【正文】 成。 設(shè)計(jì)分析與要求 (1)、既可以測量靜止扭矩，也可以測量旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩； (2)、既可以測量靜態(tài)扭矩，也可以測量動態(tài)扭矩； (3)、檢測精度高，穩(wěn)定性好；抗干擾性強(qiáng)； (4)、體積小，重量輕，多種安裝結(jié)構(gòu)，易于安裝使用； (5)、不需反復(fù)調(diào)零即可連續(xù)測量正反轉(zhuǎn)扭矩； （ 6）、使用條件：轉(zhuǎn)矩測量儀一般用在機(jī)器之間的傳動軸上，所以振動大，灰塵、油霧、水污比較多，故要求傳感器封裝在一起，只留下兩個軸端在外面；工作溫度在 20~150C0 。 1 第 2 頁 2 扭矩測量及應(yīng)變片的基本原理 應(yīng)變片式傳感器的原理及結(jié)構(gòu) 應(yīng)變計(jì)的轉(zhuǎn)換原理基于應(yīng)變效應(yīng)?；资菍鞲衅鲝椥泽w表面的應(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)接測量導(dǎo)線之用。 扭矩測量的基本原理 一根實(shí)心的圓軸在扭矩 nM 的作用下，其表面的剪應(yīng)力的大小為nnGWMGr ?? ? 1 第 3 頁 式中 G 為剪切彈性模量， ? ?UEG ?? 12 同時(shí)，相距為 L 的兩個斷面的相對扭轉(zhuǎn)角，其值的可有下 式?jīng)Q定：nnMGJL?? 式中 nJ 為斷面的極慣性矩，又 dAJn ?? 22 ?? 對于實(shí)心圓軸： nJ =? /32 4d ； 對于空心圓軸： ??nJ /32（ 44 dD? ）； 由上述各式可見，只要軸的尺寸 D 或 0D ， 0d 及 L 確定，材料的剪切彈性模量就一定，轉(zhuǎn)軸的剪應(yīng)變和相距 L 的兩斷面的相對轉(zhuǎn)角就只與扭矩有關(guān)，且成比例，即 nKM?? nGJLK? 為常數(shù)，所以 nM?? 因此，只要測量 ? 即可確定 nM 。所以軸表面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。 (2)信號放大 由于應(yīng)變電橋輸出的電壓只有 mV 級，所以必須對其放大，放大電路由高性能運(yùn)算放大器搭成差動放大電路，其放大倍數(shù)在 80～ 120 之間可調(diào)。 （ 6）液晶顯示：液晶顯示部分直觀地顯示出所測彈性軸的扭矩，是整個系統(tǒng)的作用完整顯現(xiàn)。在動態(tài)扭 矩測量中 ,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達(dá)到電源的輸入及輸出。為了將應(yīng)變信號輸出 ,碳刷集流環(huán)方式信號輸出的動態(tài)扭矩傳感器往往采用碳刷與集流環(huán)形式 , 將應(yīng)變信號從運(yùn)動的扭力軸傳送到固定的外殼上的碳刷集環(huán)方式信號輸出的動態(tài)傳感器。 108 轉(zhuǎn)之間。 傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)圖 如圖 2 這種靜動態(tài)扭矩傳感器的主要結(jié)構(gòu)原理是 :在固定不動的套管式傳感器 2 ( 外殼 ) 上貼有應(yīng)變片 ,而旋轉(zhuǎn)的傳動軸 1 通過固定不動的套管式傳感器 2 ,傳動軸 1 的一端與變速箱 6 內(nèi)的行星齒輪系或步進(jìn)電機(jī) 7 的轉(zhuǎn)子連成一體 , 另一端與扭矩負(fù)載相連 。外面用細(xì)牙螺紋將兩個機(jī)件緊緊相連 , 以消除機(jī)件在運(yùn)動時(shí)產(chǎn)生的微量角度位移 , 以防止套管式扭矩傳感器的上應(yīng)變片信號測量不準(zhǔn)。 =8 M/［（ π / d3） G］［ 1/（ 1 – d４ 0/ d４ ）］ 對圓柱管形扭力軸的外徑 d: 式中 :α為圓管形扭力軸的內(nèi)、外徑之比α = d0/ d。d 為扭力軸的外徑 , m 。扭力軸的變形角一般取φ≈ 015176。然后再根據(jù)以下公式求出圓管形扭矩傳感器的內(nèi)徑 d0= ad 最后根據(jù)以上公式求出圓管形扭矩傳感器扭力軸的工作長度L 。 (2)靜動態(tài)扭矩傳感器取消了電刷和集流環(huán) , 因此粘貼在試件表面上的應(yīng)變片的使用壽命就是傳感器的使用壽命。與電刷 2 集流環(huán)式扭矩傳感器相比 , 如果按時(shí)間計(jì)算無電刷 2 集流環(huán)式傳感器使用壽命可達(dá) 2～ 3 年以上 , 與電刷集流環(huán)式扭矩傳感器相比可以提高使用壽命 2～ 3 倍以上。通常采用電橋電路實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換。 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，所以會有不同現(xiàn)象的誤差出現(xiàn)，如溫度變化 時(shí)，零點(diǎn)會有變化，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。 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。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。 本設(shè)計(jì)采用一種雙運(yùn)放放大電路。所用的放大器為 TCL2252。圖 43 為 TLC2252 的引腳排列。 177。 8 V 輸入電壓范圍， V1 VDD VDD+— VDD VDD+— V 共模輸入電壓， VIC VDD VDD+— VDD VDD+— V 工作環(huán)境（自然通風(fēng)）， TA 0 70 40 125 ℃ 放大電路的誤差分析 （ 1）電路可獲得較高的增益，卻不會使電阻熱噪聲有所增加，減少了運(yùn)放對偏置電流的影響。 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，讓指定頻段的信號通過，而讓其余頻段的信號加以抑制 或使其急劇衰減。 本系統(tǒng)選用的 ADC0809 的轉(zhuǎn)換速率為 680kHz，為了避免高頻噪聲對測量精度及穩(wěn)定度的影響，本系統(tǒng)在放大器和 A/D 間加了一個低通濾波電路，以濾去高頻噪聲。 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 所示。 ADC0809 對輸入模擬量的要求主要有信號是單極性，電壓范圍 0～ 5V，若信號過小還需進(jìn)行放大。 （ 3） ALE：地址鎖存允許信號。 （ 5） D7～ D0：數(shù)據(jù)輸出線。后的數(shù)據(jù)。當(dāng) EOC=0 時(shí)，正在進(jìn)行轉(zhuǎn)換；當(dāng) EOC=1，轉(zhuǎn)換結(jié)束。 ADC0809 與 MCS51 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。 （ 4） 在 ST 端給出一個至少有 100ns 寬的正脈沖信號。 ALE 接 ，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。 EOC 為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號。 當(dāng)轉(zhuǎn)換開始時(shí)，單片機(jī)給 START 一個脈沖信號， ADC0809 開始將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。子片內(nèi) ROM 形式片內(nèi)存儲容量片外尋址范圍 I/O 特性： 表 系列單片機(jī)部分芯片型號對照表 子 系 列 片內(nèi) ROM 形式 片內(nèi)存儲容量 片外尋址范圍 I/O 特性 中 斷 源 無 ROM ROM RAM EPROM RAM 計(jì)數(shù)器 并口 串 口 51 8031 8051 4KB 128B 64KB 64KB 2*16位 4*8位 1 5 80C31 80C51 4KB 128B 64KB 64KB 2*16位 4*8位 1 5 52 8032 8052 8KB 256B 64KB 64KB 3*16位 4*8位 1 6 MCS－ 51 單片機(jī)可分為 51 和 52 兩個子系列，并以芯片型號的最末位數(shù)字作為標(biāo)志。 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，串行接口的通信速率快了 6 倍。 （ 2）工作電壓： 。 （ 6）內(nèi)部集成 MAX810 專用復(fù)位電路，可省去外部復(fù)位電路。 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 ，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。 第 5 腳： RW 為讀寫信號線，高電平時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平時(shí)進(jìn)行寫操作。 第 15～ 16 腳：空腳 圖 57 1602 外形尺寸 1 第 22 頁 圖 58 讀操作時(shí)序 圖 59 寫操作時(shí)序 表 53 1602 的時(shí)序參數(shù) 時(shí)序參數(shù) 符號 單位 測試條件 最小值 典型值 最大值 E 信號周期 TC 400 ns 引腳 E 1 第 23 頁 E 脈沖寬度 TPW 150 ns E 上升沿 /下降沿時(shí)間 TR,TF 25 ns 地址建立時(shí)間 TSP1 30 ns 引腳 E、RS、 R/W 地址保持時(shí)間 THD1 10 ns 數(shù)據(jù)建立之間（讀操作） TD