【文章內(nèi)容簡介】 畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 微扭矩測量傳感器的研究。隨著家用電器的迅速發(fā)展，如電風(fēng)扇、微電機(jī)、縫紉機(jī)、剃須刀、電冰箱、洗衣機(jī)甚至開關(guān)都要測量扭矩，急待解決 g 178。 cm級的扭矩測量，新傳感器的研制將成為解決這一問題的關(guān)鍵。 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。近期推出的傳感器一般均 為無接觸式傳輸。如感應(yīng)方式或遙測體制，它克服了接觸式傳輸?shù)娜秉c(diǎn)。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(jìn)行變換處理的概念演變?yōu)橄葯z測變換處理，后再進(jìn)行傳輸，這一變更已成為可能。 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)被測參數(shù)的變化來自選量程、自動補(bǔ)償、自動校正、人機(jī)對話、自尋故障，并 能方便的與總線接口，進(jìn)行多臺聯(lián)機(jī)通信及控制。 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(yīng)用于實驗室臺架測量的情景。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。 國內(nèi)外扭矩測量儀的現(xiàn)況簡介 1. 國外扭矩測量儀現(xiàn)狀 美國阿克來克斯公司 (Acurex co.)中的一個分公司 WDC(無線數(shù)據(jù)傳輸公司 )，自 70 年代起，生產(chǎn)“通用 海上試驗功率測試系統(tǒng)” (Universal Sea Trial Power Measurement System)，顯示板上可顯示被測主機(jī)的扭矩、轉(zhuǎn)速和功率。此類儀器的扭矩測量是采用卡環(huán)式應(yīng)變傳感器敏感被測軸的扭轉(zhuǎn)變形角，變形量與扭矩成正比。量程范圍為 0～ 2179。106N178。 m，測量精度為 ?1％ .，轉(zhuǎn)速測量是采用紅外線測速法，精度為 ?％ .，平均無故障時間 MTBF 為 4200h。 此外，美國的陶太克 (TORODUCTOR)公司生產(chǎn)無接觸式磁彈性扭矩儀；美國麻省理工學(xué)院研制成抗干擾性強(qiáng)的光纖扭矩傳感 器。這些都代表著世界新潮流。 日本小野測試社擅長制造磁電式相位差扭矩測量儀，首期產(chǎn)品多半用于實驗室，適用于精測扭矩。其量程范圍較寬，小量程為 ～ 10N178。 m，中大量程為 10～ 10179。 106N178。 m，已成系列產(chǎn)品，精度可達(dá) ％～ 1％ .。 20世紀(jì) 80 年代初，小野測試社和赤版鐵工所聯(lián)合研制出船用主機(jī)扭矩測量儀 MS25B，可測扭矩 (5179。 105 N178。 m，精度 ?%.)、轉(zhuǎn)速(，精度 ?)和功率 (1500ps)。 僅供參考，支持原創(chuàng)，鄙視抄襲！ 畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 德國馬霍克 ()公司歷史悠久，生產(chǎn)的振弦式扭 矩測量儀聞名世界。該儀器是利用軸扭轉(zhuǎn)時致使傳感器中的鋼弦拉緊或放松，從而使鋼弦自身頻率變化測得扭矩；數(shù)據(jù)傳輸方式有滑環(huán)式和感應(yīng)式。其生產(chǎn)的 MDS820 產(chǎn)品，被測軸頸范圍為 ?50～ ?1000mm，已形成系列產(chǎn)品。 此外，德國的 HBM 公司 (Hoffinger Baldwin Mesefechmik Gmhm)生產(chǎn)電阻應(yīng)變式扭矩測量儀，采用弧齒聯(lián)軸節(jié)，以消除不同軸度帶來的測量誤差，獨(dú)具風(fēng)格。 生產(chǎn)電阻應(yīng)變式扭矩儀的還有英國霍佛科公司 (HoverKrafe)和荷蘭的 公司，它們在艦船監(jiān)測上都已亮相。 2. 國內(nèi)扭矩測量儀的發(fā)展 國內(nèi)扭矩測量技術(shù)的研究和扭矩測量儀的生產(chǎn)已初具規(guī)模，從扭矩測量儀的類別、數(shù)量和質(zhì)量來看，絕大部分式電阻應(yīng)變式和磁電式扭矩儀。 電阻應(yīng)變式扭矩測量儀是拾取粘貼在受扭軸上的電阻應(yīng)變片的阻值變化來測量扭矩的，故無須斷開軸系，而且測量儀表也可采用通用的電阻應(yīng)變儀。電阻應(yīng)變式傳感器的生產(chǎn)單位較多，如北京機(jī)床研究所、中國船舶工業(yè)總公司 701 研究所，上海通用機(jī)械研究所，成功的應(yīng)用于機(jī)床和各種動力軸的扭矩測量。在艦船、貨船主機(jī)扭矩測量上，中國船舶工業(yè)總公司上海 704 研究所生產(chǎn)的卡環(huán)型應(yīng)變式扭矩傳感器 ，測量時只要將卡環(huán)卡在軸上就可測量扭矩，測量儀表采用 INTEL MCS51 單片機(jī)作為核心的智能儀器，可同時測量扭矩轉(zhuǎn)速、功率，并具有自診斷、數(shù)據(jù)處理、溫度修正、越限報警等功能，集成度高，可靠性好。 磁電式扭矩測量儀最早的研制單位是上海電器科學(xué)研究所，供應(yīng)市場的是 1000 N178。 m扭矩轉(zhuǎn)速傳感器和數(shù)字扭矩轉(zhuǎn)速測盆儀。隨后上海交通大學(xué)、中國船舶工業(yè)總公司上海 704研究所、天津機(jī)械工程研究所、上海第二電表廠、湘西儀表元件廠、哈爾濱東安機(jī)器廠、沈陽機(jī)電學(xué)院相繼研制成磁電式扭矩測量儀，這種類型的扭矩儀是目前國內(nèi)應(yīng)用最 多的扭矩儀。例如中國船舶工業(yè)總公司上海 704研究所制造的 20 20KN178。 m扭矩轉(zhuǎn)速傳感器和數(shù)字扭矩轉(zhuǎn)速測量儀，成功地應(yīng)用在地質(zhì)礦產(chǎn)部鉆機(jī)上?，F(xiàn)場的鉆探表演，獲得美國、俄羅斯等 31國參加聯(lián)合國亞太地區(qū)鉆機(jī)學(xué)術(shù)會議專家的好評。該所生產(chǎn)的磁電式扭矩測量儀也可與上述的智能化測量儀連用，系統(tǒng)精度為 0 .596 .。 為了滿足各種不同的測試要求，各種類型的傳感器相繼出現(xiàn)。 磁電型相位差式傳感器 僅供參考，支持原創(chuàng)，鄙視抄襲！ 畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 這時國內(nèi)最普遍使用的傳感器。生產(chǎn)廠家也主要生產(chǎn)這種類型的傳感器，它已廣泛用于手工業(yè)、科研各個領(lǐng) 域。隨著工業(yè)發(fā)展要求，已涌現(xiàn)出耐振動、成本低、體積小、不帶輔助電極的扭矩傳感器。 應(yīng)變式傳感器 這是最早應(yīng)用的傳感器。隨著彈性體和應(yīng)變片質(zhì)量的提高，出現(xiàn)了下些新型傳感器。如：卡環(huán)式應(yīng)變傳感器、感應(yīng)式應(yīng)變傳感器。它們的信號傳輸方式為搖測式、感應(yīng)式，代替了以往經(jīng)典的滑環(huán)傳輸方式，并提高了測試精度。但在低速狀態(tài)下，滑環(huán)通輸應(yīng)變傳感器還有應(yīng)用市場。目前， 704 所正在研制 2020KNM 扭矩傳感器標(biāo)定采用模擬方法。 這種形式的傳感器以往應(yīng)用較少。最近有幾個單位正在研制，有的單位正在準(zhǔn)備研制扭矩傳感器。 該型傳感器應(yīng)用較早，但在國內(nèi)研制起步較遲，其結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，精度 1%2%左右，最近幾年研究此類傳感器的單位有四五家，成為一種新動向。 小量程（克、厘米）扭矩傳感器 為滿足微電機(jī)和家用電器的需要，小量程扭矩傳感器開始供應(yīng) 1. 根據(jù)總體方案的結(jié)構(gòu)形式，進(jìn)行技術(shù)設(shè)計，包括硬件設(shè)計和軟件設(shè)計，選擇元件，對主要芯片進(jìn)行反復(fù)查證，選擇最合理的。 。 。 僅供參考，支持原創(chuàng)，鄙視抄襲！ 畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 第 2 章 總體方案設(shè)計 本系統(tǒng)由一臺 8051 單片機(jī)， I/O 接口，步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器，步進(jìn)電動機(jī)，光電耦合電路，脈沖環(huán)形分配，傳感器， A/D 轉(zhuǎn)換器組成。 傳感器的測試原理 本系統(tǒng)采用電阻應(yīng)變傳感器，其工作原理，根據(jù)測試儀的扭矩測量原理，即以金屬材料為敏感元件的應(yīng)變片原理基于金屬的應(yīng)變效應(yīng)。由物理學(xué)可知：金屬的電阻 R 為 : ALR /??? （ 21） 式中： ρ — 電阻率 L—— 金屬絲長度 A—— 金屬絲截面面積 金屬絲受到拉伸和變形后，尺寸變化導(dǎo)致電阻值變化： dR/R= dL/LdA/A+dρ /ρ 推導(dǎo)整理后得： Δ R/R=Kε 式中： K金屬材料靈敏度系數(shù) K=1+2μ +dρ /（ε178。ρ） （ 22） μ =金屬材料的泊松比 ε =dL/L 大多數(shù)金屬在彈性變形范圍內(nèi)的 K值是常數(shù)，其隨著材料的不同而不同。由此可 見，應(yīng)變與電阻變化率成線性關(guān)系。 基于以上原理，智能化扭矩測試儀采用電阻式傳感器，將作用在被測在工件上的扭矩值轉(zhuǎn)換為金屬應(yīng)變電阻改變，通過電橋電路轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枴? 單片機(jī)通過 I/O 口發(fā)送脈沖信號給步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器，以控制步進(jìn)電動機(jī)的方向和參數(shù)，用半導(dǎo)體應(yīng)變左為傳感器，將作用在被測工件上的扭矩值轉(zhuǎn)換為應(yīng)變片電阻的變化，通過電橋電路轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺?A/D卡把模擬信號轉(zhuǎn)化為單片機(jī)可以接受的數(shù)字信號，由單片機(jī)對數(shù)字信號進(jìn)行處理，并把步進(jìn)電動機(jī)產(chǎn)生擬定扭矩值顯示出來，通過鍵盤接口，打印機(jī)，將輸出的扭矩值打印出來，與 BCD撥碼盤的初量數(shù)據(jù)比較，當(dāng)輸出的扭矩值接近最大值時，停止操作結(jié)束流程， LED 閃爍 888，等待手工取下夾具，當(dāng)需要測量的 扭矩大于傳感器器的 測量范圍時強(qiáng)行測量會損壞傳感器，因此當(dāng)需要測量值超過量程時， LED 閃爍 000，要求用戶重新輸入。 僅供參考，支持原創(chuàng)，鄙視抄襲！ 畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 圖 21測試工作原理圖 單片機(jī)的引腳描述及片外結(jié)構(gòu)圖 圖 22 8051 芯片引腳分配圖 單 片 機(jī) 程序存儲器 顯 示 打 印 控制按鈕 BCD 撥盤 A/D轉(zhuǎn)換 調(diào)理電路 扭矩 傳感器 步進(jìn)電機(jī) 驅(qū)動電機(jī) 僅供參考，支持原創(chuàng)，鄙視抄襲！ 畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 各引腳功能說明如下： GND:接地端 Vcc:電源端 :通道 0，雙向 I/O 口。第二功能是在訪問 外部儲存器時用低 8 位地址線和 8 位數(shù)據(jù)線，在編程和檢驗時用于數(shù)據(jù)的輸入和輸出。 :通道 1，雙向 I/O 口。在編程和檢驗時，用于接收低位地址字節(jié)。 :通道 2，雙向 I/O 口。第二功能在訪問外部存儲器時，高八位地址。在編程和檢驗時，用作高位地址和控制信號。 ：雙向 I/O口。每條線均有各位的第二功能，功能表如下： 表 21 P3 口的第二功能表 通道位 第二功能 說明 RTD 串行口輸出 TXD 串行口的輸入 0INT 外部中斷 0的中斷請求輸入 INTI 外部中斷 1的請求輸入 T0 計數(shù)器 0 的計數(shù)輸入 T1 計數(shù)器 1 的計數(shù)輸入 WR 外部數(shù)據(jù)存儲器的寫選通信號 RD 外部數(shù)據(jù)存儲器的讀選通信號 ALE/PROG :ALE 是地址鎖存器允許信號，在訪問外部存貯器時，用來鎖存 P0 口送出 的低8 位地址信號。在不訪問外部存貯器器械時， ALE 也以振蕩頻率的 1/6 的固定速度輸出，此時，它可用作時鐘信號。第二功能 PROG 是對 8751 的 EPROM 編程時的編程脈沖輸入端。 PSEN ：外部程序存貯器 ROM 的讀選信號。在執(zhí)行訪問外部 ROM 的時候， PSEN 信號會自動產(chǎn)生，訪問外部數(shù)據(jù) RAM或內(nèi)部數(shù)據(jù) ROM時，不會產(chǎn)生有效的低電平 PSEN 信號。 EA /VPP：訪問外部存貯器控制信號。 EA 無效（高電平）時，訪問內(nèi)部 ROM, EA 有效（低電平）時，訪問外部 ROM。第二功能 Vpp 為對 8751 的 EPROM 的 21V編程電源輸入。 RST/VPD： RST 是復(fù)位信號輸入端。當(dāng)由此輸入端保持兩個機(jī)器周期 (24 個振蕩周期 )的高僅供參考，支持原創(chuàng)，鄙視抄襲！ 畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 電平時，就可以完成復(fù)位操作。第二功能時 VPD，即備用電源輸入端。當(dāng)主電源 Vcc 發(fā)生故障，降低到低電平規(guī)定值時， VPD 將為 RAN 提供設(shè)備用 電源，以保證存貯在 RAM 中的信息不丟失。 XTAL1 和 XTAL2：在使用單片機(jī)內(nèi)部振蕩電路時，這兩個端子用來外接石英晶體和微調(diào)電容。在使用外部時鐘時，則用來輸入時鐘脈沖，但對 NMOS 和 COMS 芯片的接法不同。對 8051系列芯片，由于內(nèi)部多一個定時器還需要附加別的輸入端，為此，又借用 和 作為定時器 2的輸入 T1和 T2。 測試儀由 4大部分組成，分別是：設(shè)置部分，控制部分，執(zhí)行部分和打印部分。 （ 1）、設(shè)置部分主要采用 BCD 撥碼盤，可以方便直觀地完成力矩極限值的初始化 設(shè)置，用以實現(xiàn)測試過程中的過載保護(hù)。 （ 2）、控制部分主要通過單片機(jī)的鍵盤接口，實現(xiàn)人機(jī)交換，通過單片機(jī)的多個端口進(jìn)行接受發(fā)送信號，從而實現(xiàn)對力矩傳感器信號的調(diào)整、采樣、數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)顯示。 (3)、打印部分將測試結(jié)束后保存的測試數(shù)據(jù)由微型打印機(jī)輸出。 （ 4）、將測試結(jié)束后保存的測試數(shù)據(jù)由微型打印和輸出。 機(jī)械部分示意圖 23： 圖 23 機(jī)械部分示意圖 如圖所示，測試儀可以通過更換不同規(guī)格的夾具對各種工件進(jìn)行測量。汽缸用來將夾具與待測工件夾緊， 單片機(jī)控制系統(tǒng)通過步進(jìn)電動機(jī)將扭矩施加到工件上。測試的對象是通過別克變形車后橋加強(qiáng)螺帽，該加強(qiáng)零件的外形是平板上焊接著一一個螺帽，需要檢測僅供參考，支持原創(chuàng)，鄙視抄襲！ 畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 螺帽和平板之間焊接處所承受扭矩是否滿足標(biāo)準(zhǔn)，以保證汽車的安全行駛。 系統(tǒng)中單片機(jī)的選用及設(shè)計 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的概述 由于單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)多種多樣，技術(shù)要求各不相同，因此，設(shè)計方法和研制步驟也不完全相同單片