【正文】 蚄羀肄蒆蕆羆肅薈螃袂肂羋薅螈肂莀螁肆肁 蒃薄羂肀薅蝿 袈腿芅薂螄膈莇螇蝕膇蕿薀聿膆艿袆羅膆莁蠆袁膅蒄襖螇膄薆蚇肅芃芆蒀羈節(jié)莈蚅袇芁蒀蒈螃芀膀蚃蝿芀莂薆肈艿蒄螂羄羋薇薄袀芇芆螀螆莆荿薃肅蒞蒁螈羈莄薃薁袇莄莃螇袃羀蒅蠆蝿罿薈裊肇羈芇蚈羃羇莀袃衿羇蒂蚆螅肆薄葿肄肅芄蚄羀肄蒆蕆羆肅薈螃袂肂羋薅螈肂莀螁肆肁蒃薄羂 肀薅蝿袈腿芅薂螄膈莇螇蝕膇蕿薀聿膆艿袆羅膆莁蠆袁膅蒄襖螇膄薆蚇肅芃芆蒀羈節(jié)莈蚅袇芁蒀蒈螃芀膀蚃蝿芀莂薆肈艿蒄螂羄羋薇薄袀芇芆螀螆莆荿薃肅蒞蒁螈羈莄薃薁袇莄莃螇袃羀蒅蠆蝿罿薈裊肇羈芇蚈羃羇莀袃衿羇蒂蚆螅肆薄葿肄肅芄蚄羀肄蒆蕆羆肅薈螃袂肂羋薅螈肂莀螁肆肁 蒃薄羂肀薅蝿 袈腿芅薂螄膈莇螇蝕膇蕿薀聿膆艿袆羅膆莁蠆袁膅蒄襖螇膄薆蚇肅芃芆蒀羈節(jié)莈蚅袇芁蒀蒈螃芀膀蚃蝿芀莂薆肈艿蒄螂羄羋薇薄袀芇芆螀螆莆荿薃肅蒞蒁螈羈莄薃薁袇莄莃螇袃羀蒅蠆蝿罿薈裊肇羈芇蚈羃羇莀袃衿羇蒂蚆螅肆薄葿肄肅芄蚄羀肄蒆蕆羆肅薈螃袂肂羋薅螈肂莀螁肆肁蒃薄羂肀薅蝿袈腿芅薂螄膈莇螇蝕膇蕿薀聿膆艿袆羅膆莁蠆袁膅蒄襖螇膄薆蚇肅芃芆蒀羈節(jié)莈蚅袇芁蒀蒈螃芀膀蚃蝿芀莂薆肈艿蒄螂 羄羋薇薄袀芇芆螀螆莆荿薃肅蒞蒁螈羈莄薃薁袇莄莃螇袃羀蒅蠆蝿罿薈裊肇羈芇蚈羃羇莀袃衿羇蒂蚆螅肆薄葿肄肅芄蚄羀肄蒆蕆羆肅薈螃袂肂羋薅螈肂莀螁肆肁蒃薄羂肀薅蝿 袈腿芅薂螄膈莇螇蝕膇蕿薀聿膆艿袆羅膆莁蠆袁膅蒄襖螇膄薆蚇肅芃芆蒀羈節(jié)莈蚅袇芁蒀蒈螃芀膀蚃蝿芀莂薆肈艿蒄螂羄羋薇薄袀芇芆螀螆莆荿薃肅蒞蒁螈羈莄薃薁袇莄莃螇袃羀蒅蠆蝿罿薈裊肇羈芇蚈羃羇莀袃衿羇蒂蚆螅肆薄葿肄肅芄蚄羀肄蒆蕆羆肅薈螃袂肂羋薅螈肂莀螁肆肁蒃薄羂 肀薅蝿袈腿芅薂螄膈莇螇蝕膇蕿薀聿膆艿袆羅膆莁蠆袁膅蒄襖螇膄薆蚇肅芃芆蒀羈節(jié)莈蚅袇芁蒀蒈螃芀膀蚃蝿芀莂薆肈艿蒄螂羄羋薇薄袀芇芆螀螆莆荿薃肅蒞蒁螈羈莄薃薁袇莄莃螇袃羀蒅蠆蝿罿薈裊肇羈芇蚈羃羇莀袃衿羇蒂蚆螅肆薄葿肄肅芄蚄羀肄蒆蕆羆肅薈螃袂肂羋薅螈肂莀螁肆肁 蒃薄羂肀薅蝿 袈腿芅薂螄膈莇螇蝕膇蕿薀聿膆艿袆羅膆莁蠆袁膅蒄襖螇膄薆蚇肅芃芆蒀羈節(jié)莈蚅袇芁蒀蒈螃芀膀蚃蝿芀莂薆肈艿蒄螂羄羋薇薄袀芇芆螀螆莆荿薃肅蒞蒁螈羈莄薃薁袇莄莃螇袃羀蒅蠆蝿罿薈裊肇羈芇蚈羃羇莀袃衿羇蒂蚆螅肆薄葿肄肅芄蚄羀肄蒆蕆羆肅薈螃袂肂羋薅螈肂莀螁肆肁蒃薄羂 肀薅蝿袈腿芅薂螄膈莇螇蝕膇蕿薀聿膆艿袆羅膆莁蠆袁膅蒄襖螇膄薆蚇肅芃芆蒀羈節(jié)莈蚅袇芁蒀蒈螃芀膀蚃蝿芀莂薆肈艿蒄螂羄羋薇薄袀芇芆螀螆莆荿薃肅蒞蒁螈羈莄薃薁袇莄莃螇袃羀蒅蠆蝿罿薈裊肇羈芇蚈羃羇莀袃衿羇蒂蚆螅肆薄葿肄肅芄蚄羀肄蒆蕆羆肅薈螃袂肂羋薅螈肂莀螁肆肁 蒃薄羂肀薅蝿 袈腿芅薂螄膈莇螇蝕膇蕿薀聿膆艿袆羅膆莁蠆袁膅蒄襖螇膄薆蚇肅芃芆蒀羈節(jié)莈蚅袇芁蒀蒈螃芀膀蚃蝿芀莂薆肈艿蒄螂羄羋薇薄袀芇芆螀螆 莆荿薃肅蒞蒁螈羈莄薃薁袇莄莃螇袃羀蒅蠆蝿罿薈裊肇羈芇蚈羃羇莀袃衿羇蒂蚆螅肆薄葿肄肅芄蚄羀肄蒆蕆羆肅薈螃袂肂羋薅螈肂莀螁肆肁蒃薄羂肀薅蝿袈腿芅薂螄膈莇螇蝕膇蕿薀聿膆艿袆羅膆莁蠆袁膅蒄襖螇膄薆蚇肅芃芆蒀羈節(jié)莈蚅袇芁蒀蒈螃芀膀蚃蝿芀莂薆肈艿蒄螂羄羋薇薄袀 芇芆螀螆莆荿薃肅蒞蒁螈羈莄薃薁袇莄莃螇袃羀蒅蠆蝿罿薈裊肇羈芇蚈羃羇莀袃衿羇蒂蚆螅肆薄葿肄肅芄蚄羀肄蒆蕆羆肅薈螃袂肂羋薅螈肂莀螁肆肁蒃薄羂肀薅蝿 袈腿芅薂螄膈莇螇蝕膇蕿薀聿膆艿袆羅膆莁蠆袁膅蒄襖螇膄薆蚇肅芃芆蒀羈節(jié)莈蚅袇芁蒀蒈螃芀膀蚃蝿芀莂薆肈艿蒄螂羄羋薇薄袀芇芆螀螆莆荿薃肅蒞蒁螈羈莄薃薁袇莄莃螇袃羀蒅蠆蝿罿薈裊肇羈芇蚈羃羇莀袃衿羇蒂蚆螅肆薄葿肄肅芄蚄羀肄蒆蕆羆肅薈螃袂肂羋薅螈肂莀螁肆肁蒃薄羂 肀薅蝿袈腿芅薂螄膈莇螇蝕膇蕿薀聿膆艿袆羅膆莁蠆袁膅蒄襖螇膄薆蚇肅芃芆蒀羈節(jié)莈蚅袇芁蒀蒈螃芀膀蚃蝿芀莂薆肈艿蒄螂羄羋薇薄袀芇芆螀螆莆荿薃肅蒞蒁螈羈莄薃薁袇莄莃螇袃羀蒅蠆蝿罿薈裊肇羈芇蚈羃羇莀袃衿羇蒂蚆螅肆薄葿肄肅芄蚄羀肄蒆蕆羆肅薈螃袂肂羋薅螈肂莀螁肆肁 蒃薄羂肀薅蝿 袈腿芅薂螄膈莇螇蝕膇蕿薀聿膆艿袆羅膆莁蠆袁膅蒄襖螇膄薆蚇肅芃芆蒀羈節(jié)莈蚅袇芁蒀蒈螃芀膀蚃蝿芀莂薆肈艿蒄螂羄羋薇薄袀芇芆螀螆莆荿薃肅蒞蒁螈羈莄薃薁袇莄莃螇袃羀蒅蠆蝿罿薈裊肇羈芇蚈羃羇莀袃衿羇蒂蚆螅肆薄葿肄肅芄蚄羀肄蒆蕆羆肅薈螃袂肂羋薅螈肂莀螁肆肁蒃薄羂 肀薅蝿袈腿芅薂螄膈莇螇蝕膇蕿薀聿膆艿袆羅膆莁蠆袁膅蒄襖螇膄薆蚇肅芃芆蒀羈節(jié)莈蚅袇芁蒀蒈螃芀膀蚃蝿芀莂薆肈艿蒄螂羄羋薇薄袀芇芆螀螆莆荿薃肅蒞蒁螈羈莄薃薁袇莄莃螇袃羀蒅蠆蝿罿薈裊肇羈芇蚈羃羇莀袃衿羇蒂蚆螅肆薄葿肄肅芄蚄羀肄蒆蕆羆肅薈螃袂肂羋薅螈肂莀螁肆肁 蒃薄羂肀薅蝿 袈腿 摘 要 近年來，隨著科學技術的進步和測試技術的發(fā)展，對扭矩傳感器提出了更高的要求。在扭矩傳感器主體的設計過程中，首先介紹了應變式扭矩傳感器的測量原理，介紹了一種高精度智能控制扭矩測試儀的設計 ,描述了該儀器的主要機械結(jié)構(gòu)、 電路結(jié)構(gòu)和工作原理 ,給出了軟件 程序流程。各種工業(yè)產(chǎn)品裝配線上使用的自動化緊固工具和裝置，例如電動板 旋鑿，都需要扭矩傳感器提供緊固力矩信號，并按照設定的擰緊力矩進行作業(yè)；在各種自動化生產(chǎn)過程中，例如深孔鉆削作業(yè)中的鉆頭過載保護和自動提升 排屑，數(shù)控金屬切削機床的自整定系統(tǒng)等，也都可以通過工作軸轉(zhuǎn)矩的在線檢測，達到工藝過程的自控目的。目前，汽車上廣泛使 用的負荷檢測方法均屬于間接測量方法，測量準確度比較低。若能準確、可靠、方便地測出受試機械的平均或瞬時的扭矩值、轉(zhuǎn)速和功率，這將有利于改進和提高其性能。扭矩已成為眾多機械量測量中的一個主要參數(shù)。扭矩測量應用范圍很廣泛，它滲透到工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運輸、航天航空、國防、能源等各個領域。 扭矩檢測是一種常規(guī)的機械產(chǎn)品性能指標檢測方法，也是科研試驗中經(jīng)常用到的一種檢測手段。其對生產(chǎn)及科研具有相當?shù)闹匾饬x。目前，由于微機的應用，扭矩測量儀性能大大提高， 而傳感器的研究與測量儀相比稍有遜色。以往扭矩傳感器大部分屬于介入式，即必須作為傳動軸一部分才能使用，這樣限制了它的應用范圍，一般用于實驗室、臺架測量。隨著新原理、新材料的發(fā)現(xiàn)和微細加工、微機械加工技術的發(fā)展和應用，正在促進傳統(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)簡單、使用方便，代表扭矩傳感器的新動向。隨著檢測變換集成化和多功能化，將過去先檢測傳輸、后對信號進行變換處理的概念演變?yōu)橄葯z測變換處理，后再進行傳輸，這 一變更已成為可能。 在扭矩傳感器信號傳輸及測量儀的總成上，工業(yè)化扭矩儀研制的呼聲愈來愈高，一改以往扭矩測量儀多半應用于實驗室臺架測量的情景。 扭矩測量的幾種方法 (1)磁致伸縮式 (壓磁式 )扭矩傳感器。在一定范圍內(nèi)，感應電勢與軸上所 受扭矩成線性關系。 (2) 光電式扭矩傳感器。轉(zhuǎn)矩越大，扭轉(zhuǎn)角就越大，照射到光敏元件上的光越多，因而輸出的電信號也就越大。 該扭矩傳感器是根據(jù)磁感應原理設計的。此外，國外還有一種利用發(fā)動機曲軸的前、后端在工作時產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)角來測量發(fā)動機扭矩的方法，但這種方法只有在較大負荷時才可靠。方向分別粘貼 4個應變片，組成全橋 電路的四個橋臂，用以感受同向的最大正應變。 (a)集流環(huán)傳輸利用這種傳輸技術的應變片式轉(zhuǎn)矩傳感器，在測量汽車半軸轉(zhuǎn)矩方面得到了應用；測量時需用測量軸更換汽車半軸。利用這種傳輸技術的應變式扭矩傳感器可以高速長時間運行，既可以測量靜態(tài)扭矩也可以測量動態(tài)扭矩；穩(wěn)定性好，抗干擾性強，具有較高的準確度和較好的頻率特性和溫度特性。 東北石油大學秦皇島分校畢業(yè)論文 6 扭矩測量的發(fā)展前景 隨著各種被測系統(tǒng)復雜性和自動化程度的不斷提高，扭矩測量方法也在不斷地推陳出新，目前扭矩測量方法的發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面： （ 1）向直接測量扭矩的方向發(fā)展； （ 2）向動態(tài)在線扭矩測量的方向發(fā)展； （ 3）向多功能扭矩測量的方向發(fā)展； （ 4）向扭矩優(yōu)化測量的方向發(fā)展； （ 5）向數(shù)字化 智能化 網(wǎng)絡化扭矩測量的方向發(fā)展； (6) 扭矩傳感器新技術的不斷涌現(xiàn)為扭矩測量方法的適時更新提供了新途徑。 （ 2）通過研究和計算，確定扭矩 傳感器傳動軸的材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)。 本課題所研制的扭矩測量儀的預期目標如下： (1)扭矩測量范圍 :0～ 200 N178。將該應變信號放大后，經(jīng)低通濾波送入 A/D轉(zhuǎn)換，然后經(jīng)單片機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。 信號采集 電路 測量放大電路 低通濾波電路 A/D 轉(zhuǎn)換電路 51單片機 液晶顯示 東北石油大學秦皇島分校畢業(yè)論文 9 金屬導體的電阻 應變效應用應變靈敏系數(shù) K 表示，他決定于導體電阻的相對變化△ R/R與其長度相對變化△ l/l之比值 ?；资菍鞲衅鲝椥泽w表面的應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)接測量導線之用。 東北石油大學秦皇島分校畢業(yè)論文 10 扭矩測量的基本原理 如圖 23所示，當彈性軸受到扭轉(zhuǎn)時，傳遞的扭矩是剪應力對橫截面扭心的合成力矩。可將應變片沿 轉(zhuǎn)軸軸線 45和 45方向粘貼在轉(zhuǎn)軸表面，就會受到相應的最大拉應力和壓應力的作用，將應變片組成全橋電路。 當電橋的供電電壓是 Ui時，其輸出電壓 Uo為： （ 25） 式中， K應變片的靈敏系數(shù)。 (2)信號放大 由于應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變橋路及信號如何可靠地輸出到顯示儀表，本設計采用滑環(huán)以及滑臂之間的電刷達到電源的輸入及輸出。 應變片的選用 電阻應變片的種類很多，有絲式應變片、箔式應變片、半導體應變片和薄膜應變片等。 本課題采用力敏全橋應變片。106S 扭矩測量精度與旋轉(zhuǎn)速度、方向無關 正向轉(zhuǎn)矩滿量程頻率輸出： 15KHz 東北石油大學秦皇島分校畢業(yè)論文 15 體積小、重量輕、安裝方便 反向轉(zhuǎn)矩滿量程頻率輸出 ： 5 KHz 可靠性高、壽命長 傳感器信號輸出：方波信號、幅值為5V、負載電流＜ 15mA 此傳感器可測量正、反轉(zhuǎn)穩(wěn)態(tài)扭矩，設計要求中扭矩檢測范圍為 2Nm ～ +2Nm，能滿足要求。彈性元件結(jié)構(gòu)設計的一般原則是：結(jié)構(gòu)簡單；剛性好；有效工作區(qū)具有最大應變值和良好的線性；抗干擾能力強；工藝性能好等。 （ 1)確定軸的直徑已知軸上所受最大扭矩為 200Nm，可根據(jù)軸的強度條件設計軸的直徑，從圓軸扭轉(zhuǎn)時各橫截面之間的距離不變，也即圓軸無軸向的伸長或縮短，說明圓軸橫截面上沒有正應力，只有垂直于半徑的剪應力。 已知軸所受的最大扭矩值為 200Nm，則 （ 1） 當被測材料為 45鋼時，可查得 45鋼的極限應力為 294 N/，帶入式（ 31），得： D= （ 2）當被測材料為 40Cr鋼時，可查得 785 N/， 帶入式（ 31），得： D= （ 3） 當被測材料為 38CrMoAlA合金鋼時，可查得 38CrMoAlA合金鋼的極限應力為539N/，帶入式（ 31），得， D= （ 4），當被測材料為電工鋼時，可查得電工鋼的極限應力為 785 N/，帶入式（ 31），得， D= 東北石油大學秦皇島分校畢業(yè)論文 17 以上得到的分別以 4種材料作為轉(zhuǎn)軸時，在滿足強度條件下得到的轉(zhuǎn)軸直徑，考慮到材料的成本，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。聯(lián)軸器由兩半部分組成，分別與主動軸和從動軸聯(lián)接。②可移式聯(lián)軸器。選擇時先應根據(jù)工作要求選定合適的類型，然后按照軸的直徑計算扭矩和轉(zhuǎn)速，再從有關手冊中查出適用的型號，最后對某些關鍵零件作必要的驗算。一般動 力機大都借助于聯(lián)軸器與工作機相聯(lián)接，是機械產(chǎn)品軸系傳動最常用的聯(lián)接部件。在高速重載的動力傳動中，有些聯(lián)軸器還有緩沖、減振和提高軸系動態(tài)性能的作用。剛性可移式聯(lián)軸器利用聯(lián)軸器工作零件間構(gòu)成的動聯(lián)接具有某一方向或幾個方向的活動度來補償，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（簡稱彈性聯(lián)軸器）利用彈性元件的 彈性變形來補償兩軸的偏斜和位移，同時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)軸器種類繁多，按照被聯(lián)接兩軸的相對位置和位置的變動情況，可以分為：①固定式聯(lián)軸器。 聯(lián)軸器的選 用 聯(lián)軸器是用來聯(lián)接不同機構(gòu)中的兩根軸（主動軸和從動軸）使之共同旋轉(zhuǎn)以傳遞扭矩的機械零件。因此圓軸扭轉(zhuǎn)時的強度條件為 F′ = (31) 式中 , F′ — 扭軸橫截面上的最大剪應力 (N/mm) — 轉(zhuǎn)軸橫截面的抗扭極矩 ( ) M─軸所受最大扭矩 (N m)； D— 實心扭軸直徑 (mm)。 彈性軸材料的選擇和確定 應變式扭矩傳感器主要是用于動力設備傳動扭矩的在線測量。傳感器體積小、重量輕、安裝方便， 便于傳感器機械安裝機構(gòu) 的設計 。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、耗能低、性能穩(wěn)定可靠、使用壽命長等優(yōu)點，適合轉(zhuǎn)速低且要求轉(zhuǎn)速測量精