbasedonasinglechip,givingthemechanismstructure,thecircuitdiagramandthesamplemachine.Usingofhigh-precisiontorquesensors,dataacquisitionandanalysistechniquestodesignsmallrangeofstatictorquecanachievetheexpectedrequirementsandalsocangetthehigherprecisionandeasieroperationrelivingtothehangingweightdetector.Keywords:torquesensor，torquemeasurement，bridgemethod目錄摘要IAbstractII1緒論11.1引言11.2課題的研究背景與來源1課題研究背景11.2.2課題研究來源21.3扭矩測(cè)量開展現(xiàn)狀及扭矩檢測(cè)的幾種方法2扭矩測(cè)量的開展現(xiàn)狀2扭矩測(cè)量的幾種方法3扭矩測(cè)量的開展前景51.4課題研究的內(nèi)容和方法51.4.1課題研究?jī)?nèi)容51.4.2課題研究方法62檢測(cè)裝置的根本原理和總體方案72.1引言72.2檢測(cè)裝置整體系統(tǒng)框圖72.3電阻應(yīng)變片及扭矩測(cè)量的根本原理：7電阻應(yīng)變片的根本原理72．3.2扭矩測(cè)量的根本原理92.4各局部功能介紹102.5方案論證113扭矩傳感器的設(shè)計(jì)123.1引言123.2應(yīng)變片的選用123.3彈性敏感元件設(shè)計(jì)133.4扭矩傳感器的硬件結(jié)構(gòu)133.4.1彈性軸材料的選擇和確定133.4.2聯(lián)軸器的選用14導(dǎo)電滑環(huán)及滑臂電刷的選用164扭矩檢測(cè)系統(tǒng)各局部電路的設(shè)計(jì)184.1引言184.2電橋電路18電橋電路的選用184.3放大電路的設(shè)計(jì)及硬件選用。20放大電路的設(shè)計(jì)204.3.2放大電路的誤差分析234.4低通濾波電路的設(shè)計(jì)234.5A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)244.6單片機(jī)電路及硬件選取274.7LCD顯示電路及硬件選取284.8硬件的抗干擾措施315軟件局部簡(jiǎn)介335.1引言335.2主程序包含的各局部模塊的定義及功能345.3數(shù)據(jù)處理子程序345.4LCD顯示局部流程35結(jié)束語(yǔ)37致謝38參考文獻(xiàn)39附錄一···································································411緒論1.1引言隨著電子化，以及機(jī)械化水平的提高，傳感器技術(shù)已經(jīng)成為了工業(yè)自動(dòng)控制控制領(lǐng)域中重要的一局部。各種工業(yè)產(chǎn)品裝配線上使用的自動(dòng)化緊固工具和裝置，例如電動(dòng)板旋鑿，都需要扭矩傳感器提供緊固力矩信號(hào)，并按照設(shè)定的擰緊力矩進(jìn)行作業(yè)；在各種自動(dòng)化生產(chǎn)過程中，例如深孔鉆削作業(yè)中的鉆頭過載保護(hù)和自動(dòng)提升排屑，數(shù)控金屬切削機(jī)床的自整定系統(tǒng)等，也都可以通過工作軸轉(zhuǎn)矩的在線檢測(cè)，到達(dá)工藝過程的自控目的。隨著汽車電子化程度的提高，特別是CPU技術(shù)在汽車上的大量應(yīng)用，使傳感器技術(shù)成為開展汽車電子控制系統(tǒng)的關(guān)鍵。對(duì)汽車的各種電控系統(tǒng)而言，其中最重要的兩個(gè)根本參數(shù)是發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷。目前轉(zhuǎn)速測(cè)量無論在實(shí)驗(yàn)室中還是汽車上，都已到達(dá)了實(shí)用的程度，而負(fù)荷測(cè)量方法雖然在實(shí)驗(yàn)室中得到了廣泛應(yīng)用，但由于檢測(cè)儀器本身的體積、本錢、可靠性或準(zhǔn)確度等問題的存在，加之其它一些條件的限制，使其還沒有完全適用于車載實(shí)測(cè)。目前，汽車上廣泛使用的負(fù)荷檢測(cè)方法均屬于間接測(cè)量方法，測(cè)量準(zhǔn)確度比擬低。扭矩傳感器屬于負(fù)荷的直接檢測(cè)方法，最有希望成為汽車未來實(shí)用的、高準(zhǔn)確度的負(fù)荷傳感器。因此，研制出一種高準(zhǔn)確度動(dòng)態(tài)扭矩測(cè)量?jī)x對(duì)自動(dòng)控制及汽車制造業(yè)等領(lǐng)域具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。1.2課題的研究背景與來源課題研究背景扭矩是旋轉(zhuǎn)動(dòng)力機(jī)械的重要工作參數(shù)，而扭矩測(cè)量已經(jīng)成為機(jī)械量測(cè)量中一個(gè)重要組成局部。假設(shè)能準(zhǔn)確、可靠、方便地測(cè)出受試機(jī)械的平均或瞬時(shí)的扭矩值、轉(zhuǎn)速和功率，這將有利于改良和提高其性能。同時(shí)，裝置測(cè)試系統(tǒng)可作旋轉(zhuǎn)動(dòng)力機(jī)械日常運(yùn)行的監(jiān)視裝置，起到故障診斷或可用作自動(dòng)控制系統(tǒng)的檢測(cè)裝置。扭矩測(cè)量是各種機(jī)械產(chǎn)品的開發(fā)研究、測(cè)試分析、質(zhì)量檢驗(yàn)、型式鑒定和節(jié)能、平安或優(yōu)化控制等工作中必不可少的內(nèi)容。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅猛開展，扭矩測(cè)量技術(shù)已充分引起人們的重視，成為測(cè)試技術(shù)的一個(gè)新分支。扭矩已成為眾多機(jī)械量測(cè)量中的一個(gè)主要參數(shù)。近年來，世界各工業(yè)興旺國(guó)家相繼探討出許多扭矩測(cè)試新技術(shù)，研制、生產(chǎn)出較多的新穎扭矩測(cè)量?jī)x。改革開放以來，我們走技術(shù)引進(jìn)、自主創(chuàng)新之路，極大的推動(dòng)了扭矩測(cè)量技術(shù)的開展。在高新技術(shù)中，扭矩測(cè)量技術(shù)是綜合應(yīng)用機(jī)械、電子、物理、計(jì)算機(jī)等多方面知識(shí)的一門學(xué)科。扭矩測(cè)量應(yīng)用范圍很廣泛，它滲透到工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸、航天航空、國(guó)防、能源等各個(gè)領(lǐng)域。由于微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、軟件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高度開展及其在電子測(cè)量技術(shù)與儀器上的應(yīng)用，新的測(cè)試?yán)碚?、測(cè)試方法、測(cè)試領(lǐng)域以及新的儀器結(jié)構(gòu)不斷出現(xiàn)，在許多方面已經(jīng)突破傳統(tǒng)儀器的概念，電子測(cè)量?jī)x器的功能和作用已經(jīng)發(fā)生了質(zhì)的變化。在這種背景下，八十年代末美國(guó)率先研制成功虛擬儀器，虛擬儀器就是利用現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)，加上特殊設(shè)計(jì)的儀器硬件和專用軟件，形成既有普通儀器的根本功能，又有一般儀器所沒有的特殊功能的高檔、低價(jià)的新型儀器，虛擬儀器的出現(xiàn)是儀器開展史上的一場(chǎng)革命，代表著儀器開展的最新方向和潮流，對(duì)科學(xué)技術(shù)的開展和工業(yè)生產(chǎn)的進(jìn)步產(chǎn)生不可估量的影響。1.2.2課題研究來源本課題旨在采用高精度的應(yīng)變式傳感器、數(shù)據(jù)采集分析技術(shù)設(shè)計(jì)小量程的靜態(tài)及動(dòng)態(tài)扭矩檢測(cè)裝置，具有一定的先進(jìn)性，及準(zhǔn)確性。扭矩檢測(cè)是一種常規(guī)的機(jī)械產(chǎn)品性能指標(biāo)檢測(cè)方法，也是科研試驗(yàn)中經(jīng)常用到的一種檢測(cè)手段。但市售的成熟產(chǎn)品價(jià)格昂貴，或者采用懸掛砝碼的方式檢測(cè)，精度不高并且操作不便。本課題主要設(shè)計(jì)一種方便易用的靜態(tài)扭矩的檢測(cè)裝置。1.3扭矩測(cè)量開展現(xiàn)狀及扭矩檢測(cè)的幾種方法扭矩測(cè)量的開展現(xiàn)狀在生產(chǎn)和科研中，對(duì)機(jī)械設(shè)備扭矩的測(cè)量已經(jīng)越來越重要，通過對(duì)扭矩的測(cè)量可以對(duì)機(jī)械設(shè)備的進(jìn)一步改良設(shè)計(jì)取得重要的現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)，為改良設(shè)計(jì)取得全面的一手資料。其對(duì)生產(chǎn)及科研具有相當(dāng)?shù)闹匾饬x。目前，扭矩測(cè)量?jī)x大致可分為以下幾種：應(yīng)變扭矩測(cè)量?jī)x，相位差扭矩測(cè)量?jī)x，振弦式、電容式、磁彈性式測(cè)量?jī)x。由于各種扭矩測(cè)量?jī)x的測(cè)試方式不同，使得其應(yīng)用范圍不同。扭矩測(cè)量技術(shù)的開展取決于傳感器、信號(hào)傳輸和測(cè)量?jī)x的研究。目前，由于微機(jī)的應(yīng)用，扭矩測(cè)量?jī)x性能大大提高，而傳感器的研究與測(cè)量?jī)x相比稍有遜色。因此必須加強(qiáng)傳感器的研究，這就要從傳感器種類、精度、規(guī)格、安裝、信號(hào)傳遞等方面加以研究。目前傳感器主要開展動(dòng)如下。傳感器從介入式開展成不介入式。以往扭矩傳感器大局部屬于介入式，即必須作為傳動(dòng)軸一局部才能使用，這樣限制了它的應(yīng)用范圍，一般用于實(shí)驗(yàn)室、臺(tái)架測(cè)量?，F(xiàn)在逐漸推廣的卡環(huán)式應(yīng)變型扭矩傳感器，即為不介入式扭矩傳感器，只要將傳感器卡在軸上或安裝在軸邊，無須斷開軸系，這樣給實(shí)際工況測(cè)量扭矩帶來很大的方便。再如振弦式傳感器、磁彈性傳感器都屬于不介入式扭矩傳感器。對(duì)新型扭矩傳感器的研究的同時(shí)并對(duì)經(jīng)典扭矩傳感器加以改良。隨著新原理、新材料的發(fā)現(xiàn)和微細(xì)加工、微機(jī)械加工技術(shù)的開展和應(yīng)用，正在促進(jìn)傳統(tǒng)傳感器的變革，新型磁彈性傳感器和光纖扭矩傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便，代表扭矩傳感器的新動(dòng)向。在信號(hào)傳輸方面，以往采用的是接觸式滑環(huán)傳輸，這種傳輸方式易磨損、需常清洗、安裝難，容易引入干擾信號(hào)。近期推出的傳感器一般均為無接觸式傳輸。如感應(yīng)方式或遙測(cè)體制，它克服了接觸式傳輸?shù)娜秉c(diǎn)。隨著檢測(cè)變換集成化和多功能化，將過去先檢測(cè)傳輸、后對(duì)信號(hào)進(jìn)行變換處理的概念演變?yōu)橄葯z測(cè)變換處理，后再進(jìn)行傳輸，這一變更已成為可能。扭矩測(cè)量?jī)x的智能化、微機(jī)化是當(dāng)今測(cè)量?jī)x變革的主流，單片微機(jī)和軟件的開發(fā)應(yīng)用已使信號(hào)的檢測(cè)、采集、比擬、相關(guān)、數(shù)字濾波、域間變換、邏輯和函數(shù)運(yùn)算、程序給定和反應(yīng)控制等功能由儀器本身來實(shí)現(xiàn)成為可能。軟件擴(kuò)展了結(jié)構(gòu)的性能限制，并使儀器具有智能化。既能適應(yīng)被測(cè)參數(shù)的變化來自選量程、自動(dòng)補(bǔ)償、自動(dòng)校正、人機(jī)對(duì)話、自尋故障，并能方便的與總線接口，進(jìn)行多臺(tái)聯(lián)機(jī)通信及控制[8]。在扭矩傳感器信號(hào)傳輸及測(cè)量?jī)x的總成上，工業(yè)化扭矩儀研制的呼聲愈來愈高，一改以往扭矩測(cè)量?jī)x多半應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室臺(tái)架測(cè)量的情景。工業(yè)化扭矩儀的要求是必需滿足苛刻的工業(yè)應(yīng)用環(huán)境，即可靠性要高，重復(fù)性要好，價(jià)格要低廉，與機(jī)器匹配，安裝方便，但精度要求不高，用其作為指導(dǎo)生產(chǎn)、保護(hù)機(jī)械不受損傷的有效手段。虛擬儀器利用個(gè)人計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的圖形環(huán)境和在線幫助功能，建立虛擬儀器面板，完成對(duì)儀器的控制、數(shù)據(jù)分析和顯示，代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器，改變傳統(tǒng)儀器的使用方式，提高儀器的功能和使用效率，大幅度降低儀器價(jià)格，使用戶可以根據(jù)自己的需要定義儀器的功能。目前，虛擬儀器在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、使用已經(jīng)十分普及，很多企業(yè)使用虛擬儀器系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，虛擬儀器將會(huì)逐步取代傳統(tǒng)的測(cè)試儀器而成為測(cè)試儀器的主流。1.3.2扭矩測(cè)量的幾種方法(1)磁致伸縮式(壓磁式)扭矩傳感器。這種傳感器的扭力軸由鐵磁材料做成的。把繞有線圈的兩個(gè)π形鐵心安裝在扭軸周圍，在其中一個(gè)鐵心的線圈中通以交流電，在扭軸周圍形成交變磁場(chǎng)，稱為勵(lì)磁線圈，另一個(gè)鐵心的線圈用來產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，稱為測(cè)量線圈。當(dāng)扭力軸受轉(zhuǎn)矩作用時(shí)，扭軸沿正應(yīng)力方向磁阻減小，沿負(fù)應(yīng)力方向磁阻增大，其外表上出現(xiàn)各向異性磁阻特性，使交變磁場(chǎng)的磁力線重新分布，從而使測(cè)量線圈上的感應(yīng)電勢(shì)發(fā)生相應(yīng)的變化。在一定范圍內(nèi)，感應(yīng)電勢(shì)與軸上所受扭矩成線性關(guān)系。這樣，通過檢測(cè)感應(yīng)電勢(shì)，便可測(cè)量扭矩。這種傳感器屬于接觸測(cè)量，響應(yīng)速度快，靈敏度高，穩(wěn)定性好，抗過載能力及抗干擾能力強(qiáng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。但其致命弱點(diǎn)是沿扭力軸圓周分布的磁導(dǎo)率存在固有偏差，從而無法到達(dá)較高的準(zhǔn)確度。(2)光電式扭矩傳感器。美國(guó)NASA劉易斯研究所中心曾對(duì)此項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行過研究。在扭力軸上相距一定的位置上固定安裝兩片圓盤形光柵，在無轉(zhuǎn)矩作用時(shí)，兩片光柵的明暗條紋錯(cuò)開，完全遮擋光路因此置于光柵另一側(cè)的光敏元件無光照射，亦無電信號(hào)輸出。當(dāng)有轉(zhuǎn)矩作用在扭力軸上時(shí)，安裝光柵處的兩截面產(chǎn)生相對(duì)轉(zhuǎn)角，使得兩片光柵的明暗條紋發(fā)生局部重合，便有局部光線透過兩光柵照射到光敏元件上，從而輸出電信號(hào)。轉(zhuǎn)矩越大，扭轉(zhuǎn)角就越大，照射到光敏元件上的光越多，因而輸出的電信號(hào)也就越大。因此通過檢測(cè)輸出的電信號(hào)，即可測(cè)量出外加的扭矩。這種扭矩傳感器抗干擾能力和可靠性較差，不能測(cè)量起動(dòng)和低轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩，靜標(biāo)困難，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，目前很少使用。(3)磁電式扭矩傳感器。該扭矩傳感器是根據(jù)磁感應(yīng)原理設(shè)計(jì)的。在被測(cè)的扭力軸上相距一定距離的兩端處各安裝一個(gè)齒形轉(zhuǎn)輪(相差盤)，靠近轉(zhuǎn)輪沿徑向各放置一個(gè)感應(yīng)式脈沖發(fā)生器(在永久磁鐵上繞一個(gè)固定線圈而制成，又稱電磁檢測(cè)器；當(dāng)轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，便在兩個(gè)脈沖發(fā)生器中產(chǎn)生正弦信號(hào)，而這兩個(gè)正弦信號(hào)的相位差與外加轉(zhuǎn)矩成正比；因此，通過檢測(cè)這個(gè)相位差，即可測(cè)量出扭力軸所傳遞的轉(zhuǎn)矩。這種轉(zhuǎn)矩傳感器可測(cè)起動(dòng)和低速轉(zhuǎn)矩，但動(dòng)態(tài)特性不好，不適于高速轉(zhuǎn)動(dòng)中的扭矩測(cè)量。目前在國(guó)內(nèi)外實(shí)驗(yàn)室中，這種轉(zhuǎn)矩傳感器應(yīng)用的比擬廣泛。此外，國(guó)外還有一種利用發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的前、后端在工作時(shí)產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)角來測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩的方法，但這種方法只有在較大負(fù)荷時(shí)才可靠。(4)應(yīng)變式扭矩傳感器。沿扭力軸的軸向±45°方向分別粘貼4個(gè)應(yīng)變片，組成全橋電路的四個(gè)橋臂，用以感受同向的最大正應(yīng)變。當(dāng)扭力軸受扭時(shí)，應(yīng)變片的電阻率發(fā)生變化，電阻的變化通過電橋輸出與外加扭矩成正比的電壓信號(hào)，然后經(jīng)適當(dāng)?shù)姆绞綄⒃撾妷旱男盘?hào)引出，通過處理后便可計(jì)算出外加扭矩。這種扭矩傳感器使用范圍廣，能測(cè)量瞬時(shí)扭矩及起動(dòng)扭矩(動(dòng)態(tài)測(cè)量)，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量準(zhǔn)確度高；但抗干擾能力較差,溫度、濕度以及粘接劑等對(duì)準(zhǔn)確度都有影響。應(yīng)變式扭矩傳感器的信號(hào)傳輸技術(shù)是這類傳感器的關(guān)鍵技術(shù)，業(yè)內(nèi)已有3種成熟的傳輸方法，解決高速旋轉(zhuǎn)工況下，鼓勵(lì)電源輸入到應(yīng)變橋路及信號(hào)輸出到顯示儀表所存在的傳輸問題。(a)集流環(huán)傳輸利用這種傳輸技術(shù)的應(yīng)變片式轉(zhuǎn)矩傳感器，在測(cè)量汽車半軸轉(zhuǎn)矩方面得到了應(yīng)用；測(cè)量時(shí)需用測(cè)量軸更換汽車半軸。由于該傳輸技術(shù)屬于接觸式傳輸，隨著磨損增加，將引起接觸電阻變化，進(jìn)而產(chǎn)生噪聲干擾和零漂，壽命短，費(fèi)用高，不適宜惡劣環(huán)境和高速測(cè)量；另外它對(duì)安裝要求很高，調(diào)試技術(shù)也較復(fù)雜。(b)電感〔變壓器)耦合傳輸在電源輸入上，利用電感耦合機(jī)理，將外部鼓勵(lì)電源與旋轉(zhuǎn)體上的應(yīng)變橋路連接起來；同樣，在信號(hào)傳輸上也利用電感耦合原理將旋轉(zhuǎn)體上的電橋電路產(chǎn)生的測(cè)量信號(hào)輸出到外部處理電路；由此實(shí)現(xiàn)了電源和扭矩信號(hào)的非接觸傳遞，做到了扭矩信號(hào)的傳遞與是否旋轉(zhuǎn)無關(guān)，與轉(zhuǎn)速大小無關(guān)，與旋轉(zhuǎn)方向無關(guān)。由于是非接觸式傳輸，就沒有導(dǎo)電電環(huán)等磨損件因而也就不存在由電環(huán)磨損引起的噪聲干擾和零漂等問題。利用這種傳輸技術(shù)的應(yīng)變式扭矩傳感器可以高速長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，既可以測(cè)量靜態(tài)扭矩也可以測(cè)量動(dòng)態(tài)扭矩；穩(wěn)定性好，抗干擾性強(qiáng)，具有較高的準(zhǔn)確度和較好的頻率特性和溫度特性。。由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修也比擬方便。(c).這種傳輸方式隨著大規(guī)模集成電路、固體模塊器件及微型電路的開展，使發(fā)射機(jī)可以做得極小(可達(dá)克級(jí))，耗電極少。因此，采用無線傳輸方法檢測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械和往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)械上的參數(shù)，具有突出優(yōu)點(diǎn)，其檢測(cè)準(zhǔn)確度超過了集流環(huán)式。1.3.3扭矩測(cè)量的開展前景隨著各種被測(cè)系統(tǒng)復(fù)雜性和自動(dòng)化程度的不斷提高，扭矩測(cè)量方法也在不斷地推陳出新，目前扭矩測(cè)量方法的開展趨勢(shì)主要表達(dá)在以下幾個(gè)方面：〔1〕向直接測(cè)量扭矩的方向開展；〔2〕向動(dòng)態(tài)在線扭矩測(cè)量的方向開展；〔3〕向多功能扭矩測(cè)量的方向開展；〔4〕向扭矩優(yōu)化測(cè)量的方向開展；〔5〕向數(shù)字化智能化網(wǎng)絡(luò)化扭矩測(cè)量的方向開展；(6)扭矩傳感器新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)為扭矩測(cè)量方法的適時(shí)更新提供了新途徑。例如扭矩傳感器逐步向微型化和巨型化方向開展；從單件單品種向成套系列化方向開展；由介入式逐漸開展為非介入式；向原器件集成化和信號(hào)處理智能化的方向開展；出現(xiàn)了非接觸式和光電結(jié)合式扭矩傳感器；利用非晶材料的優(yōu)良性能研制新型扭矩傳感器等等。1.4課題研究的內(nèi)容和方法1.4.1課題研究?jī)?nèi)容傳感器采用電阻應(yīng)變片，此傳感器抗振動(dòng)、耗能低、性能穩(wěn)定可靠、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，適合轉(zhuǎn)速低且要求轉(zhuǎn)速測(cè)量精度高和進(jìn)行角度測(cè)量的場(chǎng)合使用?！?〕研究扭矩測(cè)量的原理，針對(duì)現(xiàn)有測(cè)量方法的優(yōu)缺點(diǎn)，提出最正確的測(cè)量?！?〕通過研究和計(jì)算，確定扭矩傳感器傳動(dòng)軸的材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)?！?〕針對(duì)現(xiàn)有的動(dòng)態(tài)扭矩傳感器在電源輸入方式上的缺陷，通過研究和論證提出新的信號(hào)傳遞方式?！?〕設(shè)計(jì)傳感器電路，選取應(yīng)變片和電子元件?！?〕對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并進(jìn)行誤差分析，通過研究提出誤差的主要來源和減小誤差的方法。本課題所研制的扭矩測(cè)量?jī)x的預(yù)期目標(biāo)如下：(1)扭矩測(cè)量范圍:0～200N·m，轉(zhuǎn)速適用范圍：0～200rpm。(2)扭矩儀誤差指標(biāo)：線性度0.15%，遲滯誤差0.3%，重復(fù)性誤差0.15%，測(cè)量誤差0.5%1.4.2課題研究方法扭矩會(huì)使傳動(dòng)軸產(chǎn)生一定的應(yīng)變，而且這種應(yīng)變與扭矩的大小存在著比例關(guān)系，因此可以通過電阻應(yīng)變片來檢測(cè)相應(yīng)扭矩的大小當(dāng)傳動(dòng)軸受到扭矩作用時(shí)會(huì)發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，最大剪應(yīng)變產(chǎn)生在與軸線成角的方向上，在此方向上粘貼電阻應(yīng)變片能夠檢測(cè)到傳動(dòng)軸所受扭矩的大小。將專用的測(cè)扭應(yīng)變片用應(yīng)變膠粘貼在被測(cè)彈性軸上并組成應(yīng)變橋,應(yīng)變橋提供電源即可測(cè)得該彈性軸受扭的電信號(hào)。將該應(yīng)變信號(hào)放大后，經(jīng)低通濾波送入A/D轉(zhuǎn)換，然后經(jīng)單片機(jī)處理送顯示屏顯示其大小。這種接法可以消除軸向力和彎曲力的干擾。2檢測(cè)裝置的根本原理和總體方案2.1引言將專用的測(cè)扭應(yīng)變片用應(yīng)變膠粘貼在被測(cè)彈性軸上并組成應(yīng)變橋,應(yīng)變橋提供電源即可測(cè)得該彈性軸受扭的電信號(hào)。將該應(yīng)變信號(hào)放大后，經(jīng)低通濾波送入A/D轉(zhuǎn)換，然后經(jīng)單片機(jī)處理送顯示屏顯示其大小。這種接法可以消除軸向力和彎曲力的干擾。2.2檢測(cè)裝置整體系統(tǒng)框圖檢測(cè)裝置整體系統(tǒng)框圖如圖2-1所示A/D轉(zhuǎn)換電路低通濾波電路液晶顯示51單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換電路低通濾波電路液晶顯示51單片機(jī)測(cè)量放大電路采集電路圖2-1檢測(cè)裝置整體系統(tǒng)框圖2.3電阻應(yīng)變片及扭矩測(cè)量的根本原理：2.3.1電阻應(yīng)變片的根本原理2.2.1.1電阻應(yīng)變式傳感器的原理及特點(diǎn)電阻應(yīng)變式傳感器的根本原理是將被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換成與之有確定對(duì)應(yīng)關(guān)系的電阻值，再通過測(cè)量此電阻值到達(dá)測(cè)量非電量的目的。這類傳感器的種類很多，在幾何量和機(jī)械量測(cè)量領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛，常用來測(cè)量力、壓力、位移、應(yīng)變、扭矩、加速度等非電量變式傳感器具有以下特點(diǎn)：〔1〕結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，性能穩(wěn)定、可靠；〔2〕易于實(shí)現(xiàn)測(cè)試過程中的自動(dòng)化和多點(diǎn)同步測(cè)量、遠(yuǎn)距離測(cè)量和遙測(cè)；〔3〕靈敏度高，測(cè)量速度快，適合靜態(tài)動(dòng)態(tài)測(cè)量；〔4〕可以測(cè)量多種物理量，應(yīng)用廣泛。2.2.1.2電阻應(yīng)變效應(yīng)電阻應(yīng)變片的工作原理是基于金屬導(dǎo)體的電阻-應(yīng)變效應(yīng)，即當(dāng)金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生形變時(shí)，其電阻值將相應(yīng)地發(fā)生變化。金屬導(dǎo)體的電阻-應(yīng)變效應(yīng)用應(yīng)變靈敏系數(shù)K表示，他決定于導(dǎo)體電阻的相對(duì)變化△R/R與其長(zhǎng)度相對(duì)變化△l/l之比值：K=?RR式中，ε=?l/l為軸向應(yīng)變。由物理學(xué)可知，金屬絲酌電阻值R與其長(zhǎng)度L和電阻率ρ成正比，與其截面積A成正比。其公式表示為:R=ρL/A〔2-2〕從而當(dāng)金屬絲受力變形改變其長(zhǎng)度與橫截面積而改變電阻值，而引起電壓值變化。電阻應(yīng)變計(jì)簡(jiǎn)稱應(yīng)變計(jì)，它主要由電阻敏感柵、基底和面膠(或覆蓋層)、粘結(jié)劑、引出線五局部組成?；资菍鞲衅鲝椥泽w外表的應(yīng)變傳遞到電阻敏感柵上的中間介質(zhì)，并起到敏感棚和彈性體之間的絕緣作用，面膠起著保護(hù)敏感柵的作用，粘結(jié)劑是將敏感柵和基底粘接在一起，引出線是作為聯(lián)接測(cè)量導(dǎo)線之用。電阻敏感柵可以將應(yīng)變量轉(zhuǎn)換成電阻變化。應(yīng)變計(jì)的結(jié)構(gòu)如下：圖2-2電阻應(yīng)變計(jì)結(jié)構(gòu)1-覆蓋層；2-基底；3-引出線；4-粘合劑；5-敏感柵多數(shù)應(yīng)變式傳感器都是將應(yīng)變計(jì)粘貼于彈性元件外表彈性元件外表的變形通過基底和粘結(jié)列傳遞給應(yīng)變計(jì)的敏感。由于基底和粘貼劑的彈性模量與敏感柵材料的彈性模量之間有差異等原因．彈性元件外表的應(yīng)變不可能全部均勻地傳遞到敏感柵。2．3.2扭矩測(cè)量的根本原理如圖2-3所示，當(dāng)彈性軸受到扭轉(zhuǎn)時(shí)，傳遞的扭矩是剪應(yīng)力對(duì)橫截面扭心的合成力矩。圖2-3扭軸橫截面上的剪應(yīng)力分布轉(zhuǎn)軸扭轉(zhuǎn)時(shí)切應(yīng)力處在縱向軸的徑向平面上，在軸外表用兩個(gè)橫截面，兩個(gè)徑向縱截面及兩個(gè)軸向縱截面截取出一個(gè)單元平行六面體來研究，因邊長(zhǎng)均為微量，故此六面體非常接近于正六面體。由圓軸扭轉(zhuǎn)時(shí)應(yīng)力分析可知，此單元體處于純剪切應(yīng)力狀態(tài)。所以軸外表任何單元平面的法向應(yīng)力值都符合平面應(yīng)力狀態(tài)理論?？蓪?yīng)變片沿轉(zhuǎn)軸軸線45和-45方向粘貼在轉(zhuǎn)軸外表，就會(huì)受到相應(yīng)的最大拉應(yīng)力和壓應(yīng)力的作用，將應(yīng)變片組成全橋電路。如圖2-4所示，初始條件應(yīng)變片電阻R1=R2=R3=R4=R0，當(dāng)彈性軸受力矩M作用時(shí)，工作應(yīng)變片R1、R2、R3、R4分別產(chǎn)生最大正負(fù)應(yīng)變。圖2-4電阻應(yīng)變片全橋電路當(dāng)彈性軸受到如下圖的剪切力作用時(shí)，R1、R3應(yīng)變片受拉應(yīng)力；R2、R4受壓應(yīng)力。其應(yīng)變?yōu)椋害?5（1+μ）Eε=16（1+μ）D式中：，D-軸外徑〔mm〕；d-軸內(nèi)徑〔mm〕；M-扭矩〔〕；-軸材料泊松比；E-軸材料彈性模量。當(dāng)電橋的供電電壓是Ui時(shí)，其輸出電壓Uo為：Uo=U式中，K-應(yīng)變片的靈敏系數(shù)。根據(jù)式〔2-3〕，〔2-4〕，〔2-5〕，可以得出：M=ED3UM=πE(D4式中，E—軸材料彈性模量；M-軸材料泊松比；D-軸外徑〔mm〕；d-軸內(nèi)徑〔mm〕；-圓周率；K-應(yīng)變片的靈敏系數(shù)；UoU顯然，只要能確定輸出電壓，選取適宜的彈性軸材料，就能確定所測(cè)彈性軸的扭矩。2.4各局部功能介紹測(cè)量電橋測(cè)量電橋測(cè)量放大電路低通濾波電路A/D轉(zhuǎn)換51單片機(jī)液晶顯示變壓器交流電源圖2-5系統(tǒng)總體框圖〔1〕測(cè)量電橋?qū)崿F(xiàn)扭矩信號(hào)到與之呈線性關(guān)系的電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，電橋電路采用LM型硅擴(kuò)散力敏全橋應(yīng)變片搭成，具有良好的一致性和對(duì)稱性，很小的非線性和較高的靈敏度。(2)信號(hào)放大由于應(yīng)變電橋輸出的電壓只有mV級(jí)，所以必須對(duì)其放大，放大電路由高性能運(yùn)算放大器搭成差動(dòng)放大電路，其放大倍數(shù)在80～120之間可調(diào)?！?〕低通濾波電路：本系統(tǒng)選用的ADC0809的轉(zhuǎn)換測(cè)量精度及穩(wěn)定度的影響，本系統(tǒng)在電路，以濾去高頻噪聲?！?〕A/D轉(zhuǎn)換：將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)?！?〕單片機(jī)：?jiǎn)纹瑱C(jī)系統(tǒng)扭矩傳感器與單片機(jī)系統(tǒng)組合在一起就構(gòu)成了扭矩測(cè)量?jī)x，這局部電路主要完成的功能是：將扭矩傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行整形后用計(jì)數(shù)器對(duì)高頻脈沖計(jì)數(shù)，計(jì)算出相應(yīng)的被測(cè)扭矩值，將數(shù)據(jù)直接傳送給驅(qū)動(dòng)顯示器顯示?！?〕液晶顯示：液晶顯示局部直觀地顯示出所測(cè)彈性軸的扭矩，是整個(gè)系統(tǒng)的作用完整顯現(xiàn)?！?〕電源電路為應(yīng)變電橋、運(yùn)算放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)提供穩(wěn)定的直流電源電壓。這里采用變壓器傳輸方式完成電源的傳輸。2.5方案論證本設(shè)計(jì)的扭矩傳感器采用應(yīng)變型扭矩測(cè)量原理來實(shí)現(xiàn)扭矩信號(hào)的測(cè)量，從而克服了磁彈性型傳感器和相位差型傳感器可靠性低、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、安裝調(diào)試?yán)щy、準(zhǔn)確度低等諸多缺點(diǎn)。在動(dòng)態(tài)扭矩測(cè)量中,其主要問題是旋轉(zhuǎn)工況下，電源如何可靠地輸入到應(yīng)變橋路及信號(hào)如何可靠地輸出到顯示儀表，本設(shè)計(jì)采用滑環(huán)以及滑臂之間的電刷到達(dá)電源的輸入及輸出。從而實(shí)現(xiàn)了電信號(hào)在轉(zhuǎn)子和定子之間的傳輸，解決了動(dòng)態(tài)扭矩測(cè)量中存在的信號(hào)傳輸問題，使得扭矩測(cè)量?jī)x的準(zhǔn)確度和可靠性大大的提高。綜上所述，本文所設(shè)計(jì)的方案是完全可行的。3扭矩傳感器的設(shè)計(jì)3.1引言應(yīng)變式扭矩傳感器可以分為旋轉(zhuǎn)局部和靜止局部，該傳感器的設(shè)計(jì)的重點(diǎn)以及難點(diǎn)在于如何在旋轉(zhuǎn)局部處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下能夠準(zhǔn)確的將電橋發(fā)生形變后產(chǎn)生的電壓信號(hào)準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地傳輸出來。3.2應(yīng)變片的選用電阻應(yīng)變片的種類很多，有絲式應(yīng)變片、箔式應(yīng)變片、半導(dǎo)體應(yīng)變片和薄膜應(yīng)變片等。其主要參數(shù)有：應(yīng)變片電阻值、幾何尺寸、靈敏度系數(shù)、絕緣電阻、允許電流、機(jī)械滯后等。電阻應(yīng)變片除了能夠直接測(cè)量試件的應(yīng)力、應(yīng)變外，還可以和彈性敏感元件配合制成各種電阻應(yīng)變式傳感器，用來測(cè)量力、壓力、扭矩、加速度等物理量。電阻應(yīng)變式扭矩傳感器的工作原理是：直接將電阻應(yīng)變片被測(cè)軸上，當(dāng)被測(cè)軸受到純扭力時(shí)，其最大剪應(yīng)力f不便于直接測(cè)量，但軸外表主應(yīng)力與母線成45o角，而且在數(shù)值上等于最大剪應(yīng)力，因而應(yīng)變片沿與母線成45度角方向粘貼。本課題采用力敏全橋應(yīng)變片。它具有良好的一致性和對(duì)稱性，很小的非線性和橫向效應(yīng)。，此傳感器轉(zhuǎn)速采用旋轉(zhuǎn)編碼器的方式，它具有高頻響、分辨率能力高、抗振動(dòng)、耗能低、性能穩(wěn)定可靠、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，適合轉(zhuǎn)速低且要求轉(zhuǎn)速測(cè)量精度高和進(jìn)行角度測(cè)量的場(chǎng)合使用，滿足課題設(shè)計(jì)要求，該傳感器的特點(diǎn)和技術(shù)參數(shù)如表3-1。表3-1傳感器的特點(diǎn)和技術(shù)參數(shù)產(chǎn)品特點(diǎn)技術(shù)參數(shù)可測(cè)量穩(wěn)態(tài)旋轉(zhuǎn)扭矩及動(dòng)態(tài)過渡過程的旋轉(zhuǎn)扭矩轉(zhuǎn)矩準(zhǔn)確度：≤0.2%FS可測(cè)量正、反向扭矩且不需調(diào)整零點(diǎn)過載能力：150%FS信號(hào)檢測(cè)采用數(shù)字化處理技術(shù)，精度高、穩(wěn)定性好、抗干擾強(qiáng)重復(fù)性：≤0.1%FS輸入電源極性、幅值保護(hù)，輸出轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速信號(hào)保護(hù)線性：≤0.1%FS扭矩信號(hào)的提取方式為應(yīng)變電測(cè)技術(shù)應(yīng)變計(jì)動(dòng)態(tài)應(yīng)變波的響應(yīng)時(shí)間：3.2×10-6S扭矩測(cè)量精度與旋轉(zhuǎn)速度、方向無關(guān)正向轉(zhuǎn)矩滿量程頻率輸出：15KHz體積小、重量輕、安裝方便反向轉(zhuǎn)矩滿量程頻率輸出：5KHz可靠性高、壽命長(zhǎng)傳感器信號(hào)輸出：方波信號(hào)、幅值為5V、負(fù)載電流＜15mA此傳感器可測(cè)量正、反轉(zhuǎn)穩(wěn)態(tài)扭矩，設(shè)計(jì)要求中扭矩檢測(cè)范圍為-2Nm～+2Nm，能滿足要求。傳感器信號(hào)檢測(cè)采用數(shù)字化處理技術(shù)，精度高、穩(wěn)定性好、抗干擾強(qiáng)，此特點(diǎn)適合傳感器在環(huán)境比擬惡劣的情況下進(jìn)行數(shù)據(jù)的測(cè)量。傳感器體積小、重量輕、安裝方便，便于傳感器機(jī)械安裝機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。3.3彈性敏感元件設(shè)計(jì)電阻應(yīng)變式的彈性元件在傳感器中占據(jù)極其重要的的地位，它首先把力、扭矩信號(hào)等非物理量變換成相應(yīng)的應(yīng)變或位移，然后配合各種形式的傳感元件，將被測(cè)量變換成電量。彈性元件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般原那么是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；剛性好；有效工作區(qū)具有最大應(yīng)變值和良好的線性；抗干擾能力強(qiáng)；工藝性能好等。3.4扭矩傳感器的硬件結(jié)構(gòu)圖3-1接觸式旋轉(zhuǎn)扭矩傳感器硬件結(jié)構(gòu)如圖3-1所示，接觸式旋轉(zhuǎn)扭矩傳感器的硬件主要有應(yīng)變橋，旋轉(zhuǎn)軸，滑環(huán)，刷臂，以及電源組成。3.4.1彈性軸材料的選擇和確定應(yīng)變式扭矩傳感器主要是用于動(dòng)力設(shè)備傳動(dòng)扭矩的在線測(cè)量。在工程中，用于動(dòng)力設(shè)備上的應(yīng)變式扭矩傳感器軸材料通常選擇：45＃鋼、40Cr鋼或是38CrMoAlA合金鋼，特殊情況下也可采用電工鋼。〔1)確定軸的直徑軸上所受最大扭矩為200Nm，可根據(jù)軸的強(qiáng)度條件設(shè)計(jì)軸的直徑，從圓軸扭轉(zhuǎn)時(shí)各橫截面之間的距離不變，也即圓軸無軸向的伸長(zhǎng)或縮短，說明圓軸橫截面上沒有正應(yīng)力，只有垂直于半徑的剪應(yīng)力。為保證受扭圓軸能正常工作，要求軸內(nèi)最大剪應(yīng)力必須小于材料的許用扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力F。因此圓軸扭轉(zhuǎn)時(shí)的強(qiáng)度條件為F′=MWp式中,F′—扭軸橫截面上的最大剪應(yīng)力(N/mm)Wp—轉(zhuǎn)軸橫截面的抗扭極矩(mmM─軸所受最大扭矩(Nm)；D—實(shí)心扭軸直徑(mm)。經(jīng)查相關(guān)資料可以計(jì)算出D≥31.2M式中，δ—材料的極限應(yīng)力，可通過查表得出軸所受的最大扭矩值為200Nm，那么〔1〕當(dāng)被測(cè)材料為45#鋼時(shí)，可查得45#鋼的極限應(yīng)力為294N/，帶入式〔3-1〕，得：D=17.2mm〔2〕當(dāng)被測(cè)材料為40Cr鋼時(shí)，可查得785N/，帶入式〔3-1〕，得：D=12.4mm〔3〕當(dāng)被測(cè)材料為38CrMoAlA合金鋼時(shí)，可查得38CrMoAlA合金鋼的極限應(yīng)力為539N/，帶入式〔3-1〕，得，D=14.1mm〔4〕，當(dāng)被測(cè)材料為電工鋼時(shí)，可查得電工鋼的極限應(yīng)力為785N/，帶入式〔3-1〕，得，D=12.4mm以上得到的分別以4種材料作為轉(zhuǎn)軸時(shí)，在滿足強(qiáng)度條件下得到的轉(zhuǎn)軸直徑，考慮到材料的本錢，以及傳感器的靈敏度，加工的難易程度等方面的要素，選用45＃鋼作為軸的材料。由此可以確定軸的直徑為20mm。3.4.2聯(lián)軸器的選用聯(lián)軸器是用來聯(lián)接不同機(jī)構(gòu)中的兩根軸〔主動(dòng)軸和從動(dòng)軸〕使之共同旋轉(zhuǎn)以傳遞扭矩的機(jī)械零件。在高速重載的動(dòng)力傳動(dòng)中，有些聯(lián)軸器還有緩沖、減振和提高軸系動(dòng)態(tài)性能的作用。聯(lián)軸器由兩半局部組成，分別與主動(dòng)軸和從動(dòng)軸聯(lián)接。一般動(dòng)力機(jī)大都借助于聯(lián)軸器與工作機(jī)相聯(lián)接。聯(lián)軸器種類繁多，按照被聯(lián)接兩軸的相對(duì)位置和位置的變動(dòng)情況，可以分為：①固定式聯(lián)軸器。主要用于兩軸要求嚴(yán)格對(duì)中并在工作中不發(fā)生相對(duì)位移的地方，結(jié)構(gòu)一般較簡(jiǎn)單，容易制造，且兩軸瞬時(shí)轉(zhuǎn)速相同，主要有凸緣聯(lián)軸器、套筒聯(lián)軸器、夾殼聯(lián)軸器等。②可移式聯(lián)軸器。主要用于兩軸有偏斜或在工作中有相對(duì)位移的地方，根據(jù)補(bǔ)償位移的方法又可分為剛性可移式聯(lián)軸器和彈性可移式聯(lián)軸器。剛性可移式聯(lián)軸器利用聯(lián)軸器工作零件間構(gòu)成的動(dòng)聯(lián)接具有某一方向或幾個(gè)方向的活動(dòng)度來補(bǔ)償，如牙嵌聯(lián)軸器〔允許軸向位移〕、十字溝槽聯(lián)軸器〔用來聯(lián)接平行位移或角位移很小的兩根軸〕、萬(wàn)向聯(lián)軸器〔用于兩軸有較大偏斜角或在工作中有較大角位移的地方〕、齒輪聯(lián)軸器〔允許綜合位移〕、鏈條聯(lián)軸器〔允許有徑向位移〕等，彈性可移式聯(lián)軸器〔簡(jiǎn)稱彈性聯(lián)軸器〕利用彈性元件的彈性變形來補(bǔ)償兩軸的偏斜和位移，同時(shí)彈性元件也具有緩沖和減振性能，如蛇形彈簧聯(lián)軸器、徑向多層板簧聯(lián)軸器、彈性圈栓銷聯(lián)軸器、尼龍栓銷聯(lián)軸器、橡膠套筒聯(lián)軸器等。聯(lián)軸器有些已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化。選擇時(shí)先應(yīng)根據(jù)工作要求選定適宜的類型，然后按照軸的直徑計(jì)算扭矩和轉(zhuǎn)速，再?gòu)挠嘘P(guān)手冊(cè)中查出適用的型號(hào)，最后對(duì)某些關(guān)鍵零件作必要的驗(yàn)算。分類還包括球籠式萬(wàn)向聯(lián)軸器圓錐碗簧聯(lián)軸器SWP、SWC型十字軸式萬(wàn)向聯(lián)軸器十字包94〕矯正機(jī)用十字軸式萬(wàn)向聯(lián)軸器〔JB/T7846.2-95〕彈簧管聯(lián)軸器WS、WSD型十字軸式萬(wàn)向聯(lián)軸器〔JB/T5901-91〕WSH型滑動(dòng)軸承十字軸式萬(wàn)向聯(lián)軸器ML型薄膜聯(lián)軸器〔SJ2127-82〕SWZ型整體軸承座十字軸式萬(wàn)向聯(lián)軸器93聯(lián)軸器屬于機(jī)械通用零部件范疇，用來聯(lián)接不同機(jī)構(gòu)中的兩根軸〔主動(dòng)軸和從動(dòng)軸〕使之共同旋轉(zhuǎn)以傳遞扭矩的機(jī)械零件。在高速重載的動(dòng)力傳動(dòng)中，有些聯(lián)軸器還有緩沖、減振和提高軸系動(dòng)態(tài)性能的作用。聯(lián)軸器由兩半局部組成，分別與主動(dòng)軸和從動(dòng)軸聯(lián)接。一般動(dòng)力機(jī)大都借助于聯(lián)軸器與工作機(jī)相聯(lián)接，是機(jī)械產(chǎn)品軸系傳動(dòng)最常用的聯(lián)接部件。20世紀(jì)后期國(guó)內(nèi)外聯(lián)軸器產(chǎn)品開展很快，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)如何從品種甚多、性能各異的各種聯(lián)軸器中選用能滿足機(jī)器要求的聯(lián)軸器，對(duì)多數(shù)設(shè)計(jì)人員來講，始終是一個(gè)困擾的問題。常用聯(lián)軸器有膜片聯(lián)軸器，齒式聯(lián)軸器，梅花聯(lián)軸器，滑塊聯(lián)軸器，鼓形齒式聯(lián)軸器，萬(wàn)向聯(lián)軸器，平安聯(lián)軸器，彈性聯(lián)軸器及蛇形彈簧聯(lián)軸器了解聯(lián)軸器〔尤其是撓性聯(lián)軸器〕在傳動(dòng)系統(tǒng)中的綜合功能，從傳動(dòng)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)考慮，選擇聯(lián)軸器品種、型式。根據(jù)原動(dòng)機(jī)類別和工作載荷類別、工作轉(zhuǎn)速、傳動(dòng)精度、兩軸偏移狀況、溫度、濕度、工作環(huán)境等綜合因素選擇聯(lián)軸器的品種。根據(jù)配套主機(jī)的需要選擇聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)型式，當(dāng)聯(lián)軸器與制動(dòng)器配套使用時(shí)，宜選擇帶制動(dòng)輪或制動(dòng)盤型式的聯(lián)軸器；需要過載保護(hù)時(shí)，宜選擇平安聯(lián)軸器；與法蘭聯(lián)接時(shí)，宜選擇法蘭式；長(zhǎng)距離傳動(dòng)，聯(lián)接的軸向尺寸較大時(shí)，宜選擇接中間軸型或接中間套型。本設(shè)計(jì)中，聯(lián)軸器周繇用于精確的將所測(cè)旋轉(zhuǎn)軸的扭矩傳遞到扭矩傳感器的待測(cè)彈性軸上。應(yīng)選用凸緣式聯(lián)軸器，其特點(diǎn)構(gòu)造簡(jiǎn)單，本錢低，可傳遞較大轉(zhuǎn)矩。不允許兩軸有位移，無緩沖。如圖3-2，為凸緣式聯(lián)軸器。圖3-2凸緣式聯(lián)軸器3.4.3導(dǎo)電滑環(huán)及滑臂電刷的選用傳動(dòng)軸由于受扭產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)變,引起貼在軸上的應(yīng)變計(jì)變形使其電阻值發(fā)生改變,從而導(dǎo)致應(yīng)變電橋失衡,輸出與扭矩成正比的微弱電壓信號(hào),然后即可根據(jù)材料力學(xué)中應(yīng)變和扭矩的關(guān)系得到相應(yīng)扭矩大小,這里信號(hào)的傳輸采用接觸式的導(dǎo)電滑環(huán)和刷臂,圖〔3-2〕為接觸式旋轉(zhuǎn)扭矩傳感器測(cè)量的原理圖。旋轉(zhuǎn)軸上的應(yīng)變橋把電壓信號(hào)傳遞給和旋轉(zhuǎn)軸一起旋轉(zhuǎn)的導(dǎo)電滑環(huán),導(dǎo)電滑環(huán)再把信號(hào)傳遞給和其接觸的固定在傳感器外殼上的導(dǎo)電刷臂,從而完成信號(hào)由旋轉(zhuǎn)到靜止的可靠傳遞。導(dǎo)電滑環(huán)屬于電接觸滑動(dòng)連接應(yīng)用范疇，它又稱集電環(huán)、或稱旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、旋轉(zhuǎn)電氣接口、滑環(huán)、集流環(huán)、回流環(huán)、線圈、換向器、轉(zhuǎn)接器，是實(shí)現(xiàn)兩個(gè)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的圖像、數(shù)據(jù)信號(hào)及動(dòng)力傳遞的精密輸電裝置。特別適合應(yīng)用于無限制的連續(xù)旋轉(zhuǎn)，同時(shí)又需要從固定位置到旋轉(zhuǎn)位置傳送功率或數(shù)據(jù)的場(chǎng)所。其由彈性材料-電刷、滑動(dòng)觸點(diǎn)外表材料-導(dǎo)電環(huán)、絕緣材料、粘結(jié)材料、組合支架、精密軸承、防塵罩及其他輔助件等組成。電刷采用貴金屬合金材料，呈“II〞型與導(dǎo)電環(huán)環(huán)槽對(duì)稱雙接觸，借助電刷的彈性壓力與導(dǎo)電環(huán)環(huán)槽滑動(dòng)接觸來傳遞信號(hào)及電流。一般情況下,刷臂分為兩種,一種為刷絲式,一種為刷片式。刷絲式的刷臂和滑環(huán)的接觸面小,摩擦小,但信號(hào)傳遞可靠性相對(duì)較低,不適合高速旋轉(zhuǎn)下測(cè)量,一般轉(zhuǎn)速在500r/min情況下,可采用這種測(cè)量方式;刷片式的刷臂和滑環(huán)的接觸面大,摩擦大,信號(hào)傳遞可靠性相對(duì)較高,一般轉(zhuǎn)速在500～3000r/min的情況下,可采用這種測(cè)量方式。接觸式旋轉(zhuǎn)扭矩傳感器的特點(diǎn)是:適合測(cè)量靜止扭矩,也可以測(cè)量低速轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩;體積小,重量輕,易于安裝;無需復(fù)雜電路;存在導(dǎo)電滑環(huán)的磨損,壽命有限,不適合高轉(zhuǎn)速場(chǎng)合。目前國(guó)際上采用的滑環(huán)技術(shù)分為以下三種：(1)復(fù)合電刷塊技術(shù)，一般采用碳刷，銅刷，銀/石墨/二硫化鉬的刷塊等形式。(2)采用貴金屬合金單絲，如AuNi9等。(3)纖刷技術(shù)，纖刷是指一種特殊的滑行電氣接觸設(shè)計(jì)。纖刷簡(jiǎn)單的說就是將單獨(dú)的金屬纖絲〔線〕進(jìn)行校準(zhǔn)并裝進(jìn)一個(gè)金屬管里。在這個(gè)懸臂設(shè)計(jì)中，纖刷束的散狀的，無束縛的一端依附在環(huán)道外表的槽里。綜合本錢，以及技術(shù)方面方面的考慮，本設(shè)計(jì)采用第一種復(fù)合電刷。4扭矩檢測(cè)系統(tǒng)各局部電路的設(shè)計(jì)4.1引言基于應(yīng)變式傳感器的扭矩檢測(cè)系統(tǒng)的硬件電路按功能可分為：電橋電路，測(cè)量放大電路，低通濾波電路，A/D轉(zhuǎn)換電路，單片機(jī)電路，以及電源電路。本章分別介紹這幾種電路。4.2電橋電路4.2.1電橋電路的選用應(yīng)變片將被測(cè)件的應(yīng)變轉(zhuǎn)換成電阻相對(duì)變化，還需進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成電壓或電流信號(hào)才能用電測(cè)儀表進(jìn)行測(cè)量。通常采用電橋電路實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換。根據(jù)電源的不同，電橋分為直流電橋和交流電橋。本設(shè)計(jì)采用直流電橋，直流電橋具有高穩(wěn)定性，電橋平衡電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。圖4-1直流電橋如圖3-1所示，U為電源電壓，R1、R2、R3、R4為橋臂，V0為輸出電壓，電橋開路。設(shè)為電橋的輸出負(fù)載，根據(jù)基爾霍夫定律，電橋輸出負(fù)載電流為Io=Ui假設(shè)R1R3=R2那么Io=0，電橋的輸出電壓為Uo=IoRL假設(shè)電橋的負(fù)載電阻無限增大，那么上式可以簡(jiǎn)化為Uo=Ui（R1R3-Uo=Ui當(dāng)R1=R2=R3=R4=R時(shí)，略去式中的高階微量，式〔Uo=Ui4〔ΔR1R-ΔR2又ΔRR=Κε，那么式〔4-6Uo=Ui4當(dāng)?RUo=Ui當(dāng)彈性軸受到剪切力作用時(shí)，R1、R3應(yīng)變片受拉應(yīng)力；R2、R4受壓應(yīng)力。其應(yīng)變?yōu)椋害?5（1+μ）ED3Mε=16（1+μ）DπE（D式中,D-軸外徑〔mm〕；d-軸內(nèi)徑〔mm〕；M-扭矩〔N?m〕；μ-軸材料泊松比；E-軸材料彈性模量。當(dāng)電橋的供電電壓是Ui時(shí)，其輸出電壓Uo為：Uo=UiKε式中，K-應(yīng)變片的靈敏系數(shù)。根據(jù)式〔2-3〕，〔2-4〕，〔2-5〕，可以得出：M=ED3UoM=πE(D4-d式中，E—軸材料彈性模量；M-軸材料泊松比；D-軸外徑〔mm〕；d-軸內(nèi)徑〔mm〕；π-圓周率；K-應(yīng)變片的靈敏系數(shù)；UoU4.2.2電橋電路的精度誤差分析由于溫度變化造成的誤差來源很多，所以會(huì)有不同現(xiàn)象的誤差出現(xiàn)，如溫度變化時(shí)，零點(diǎn)會(huì)有變化，其次在被應(yīng)力不變的情況下，不同溫度條件將可能有不同的輸出。前者稱為溫度引起的零點(diǎn)漂移，而后者稱為靈敏度漂移。引起零點(diǎn)漂移的原因主要有應(yīng)變片粘貼的好壞，應(yīng)變片材料的不均勻，所選應(yīng)變片的電阻溫度特性不一致等。由上述原因造成的零點(diǎn)漂移，在測(cè)量橋配好以后，往往具有固定的方向性，可采用簡(jiǎn)單的方法，在相應(yīng)的橋臂中串入一個(gè)由較大溫度系數(shù)材料制成的電阻來進(jìn)行補(bǔ)償。引起靈敏度漂移的主要原因是彈性體材料的彈性模數(shù)隨溫度的變化，應(yīng)變片靈敏系數(shù)隨溫度的變化、彈性元件熱膨脹系數(shù)變化及熱膨脹各向異性等因素。而以彈性模數(shù)隨溫度變化為主，且大多是隨溫度提高而靈敏度也相應(yīng)提高。對(duì)靈敏度漂移補(bǔ)償最簡(jiǎn)單的方法是隨溫度的變化自動(dòng)調(diào)整供橋電壓，當(dāng)供橋電壓降低時(shí)，電橋的不平衡輸出減小，即降低了電橋的靈敏度。正確的補(bǔ)償為在橋路進(jìn)行實(shí)際靈敏度漂移的測(cè)量，然后根據(jù)漂移的正或負(fù)方向、大小來確定補(bǔ)償方法及補(bǔ)償量。常用的方法有改變供橋穩(wěn)壓電源輸出值或在電路中串、并聯(lián)電阻等。一般當(dāng)靈敏度隨溫度升高而提高時(shí)，可在電源回路中串入一個(gè)正溫度系數(shù)的電阻加以補(bǔ)償4.3放大電路的設(shè)計(jì)及硬件選用4.3.1放大電路的設(shè)計(jì)由于應(yīng)變電橋輸出的電壓為mV級(jí)，不能滿足后續(xù)電路要求，所以必須經(jīng)過放大電路進(jìn)行信號(hào)放大。根據(jù)儀器工作環(huán)境、精度要求確定放大電路必須滿足以下條件：首先放大電路有要有較高的共模抑制比，具有高穩(wěn)定性，低零漂、高精度，并且放大倍數(shù)100左右并且可調(diào)。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)比擬，由上節(jié)表達(dá)可知溫度傳感器輸出電壓范圍為2.428V～0.133V，而在本系統(tǒng)中A/D的輸入電壓范圍為0V～5V時(shí)才能使精度到達(dá)最高，因此需把2.428V～0.133V電壓放大到0V～5V的范圍，此即為設(shè)計(jì)該測(cè)量放大器的目的。本設(shè)計(jì)采用一種雙運(yùn)放放大電路。雙運(yùn)放差動(dòng)輸入放大電路的使用效果，結(jié)構(gòu)、性能等都優(yōu)越于單運(yùn)放前置放大電路。并且通過對(duì)反應(yīng)電阻的擴(kuò)展，減小了電阻所帶來的熱噪聲電流。輸入端采用的雙通道差分式輸入，使得輸入信號(hào)中的不穩(wěn)定誤差信號(hào)通過差值抵消掉，增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。所用的放大器為TCL2252。如圖4-2所示圖4-2放大電路TLC2252呈現(xiàn)高輸入阻抗和低噪聲，能很好的用于高阻抗源，例如電壓傳感器的小信號(hào)狀況。由于這些器件功耗低，所以他們?cè)谑殖直O(jiān)視和遙感遠(yuǎn)視傳感器應(yīng)用中工作良好，此外，滿電源電壓幅度〔ｒａｉｌ－ｔｏ－ｒａｉｌ〕輸出特性以單獨(dú)成分或別離電源工作使得這些器件在直線與模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器接口時(shí)成為主要選擇對(duì)象。所有這些特性，再結(jié)合它的溫度性能，使得TLC2252能夠理想的利用于聲納，遠(yuǎn)程壓力傳感器，溫度控制，有源壓阻傳感器，加速計(jì)，手持儀表以及其他應(yīng)用。圖4-3為TLC2252的引腳排列。圖4-3TLC2252的引腳排列。表4-1為TLC2252的工作條件。表4-1TLC2252的工作條件后綴為C后綴為I單位MINMAXMINMIN電源電壓，VDD±±2.2±8±2.2±8V輸入電壓范圍，V1VDD-VDD+—1.5VDD-VDD+—1.5V共模輸入電壓，VICVDD-VDD+—1.5VDD-VDD+—1.5V工作環(huán)境〔自然通風(fēng)〕，TA070-40125℃(1)輸入輸出關(guān)系，由(1R8+1R6+1R7)V(-)=1R8(1R4+1R5+1R7)?V(-)=可得Vo=1+RV1=V當(dāng)R4Vo=1+當(dāng)電阻不匹配時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電阻不匹配誤差。設(shè)電阻不匹配誤差δ=R4R8Vo=1+4.3.2放大電路的誤差分析〔1〕電路可獲得較高的增益，卻不會(huì)使電阻熱噪聲有所增加，減少了運(yùn)放對(duì)偏置電流的影響。〔2〕電阻不匹配產(chǎn)生的誤差V-只與Vr有關(guān),而與V(+)無關(guān)，而且對(duì)動(dòng)態(tài)誤差的影響并不十分大?！?〕運(yùn)放的輸入失調(diào)電壓也會(huì)導(dǎo)致誤差，并且它是與放大倍數(shù)有關(guān)的，這種誤差仍然屬于靜態(tài)誤差，通過調(diào)節(jié)Vr就可以抵消掉?！?〕電路只需使用兩個(gè)運(yùn)放單元，而且電路十分簡(jiǎn)單，但它卻可以實(shí)現(xiàn)V+和V-高阻差動(dòng)輸入、可調(diào)放大倍數(shù)，還附帶一個(gè)基準(zhǔn)電壓或偏置輸入Vr，這些為電路的構(gòu)成、調(diào)節(jié)以及輸出偏置、靜態(tài)誤差補(bǔ)償?shù)忍峁┝藰O大的方便。4.4低通濾波電路的設(shè)計(jì)為了抑制高頻干擾，在放大電路輸出端設(shè)計(jì)了二階有源低通濾波器，讓指定頻段的信號(hào)通過，而讓其余頻段的信號(hào)加以抑制或使其急劇衰減。運(yùn)算放大器和RC網(wǎng)絡(luò)組成的有源濾波器與無源濾波器相比，具有一系列優(yōu)點(diǎn)。首先，它不用電感元件，免除了電感所固有的非線性特性、磁場(chǎng)屏蔽、耗損、體積、和重量過大、以及不經(jīng)濟(jì)等缺點(diǎn)。其次，由于運(yùn)算放大器的增益和輸入阻抗很高，輸出阻抗很低，所以有源濾波器還能提供一定的信號(hào)增益和緩沖作用。本系統(tǒng)選用的ADC0809的轉(zhuǎn)換速率為680kHz，為了防止高頻噪聲對(duì)測(cè)量精度及穩(wěn)定度的影響，本系統(tǒng)在放大器和A/D間加了一個(gè)低通濾波電路，以濾去高頻噪聲。由于要求輸出電壓范圍為0V～5V因此選擇TLC2252作為該濾波器的運(yùn)放。圖4-4低通濾波器該濾波器是二階壓控電壓源低通濾波器，其電壓增益AVF=1，其特征頻率ωn=1/(RC)，品質(zhì)因數(shù)Q=1/(3-AVFAs=A對(duì)于本系統(tǒng)R=10kΩ，C＝0.01uF，因此特征角頻率為10kHz，又因?yàn)橥◣щ妷涸鲆鍭o=AVF=1<34.5A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)A/D轉(zhuǎn)換器的類型較多，常用的有逐次逼近型和積分型。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中最常用的A/D轉(zhuǎn)換器是可編程的ADC0809。ADC0809是典型的8位8通道逐次型A/D轉(zhuǎn)換器，CMOS工藝，ADC0809的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)如圖2.4所示。圖中8路模擬量開關(guān)可選通8個(gè)模擬通道，8路模擬量分時(shí)輸入，共用一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。地址鎖存與譯碼電路完成對(duì)A、B、C三個(gè)地址位進(jìn)行鎖存和譯碼，其譯碼輸出用于通道的選擇。8位A/D轉(zhuǎn)換器是逐次逼近式，由控制與時(shí)序電路、逐次逼近存放器、樹狀開關(guān)及256電阻階梯網(wǎng)C0809芯片為28引腳雙列直插式封裝，圖4-5為ADC0809內(nèi)部結(jié)構(gòu)其主要引腳的功能說明如下：〔1〕IN7～I(xiàn)N0：模擬量輸入通道。ADC0809對(duì)輸入模擬量的要求主要有信號(hào)是單極性，電壓范圍0～5V，假設(shè)信號(hào)過小還需進(jìn)行放大。另外，模擬量輸入在A/D轉(zhuǎn)換過程中其值不應(yīng)變化，因此對(duì)變化速度快的模擬量，在輸入前應(yīng)增加采樣保持電路。〔2〕ADDA、ADDB、ADDC：地址線。ADDA為低位地址，ADDC為高位地址，用于對(duì)模擬通道進(jìn)行選擇?！?〕ALE：地址鎖存允許信號(hào)。在ALE上升沿時(shí)，A、B、C地址狀態(tài)送入地址鎖存器中?！?〕START：轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)。在START上升沿時(shí)，所有內(nèi)部存放器清零；START下降沿時(shí)，開始進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；在A/D轉(zhuǎn)換期間，START應(yīng)保持低電平?！?〕D7～D0：數(shù)據(jù)輸出線。為三態(tài)緩沖輸出形式，可以和單片機(jī)的數(shù)據(jù)線直接相連。〔6〕OE：輸出允許信號(hào)。用于控制三態(tài)輸出鎖存器向單片機(jī)輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)，當(dāng)OE=0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻；當(dāng)OE=1輸出轉(zhuǎn)換。后的數(shù)據(jù)?！?〕CLK：時(shí)鐘信號(hào)。ADC0809的內(nèi)部沒有時(shí)鐘電路，所需時(shí)鐘信號(hào)由外部提供，因此有時(shí)鐘信號(hào)引腳，通常使用頻率為500kHz的時(shí)鐘信號(hào)?！?〕EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束狀態(tài)信號(hào)。當(dāng)EOC=0時(shí)，正在進(jìn)行轉(zhuǎn)換；當(dāng)EOC=1，轉(zhuǎn)換結(jié)束。在實(shí)際應(yīng)用中該狀態(tài)信號(hào)既可作為查詢狀態(tài)的標(biāo)志，又可作為中斷請(qǐng)求信號(hào)使用。(9)Vref：參考電壓。參考電壓用來與輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行比擬，作為逐次逼近的基準(zhǔn)，其典型值為＋5V〔Vref(+)=+5V，Vref(-)=0V〕。ADC0809與MCS-51系列單片機(jī)的硬件接口有三種方式：中斷方式、查詢方式和等待延時(shí)方式。在本系統(tǒng)中采用查詢方式，因此ADC0809與AT89C51的接口電路如圖3.4所示ADC0809應(yīng)用說明〔1〕ADC0809內(nèi)部帶有輸出鎖存器，可以與AT89S51單片機(jī)直接相連?！?〕初始化時(shí)，使ST和OE信號(hào)全為低電平。〔3〕送要轉(zhuǎn)換的哪一通道的地址到A，B，C端口上?！?〕在ST端給出一個(gè)至少有100ns寬的正脈沖信號(hào)?！?〕是否轉(zhuǎn)換完畢，我們根據(jù)EOC信號(hào)來判斷。圖4-6是ADC0809與51單片機(jī)接線方法圖4-5ADC0809內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖4-6ADC0809與51單片機(jī)接線ADC0809的OUT1~OUT8口接單片機(jī)的P0.0~P0.7口，負(fù)責(zé)將轉(zhuǎn)換完畢的8位數(shù)字信號(hào)傳輸給單片機(jī)。ADDA、ADDB、ADDC分別接在P3.4、P3.5、P3.6口，以選通IN0~IN7中的一個(gè)通道。ALE接P3.7，給高電平時(shí)，地址鎖存與譯碼器將A，B，C三條地址線的地址信號(hào)進(jìn)行鎖存，經(jīng)譯碼后被選中的通道的模擬量進(jìn)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。START接P2.6，START為轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)。當(dāng)單片機(jī)給START一個(gè)上跳沿信號(hào)時(shí)，所有內(nèi)部存放器清零；給一個(gè)下跳沿信號(hào)時(shí)，開始進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；在轉(zhuǎn)換期間，ST應(yīng)保持低電平。EOC接P3.2,。EOC為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)。當(dāng)EOC為高電平時(shí)，說明轉(zhuǎn)換結(jié)束，單片機(jī)可以接受數(shù)據(jù)；否那么，說明正在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。OE接P2.6，OE為輸出允許信號(hào)，用于控制三條輸出鎖存器向單片機(jī)輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。OE＝1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)；OE＝0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻狀態(tài)。當(dāng)轉(zhuǎn)換開始時(shí)，單片機(jī)給START一個(gè)脈沖信號(hào)，ADC0809開始將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。當(dāng)轉(zhuǎn)換完成后，EOC發(fā)出一個(gè)高電平給單片機(jī)。單片機(jī)將OE改為高電平，并從OUT1~OUT8讀取數(shù)字信號(hào)。4.6單片機(jī)電路及硬件選取單片機(jī)共有十幾種芯片，表4.1列出了比擬典型的幾種芯片的型號(hào)及它們的主要性能指標(biāo)。子片內(nèi)ROM形式片內(nèi)存儲(chǔ)容量片外尋址范圍I/O特性：表4.1MCS-51系列單片機(jī)局部芯片型號(hào)對(duì)照表子系列片內(nèi)ROM形式片內(nèi)存儲(chǔ)容量片外尋址范圍I/O特性中斷源無ROMROMRAMEPROMRAM計(jì)數(shù)器并口串口51803180514KB128B64KB64KB2*16位4*8位1580C3180C514KB128B64KB64KB2*16位4*8位1552803280528KB256B64KB64KB3*16位4*8位16MCS－51單片機(jī)可分為51和52兩個(gè)子系列，并以芯片型號(hào)的最末位數(shù)字作為標(biāo)志。其中8x51是根本型，8x52是增強(qiáng)型。采用HMOS工藝的根本型8x51，片內(nèi)集成有8位CPU，4KBROM〔8031片內(nèi)無ROM〕，128BRAM，兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè)全雙工串行通信接口〔UART〕，擁有乘除運(yùn)算指令和位處理指令。采用CHMOS工藝的根本型8xC51，有三種功耗控制方式，能有效降低功耗。增強(qiáng)型8x52，與8x51不同的是片內(nèi)ROM增加到8KB，RAM增加到256B，定時(shí)/計(jì)數(shù)器增加到3個(gè)，串行接口的通信速率快了6倍。目前比擬常見的ATMEL89C51系列單片機(jī)，也采用CHMOS工藝，其片內(nèi)含有4KB可編程、擦除只讀存儲(chǔ)器FPEROM〔FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory〕，使用高密度、非易失存儲(chǔ)技術(shù)制造，并且與80C51系列的引腳和指令系統(tǒng)完全兼容。芯片上的FPEROM允許在線編程或采用通用的非易失存儲(chǔ)編程器對(duì)程序存儲(chǔ)器重復(fù)編程因而89C51的性價(jià)比遠(yuǎn)高于80C51。本系統(tǒng)使用的是新型AT89C51系列單片機(jī)的D版本芯片，AT89C51系列單片機(jī)的特點(diǎn)有：〔1〕增強(qiáng)型6時(shí)鐘/機(jī)器周期，12時(shí)鐘/機(jī)器周期8051CPU?！?〕工作電壓：?！?〕通用I/O口〔32個(gè)〕，復(fù)位后為：P1/P2/P3/P4是準(zhǔn)雙向口/弱上拉〔普通8051傳統(tǒng)I/O口〕P0口是開漏輸出，作為總線擴(kuò)展用時(shí)，不用加上拉電阻，作為I/O口用時(shí)，需加上拉電阻?！?〕ISP〔在系統(tǒng)可編程〕/IAP〔在應(yīng)用可編程〕，無需專用編程器/仿真器，可通過串口〔P3.0/P3.1〕直接下載用戶程序。〔5〕內(nèi)部帶有E^2PROM可用來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。〔6〕內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，可省去外部復(fù)位電路?！?〕共3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，其中定時(shí)器0還可以當(dāng)成2個(gè)8位定時(shí)器使用?！?〕.外部中斷4路，下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷，PowerDown模式可由外部中斷低電平觸發(fā)中斷方式喚醒?！?〕通用異步串行口〔URAT〕，還可以用定時(shí)器軟件實(shí)現(xiàn)多個(gè)UART。最主要的是此芯片的功耗非常低，掉電模式下工作電流小于0.1uA，空閑模式下為2mA，正常工作狀態(tài)下為4mA－7mA，另外掉電模式可由外部中斷喚醒。AT89C51通過禁止ALE時(shí)鐘信號(hào)輸出、外部時(shí)鐘頻率降一半以及單片機(jī)內(nèi)部時(shí)鐘振蕩器增益降低一半等措施，使其具有了良好的抗電磁輻射〔EMI〕能力。本設(shè)計(jì)采用ATMEL89C51系列的AT89C51單片機(jī)。4.7LCD顯示電路及硬件選取本設(shè)計(jì)采用LCD16021602采用標(biāo)準(zhǔn)的16腳接口，其中:第1腳：VSS為地電源

第2腳：VDD接5V正電源

第3腳：V0為液晶顯示器比照度調(diào)整端，接正電源時(shí)比照度最弱，接地電源時(shí)比照度最高，比照度過高時(shí)會(huì)產(chǎn)生“陰影〞，使用時(shí)可以通過一個(gè)10K的電位器調(diào)整比照度

第4腳：RS為存放器選擇，高電平時(shí)選擇數(shù)據(jù)存放器、低電平時(shí)選擇指令存放器。

第5腳：RW為讀寫信號(hào)線，高電平時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平時(shí)進(jìn)行寫操作。當(dāng)RS和RW共同為低電平時(shí)可以寫入指令或者顯示地址，當(dāng)RS為低電平RW為高電平時(shí)可以讀忙信號(hào)，當(dāng)RS為高電平RW為低電平時(shí)可以寫入數(shù)據(jù)。

第6腳：E端為使能端，當(dāng)E端由高電平跳變成低電平時(shí)，液晶模塊執(zhí)行命令。第7～14腳：D0～D7為8位雙向數(shù)據(jù)線。第15～16腳：空腳圖4-71602外形尺寸圖4-8讀操作時(shí)序圖4-9寫操作時(shí)序表4-31602的時(shí)序參數(shù)時(shí)序參數(shù)符號(hào)單位測(cè)試條件最小值典型值最大值E信號(hào)周期TC400--ns引腳EE脈沖寬度TPW150--nsE上升沿/下降沿時(shí)間TR,TF--25ns地址建立時(shí)間TSP130--ns引腳E、RS、R/W地址保持時(shí)間THD110--ns數(shù)據(jù)建立之間〔讀操作〕TD--100ns引腳DB0~DB7數(shù)據(jù)保持時(shí)間〔讀操作〕THD220--ns數(shù)據(jù)建立時(shí)間〔寫操作〕TSP240--ns數(shù)據(jù)保持時(shí)間〔寫操作〕THD210--ns圖4-101602與單片機(jī)的連接LCD的D0~D7口分別于P0口連接，用于接收單片機(jī)傳輸?shù)男盘?hào)。RS連接P2.0口，RS為存放器選擇，高電平時(shí)選擇數(shù)據(jù)存放器、低電平時(shí)選擇指令存放器。RW為P2.1口，RW為讀寫信號(hào)線，高電平時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平時(shí)進(jìn)行寫操作。當(dāng)RS和RW共同為低電平時(shí)可以寫入指令或者顯示地址，當(dāng)RS為低電平RW為高電平時(shí)可以讀忙信號(hào)，當(dāng)RS為高電平RW為低電平時(shí)可以寫入數(shù)據(jù)。E連接P2.2口，E端為使能端，當(dāng)E端由高電平跳變成低電平時(shí)，液晶模塊執(zhí)行命令。VSS為地電源。VDD接5V正電源。V0為液晶顯示器比照度調(diào)整端，接正電源時(shí)比照度最弱，接地電源時(shí)比照度最高，比照度過高時(shí)會(huì)產(chǎn)生“鬼影〞，使用時(shí)可以通過一個(gè)10K的電位器調(diào)整比照度4,8硬件的抗干擾措施抗干擾設(shè)計(jì)是單片機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用的關(guān)鍵問題。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件電路時(shí)，要充分考慮可能出現(xiàn)的各種干擾源產(chǎn)生的影響，并采取相應(yīng)屏蔽、隔離、接地等措施，以提高系統(tǒng)的抗干擾能力?！?〕考慮到工作現(xiàn)場(chǎng)可能存在的空間磁場(chǎng)的干擾，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中將傳感器信號(hào)入線和控制輸出線采用屏蔽雙絞線。〔2〕系統(tǒng)中地線結(jié)構(gòu)大致有模擬地、數(shù)字地和系統(tǒng)地等，將這些地線進(jìn)行合理的布局是提高系統(tǒng)抗干擾能力的重要措施。接地線應(yīng)盡量加粗，使其電阻接近于零，防止由線條較細(xì)引起的接地電位隨電流的變化而變化的情況，從而減小測(cè)量誤差，數(shù)字電路的地線呈閉環(huán)路，可減小地線間的電位差，提高抗干擾能力?！?〕印刷電路板是檢測(cè)系統(tǒng)中元器件、信號(hào)線、電源線的高密度集合體，它的合理布線設(shè)計(jì)對(duì)提高系統(tǒng)的抗干擾能力有很大幫助。所以，對(duì)印刷電路板的設(shè)計(jì)應(yīng)在布局簡(jiǎn)單的前提下，使其符合抗干擾的設(shè)計(jì)原那么；電路板元器件和焊接面的印制引線相互垂直，以減小寄生電容：PCB電源線和地線應(yīng)根據(jù)電流的大小，盡量加粗，盡量靠近，而且使其走向和數(shù)據(jù)傳遞的方向一致。印刷電路板上的每個(gè)集成電路芯片接入一個(gè)瓷片去偶電容?！?〕選擇優(yōu)質(zhì)的電子元器件，同樣會(huì)地提高系統(tǒng)的抗干擾能力。5軟件局部簡(jiǎn)介5.1引言本章主要簡(jiǎn)單介紹本設(shè)計(jì)的軟件局部，軟件設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是定時(shí)對(duì)扭矩測(cè)量信號(hào)進(jìn)行采樣,對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理,然后顯示。軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖5-1所示。開始開始參數(shù)初始化參數(shù)初始化定時(shí)器中斷N定時(shí)器中斷Y讀取扭矩值讀取扭矩值顯示顯示圖5-1軟件設(shè)計(jì)流程圖開始開始程序初始化發(fā)送數(shù)據(jù)等待翻開程序初始化發(fā)送數(shù)據(jù)等待翻開中斷采集新數(shù)據(jù)？否采集新數(shù)據(jù)？設(shè)置發(fā)送標(biāo)志是設(shè)置發(fā)送標(biāo)志處理處理圖5-2系統(tǒng)主處理程序主處理程序首先完成初始化工作，初始化后進(jìn)入循環(huán)處理，在循環(huán)過程中，主要處理獲得采集的模擬數(shù)據(jù)，并將得到的數(shù)據(jù)送到計(jì)算機(jī)。整個(gè)程序基于中斷效勞結(jié)構(gòu)，為了實(shí)現(xiàn)中斷程序和主程序的數(shù)據(jù)交互，可以通過一些全局變量和全局的緩沖區(qū)來實(shí)現(xiàn)。主處理程序如圖5-2所示。通