【正文】 度高和進(jìn)行角度測量的場合使用，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31。電阻應(yīng)變片除了能夠直接測量試件的應(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，用來測量力、壓力、扭矩、加速度等物理量。綜上所述，本文所設(shè)計(jì)的方案是完全可行的。這里采用變壓器傳輸方式完成電源的傳輸。 （ 4） A/D轉(zhuǎn)換：將模擬信號轉(zhuǎn)化為 數(shù)字信號。 顯然，只要能確定輸出電壓，選取合適的彈性軸材料，就能確定所測彈性軸的扭矩。 圖 24電阻應(yīng)變片全橋電路 當(dāng)彈性軸受到如圖所示的剪切力作用時， R R3 應(yīng)變片受拉應(yīng)力； R R4 受壓 東北石油大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)論文 11 應(yīng)力。由圓軸扭轉(zhuǎn)時應(yīng)力分析可知，此單元體處于純剪切應(yīng)力狀態(tài)。應(yīng)變計(jì)的結(jié)構(gòu)如下： 圖 22 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)粘貼于彈性元件表面彈性元件表面的變形通過基底和粘結(jié)列傳遞給應(yīng)變計(jì)的敏感。 其公式表示為 : R=ρ L/A （ 22） 從而當(dāng)金屬絲受力變形改變其長度與橫截面積而改變電阻值，而引起電壓值變化。 這類傳感器的種類很多，在幾何量和機(jī)械量測量領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛，常用來測量力、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)簡單，使用方便，性能穩(wěn)定、可靠； （ 2）易于實(shí)現(xiàn)測試過程中的自動化和多點(diǎn)同步測量、遠(yuǎn)距離測量和遙測； （ 3）靈敏度高，測量速度快，適合靜態(tài)動態(tài)測量； （ 4）可以測量多種物理量，應(yīng)用廣泛。 東北石油大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)論文 8 第二章 檢測裝置的 基本原理和總體方案 將專用的測扭應(yīng)變片用應(yīng)變膠粘貼在被測彈性軸上并組成應(yīng)變橋 ,應(yīng)變橋提供電源即可測得該彈性軸受扭的電信號。 (2)扭矩儀誤差指標(biāo)：線性度 %，遲滯誤差 %，重復(fù)性誤差 %， 測量誤差 % 東北石油大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)論文 7 課題研究方法 扭矩會使傳動軸 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)變片來檢測相應(yīng)扭矩的大小 當(dāng)傳動軸受到扭矩作用時會發(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)變片能夠檢測到傳動軸所受扭矩的大小。 （ 4）設(shè)計(jì)傳感器電路，選取應(yīng)變片和電子元件。 課題研究的內(nèi)容和方法 課題研究內(nèi)容 傳感器采用 電阻應(yīng)變片，此傳感器抗振動、耗能低、性能穩(wěn)定可靠、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，適合轉(zhuǎn)速低且要求轉(zhuǎn)速測量精度高和進(jìn)行角度測量的場合使用。 (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發(fā)展，使發(fā)射機(jī)可以做得極小 (可達(dá)克級 )，耗電極少。 (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，將外部激勵電源與旋轉(zhuǎn)體上的應(yīng)變橋路連接起來；同樣，在信號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)生的測量信號輸出到外部處理電路；由此實(shí)現(xiàn)了電源和扭矩信號的非接觸傳遞，做到了扭矩信號的傳遞與是否旋轉(zhuǎn)無關(guān)，與轉(zhuǎn)速大小無關(guān)，與旋轉(zhuǎn)方向無關(guān)。這種扭矩傳感器使用范圍廣，能測量瞬時扭矩及起動扭矩 (動態(tài)測量 )，而且結(jié)構(gòu)簡單，測量準(zhǔn)確度高；但抗干擾能力較差 ,溫度、濕度以及粘接劑等對準(zhǔn)確度都有影響。 沿扭力軸的軸向177。這種轉(zhuǎn)矩傳感器可測起動和低速轉(zhuǎn)矩，但動態(tài)特性不好，不適于高速轉(zhuǎn)動中的扭矩測量。這種扭矩傳感器抗干擾能力和可靠性較差，不能測量起動和低轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩，靜標(biāo)困難，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，目前很少使用。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，兩片光柵的明暗條紋錯開，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，亦無電信號輸出。這種傳感器屬于接觸測量，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)簡單。把繞有線圈的兩個π形鐵心安裝在扭軸周圍，在其中一個鐵心的線圈中通以交流電，在扭軸周圍形成交變磁場，稱為勵磁線圈，另一個鐵心的線圈用來產(chǎn)生感應(yīng)電勢，稱為測量線圈。 虛擬儀器利用個人計(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 東北石油大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)論文 4 高儀器的功能和使用效率，大幅度降低儀器價格，使用戶可以根據(jù)自己的需要定義儀器的功能。軟件擴(kuò)展了結(jié)構(gòu)的性能限制，并使儀器具有智能化。近期推出的傳感器一般均為無接觸式傳輸。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。目前傳感器主要發(fā)展動如下。由于各種 東北石油大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)論文 3 扭矩測量儀的測試方式不同，使得其應(yīng)用范圍不同。本課題主要設(shè)計(jì)一種方便易用的靜態(tài)扭矩的檢測裝置。在這種背景下，八十年代末美國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基本功能，又有一般儀器所沒有的特殊功能 的高檔、低價的新型儀器，虛擬儀器的出現(xiàn)是儀器發(fā)展史上的一場革命，代表著儀器發(fā)展的最新方向和潮流，對科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)的進(jìn)步產(chǎn)生不可估量的影響。改革開放以來，我們走技術(shù)引進(jìn)、自主創(chuàng)新之路，極大的推動了扭矩測量技術(shù)的發(fā)展。 東北石油大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)論文 2 扭矩測量是各種機(jī)械產(chǎn)品的開發(fā)研究、測試分析、質(zhì)量檢驗(yàn)、型式鑒定和節(jié)能、安全或優(yōu)化控制等工作中必不可少的內(nèi)容。因此，研制出一種高準(zhǔn)確度動態(tài)扭矩測量儀對自動控制及汽車制造業(yè)等領(lǐng)域具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。對汽車的各種電控系統(tǒng)而言，其中最重要的兩個基本參數(shù)是發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷。檢測裝置達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)要求，相對于其他檢測方式精度高而且操作方便。本文是在對比多種傳感器的基礎(chǔ)上針對其他扭矩傳感器的缺點(diǎn)，研制開發(fā)了一種結(jié)構(gòu)簡單，工作穩(wěn)定的新型高精度應(yīng)變式扭矩測量儀。工程和實(shí)際中 ,許多情況下必須控制和知道扭矩的大小。 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)速動態(tài)扭矩。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)成為發(fā)展汽車電子控制系統(tǒng)的關(guān)鍵。扭矩傳感器屬于負(fù)荷的直接檢測方法，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。同時，裝置測試系統(tǒng)可作旋轉(zhuǎn)動力機(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控制系統(tǒng)的檢測裝置。近年來，世界各工業(yè)發(fā)達(dá)國家相繼探討出許多扭矩測試新技術(shù)，研制、生產(chǎn)出較多的新穎扭矩測量儀。 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)的高度發(fā)展及其在電子測量技術(shù)與儀器上的應(yīng)用，新的測試?yán)碚摗y試方法、測試領(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，電子測量儀器的功能和作用已經(jīng)發(fā)生了質(zhì)的變化。但市售的成熟產(chǎn)品價格昂貴，或者采用懸掛砝碼的方式檢測，精度不高并且操作不便。目前，扭矩測量儀大致可分為以下幾種：應(yīng)變扭矩測量儀，相位差扭矩測量儀，振弦式、電容式、磁彈性式測量儀。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、信號傳遞等方面加以研究?，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)際工況測量扭矩帶來很大的方便。 在信號傳輸方面，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。 扭矩測量儀的智能化、微機(jī)化是當(dāng)今測量儀變革的主流，單片微機(jī)和軟件的開發(fā)應(yīng)用已使信號的檢測、采集、比較、相關(guān)、數(shù)字濾波、域間變換、邏輯和函數(shù)運(yùn)算、程序給定和反饋控制等功能由儀器本身來實(shí)現(xiàn)成為可能。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。 這種傳感器的扭力軸由鐵磁材料做成的。這樣，通過檢測感應(yīng)電勢，便可測量扭矩。 美國 NASA 劉易斯研究所中心曾對此項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行過研究。因此通過檢測輸出的電信號，即可測量出外加的扭矩。在被測的扭力軸上相距一定距離的兩端處各安裝一個齒形轉(zhuǎn)輪 (相差盤 )，靠近轉(zhuǎn)輪沿徑向各放置一個感應(yīng)式脈沖發(fā)生器 (在永久磁鐵上繞一 個固定線圈而制成，又稱電磁檢測器；當(dāng)轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)時，便在兩個脈沖發(fā)生器中產(chǎn)生正弦信號，而這兩個正弦信號的相位差與外加轉(zhuǎn)矩成正比；因此，通過 東北石油大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)論文 5 檢測這個相位差，即可測量出扭力軸所傳遞的轉(zhuǎn)矩。 (4)應(yīng)變式扭矩傳感器。當(dāng)扭力軸受扭時，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，然后經(jīng)適當(dāng)?shù)姆绞綄⒃撾妷旱男盘栆?，通過處理后便可計(jì)算出外加扭矩。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)境和高速測量；另外它對安裝要求很高，調(diào)試技術(shù)也較復(fù)雜。由于其結(jié)構(gòu)簡單，維修也比較方便。 例如扭矩傳感器 逐步向微型化和巨型化方向發(fā)展；從單件單品種向成套系列化方向發(fā)展；由介入式逐漸發(fā)展為非介入式；向原器件集成化和信號處理智能化的方向發(fā)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。 （ 3）針對現(xiàn)有的動態(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傳遞方式。 m，轉(zhuǎn)速適用范圍： 0～ 200rpm。 這種接法可以消除軸向力和彎曲力的干擾。 檢測裝置整體系統(tǒng)框圖如圖 21所示 圖 21 檢測裝置整體系統(tǒng)框圖 ： 電阻應(yīng)變片的基本原理 電阻應(yīng)變 式傳感器的基本原理是將被測非電量轉(zhuǎn)換成與之有確定對應(yīng)關(guān)系的電阻值，再通過測量此電阻值達(dá)到測量非電量的目的。 由物理學(xué)可知，金屬絲酌電阻值 R 與其長度 L 和電阻率ρ成正比，與其截面積 A成正比。電阻敏感柵可以將應(yīng)變量轉(zhuǎn)換成電阻變化。 圖 23扭軸橫截面上的剪應(yīng)力分布 轉(zhuǎn)軸扭轉(zhuǎn)時切應(yīng)力處在縱向軸的徑向平面上，在軸表面用兩個橫截面，兩個徑向縱截面及兩個軸向縱截面截取出一個單元平行六面體來研究，因邊長均為微量，故此六面體非常接近于正六面體。如圖 24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，工作應(yīng)變片 R R R R4 分別產(chǎn)生最大正負(fù)應(yīng)變。 根據(jù)式（ 23），（ 24），（ 25），可以得出： (實(shí)心 ) （ 26） (空心 ) （ 27） 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)； 輸出電壓； 輸入電壓。 （ 3）低通濾波電路： 本系統(tǒng)選用的 ADC0809 的轉(zhuǎn)換測量精度及穩(wěn)定度的影響，本系統(tǒng)在電路，以濾去高頻噪聲。 （ 7） 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)定的直流電源電測量電橋 測量放大電路 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 東北石油大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)論文 13 壓。 從而實(shí)現(xiàn)了電信號在轉(zhuǎn)子和定子之間的傳輸，解決了動態(tài)扭矩測量中存在的信號傳輸問題，使得扭矩測量儀的準(zhǔn)確度和可靠性大大的提高。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。它具有良好的一致性和對稱性，很小的非線性和橫向效應(yīng)。傳感器信號檢測采用數(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)境比較惡劣的情況下進(jìn)行數(shù)據(jù)的測量。 扭矩傳感器的硬件結(jié)構(gòu) 圖 31 接觸式旋轉(zhuǎn)扭矩傳感器硬件結(jié)構(gòu) 如圖 31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 東北石油大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)論文 16 臂，以及電源組成。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。由此可以確定軸的直徑為 20mm。一般動力機(jī)大都借助于聯(lián)軸器與工作機(jī)相聯(lián)接。主要用于兩軸有偏斜或在工作中有相對位移的地方，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。 分類還包括球籠式萬向聯(lián)軸器 圓錐碗簧聯(lián)軸器 SWP、 SWC 型十字軸式萬向聯(lián)軸器十字包 94） 矯正機(jī)用十字軸式萬向聯(lián)軸器（ JB/） 彈簧管聯(lián)軸器 WS、 WSD型十字軸式萬向聯(lián)軸器（ JB/T590191） WSH 型 滑動軸承 十字軸式萬向聯(lián)軸器 ML型薄膜聯(lián)軸器（ SJ212782） SWZ 型整體軸承座十字軸式萬向聯(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（主動軸和從動軸）使之共同旋轉(zhuǎn)以傳遞扭矩的機(jī)械零件。 20 世紀(jì)后期國內(nèi)外聯(lián)軸器產(chǎn)品發(fā)展很快，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時如何從品種甚多、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