【文章內(nèi)容簡介】 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的扭矩、轉速和功率。此類儀器的扭矩測量是采用卡環(huán)式應變傳感器敏感被測軸的扭轉變形角，變形量與扭矩成正比。量程范圍為 0～210 6Nm，測量精度為?1％ .，轉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；美國麻省理工學院研制成抗干擾性強的光纖扭矩傳感器。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 ～10 Nm，中大量程為僅供參考，支持原創(chuàng)，鄙視抄襲！畢業(yè)設計（論文）510～1010 6Nm，已成系列產(chǎn)品，精度可達 ％～1％ .。20 世紀 80 年代初，小野測試社和赤版鐵工所聯(lián)合研制出船用主機扭矩測量儀 MS25B，可測扭矩(510 5 Nm，精度?% .)、轉速( r/min，精度? r/min)和功率(1500 ps)。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，獨具風格。生產(chǎn)電阻應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，絕大部分式電阻應變式和磁電式扭矩儀。電阻應變式扭矩測量儀是拾取粘貼在受扭軸上的電阻應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變儀。電阻應變式傳感器的生產(chǎn)單位較多，如北京機床研究所、中國船舶工業(yè)總公司 701 研究所，上海通用機械研究所，成功的應用于機床和各種動力軸的扭矩測量。在艦船、貨船主機扭矩測量上，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 單片機作為核心的智能儀器，可同時測量扭矩轉速、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研究所，供應市場的是 1000 Nm扭矩轉速傳感器和數(shù)字扭矩轉速測盆儀。隨后上海交通大學、中國船舶工業(yè)總公司上海704 研究所、天津機械工程研究所、上海第二電表廠、湘西儀表元件廠、哈爾濱東安機器廠、沈陽機電學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 20KNm 扭矩轉速傳感器和數(shù)字扭矩轉速測量儀，成功地應用在地質(zhì)礦產(chǎn)部鉆機上?，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)鉆機學術會議專家的好評。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 .。僅供參考，支持原創(chuàng)，鄙視抄襲！畢業(yè)設計（論文）6 扭矩傳感器的種類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。應變式傳感器這是最早應用的傳感器。隨著彈性體和應變片質(zhì)量的提高，出現(xiàn)了下些新型傳感器。如：卡環(huán)式應變傳感器、感應式應變傳感器。它們的信號傳輸方式為搖測式、感應式，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)通輸應變傳感器還有應用市場。目前，704 所正在研制 2022KNM 扭矩傳感器標定采用模擬方法。這種形式的傳感器以往應用較少。最近有幾個單位正在研制，有的單位正在準備研制扭矩傳感器。該型傳感器應用較早，但在國內(nèi)研制起步較遲，其結構簡單，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和家用電器的需要，小量程扭矩傳感器開始供應 本設計的主要任務1. 根據(jù)總體方案的結構形式，進行技術設計，包括硬件設計和軟件設計，選擇元件，對主要芯片進行反復查證，選擇最合理的。 。僅供參考，支持原創(chuàng)，鄙視抄襲！畢業(yè)設計（論文）7第 2 章 總體方案設計 系統(tǒng)工作原理本系統(tǒng)由一臺 8051 單片機，I/O 接口，步進電動機驅動器，步進電動機，光電耦合電路，脈沖環(huán)形分配，傳感器，A/D 轉換器組成。 傳感器的測試原理本系統(tǒng)采用電阻應變傳感器，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變片原理基于金屬的應變效應。由物理學可知：金屬的電阻 R 為: （2ALR/???1）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，尺寸變化導致電阻值變化：dR/R= dL/LdA/A+dρ/ρ 推導整理后得： ΔR/R=Kε式中：K金屬材料靈敏度系數(shù) K=1+2μ+dρ/（ερ） （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，應變與電阻變化率成線性關系。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換為金屬應變電阻改變，通過電橋電路轉變?yōu)殡娦盘枴纹瑱C通過 I/O 口發(fā)送脈沖信號給步進電動機驅動器，以控制步進電動機的方向和參數(shù)，用半導體應變左為傳感器，將作用在被測工件上的扭矩值轉換為應變片電阻的變化，通過電橋電路轉變?yōu)殡娦盘枺?A/D 卡把模擬信號轉化為單片機可以接受的數(shù)字信號，由單片機對數(shù)字信號進行處理，并把步進電動機產(chǎn)生擬定扭矩值顯示出來，通過鍵僅供參考，支持原創(chuàng)，鄙視抄襲！畢業(yè)設計（論文）8盤接口，打印機，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，當輸出的扭矩值接近最大值時，停止操作結束流程，LED 閃爍 888，等待手工取下夾具，當需要測量的 扭矩大于傳感器器的 測量范圍時強行測量會損壞傳感器，因此當需要測量值超過量程時，LED 閃爍 000，要求用戶重新輸入。單 片 機 程序存儲器 顯 示 打 印 控制按鈕 BCD 撥盤 A/D轉換 調(diào)理電路 扭矩 傳感器 步進電機 驅動電機 圖 21 測試工作原理圖僅供參考，支持原創(chuàng)，鄙視抄襲！畢業(yè)設計（論文）9 單片機的引腳描述及片外結構圖圖 22 8051 芯片引腳分配圖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：僅供參考，支持原創(chuàng)，鄙視抄襲！畢業(yè)設計（論文）10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 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 D外部數(shù)據(jù)存儲器的讀選通信號ALE/ :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PROG8 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 是對 8751 的 EPROM 編程時的編程脈沖輸入端。PROG：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， 信號會自PSEN PSEN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 信號。/VPP：訪問外部存貯器控制信號。 無效（高電平）時，訪問內(nèi)部 ROM, 有效AEAA（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 是復位信號輸入端。當由此輸入端保持兩個機器周期(24 個振蕩周期)的高電平時，就可以完成復位操作。第二功能時 VPD，即備用電源輸入端。當主電源 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。僅供參考，支持原創(chuàng)，鄙視抄襲！畢業(yè)設計（論文）11 測試系統(tǒng)的組成以及機械結構測試儀由 4 大部分組成，分別是：設置部分，控制部分，執(zhí)行部分和打印部分。（1） 、設置部分主要采用 BCD 撥碼盤，可以方便直觀地完成力矩極限值的初始化設置，用以實現(xiàn)測試過程中的過載保護。（2） 、控制部分主要通過單片機的鍵盤接口，實現(xiàn)人機交換，通過單片機的多個端口進行接受發(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)、打印部分將測試結束后保存的測試數(shù)據(jù)由微型打印機輸出。（4） 、將測試結束后保存的測試數(shù)據(jù)由微型打印和輸出。機械部分示意圖 23：圖 23 機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行測量。汽缸用來將夾具與待測工件夾緊，單片機控制系統(tǒng)通過步進電動機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螺帽，該加強零件的外形是平板上焊接著一一個螺帽，需要檢測螺帽和平板之間焊接處所承受扭矩是否滿足標準，以保證汽車的安全行駛。 系統(tǒng)中單片機的選用及設計 單片機應用系統(tǒng)的概述由于單片機應用系統(tǒng)多種多樣，技術要求各不相同，因此，設計方法和研制步驟也不完全相同單片機應用系統(tǒng)的研制過程包括總體設計，硬件設計，軟件設計，在先調(diào)試產(chǎn)品化等幾個階段。它們不是絕對分開的，而是交叉進行的。僅供參考，支持原創(chuàng)，鄙視抄襲！畢業(yè)設計（論文）12（1） 、總體設計 首先如同任何產(chǎn)品的設計一樣，單片機應用系統(tǒng)的研制時從確定目標任務開始的。在著手進行系統(tǒng)設計之前，必須根據(jù)系統(tǒng)的應用場合，工作環(huán)境具體用途提出合理的詳盡的功能技術指標。不管是老產(chǎn)品的改造還 是新產(chǎn)品的設計應對產(chǎn)品可靠性、通用性、可維護性、先進性以及成本等進行綜合考慮，應該注意技術指標在研制的過程中還需要作適當?shù)恼{(diào)整。隨著電力系統(tǒng)的快速發(fā)展，電網(wǎng)的容量的擴大使其結構更加復雜，實時監(jiān)控、調(diào)度的自動化顯的尤為重要。而在電力調(diào)讀自動化系統(tǒng)中，電力參數(shù)的測量是最基本的功能。如何快速、準確、精確的采集各種電力參數(shù)顯的尤為重要。在實現(xiàn)自動化化的過程中，最關鍵的環(huán)節(jié)是數(shù)據(jù)采集。根據(jù)采集信號的不同，可分為直流采樣和交流采樣兩種。直流采樣，顧名思義，采樣對象是直流信號。它是把交流電壓、電流信號經(jīng)過各種變送器轉化為 05V 的直流電壓，再由各種裝置和儀表采樣。此種方法軟件設計簡單，對采樣值只需做一次比例變換即可的到被測量的數(shù)值。但直流采樣仍有很大的局限性：無法實現(xiàn)實時信號采樣：變送器的精度和穩(wěn)定性對測量精度有很大影響：設備復雜，維護難等。交流采樣是將二次測得的電壓、電流經(jīng)高精度的 CT、PT變成計算機可測量的交流小信號，然后再送人計算機進行處理。由于這種方法能夠對被測量的值進行采樣，因而實時性好，相位失真小。它用軟件代替硬件的功能又使硬件的投入大大減小。隨著微機技術的不斷發(fā)展，交流采樣必將以其優(yōu)異的性能價格比，逐步取代傳統(tǒng)的直流采樣方法。本系統(tǒng)采用 8051 單片機實現(xiàn)電力參數(shù)的交流采樣。通過 LED 顯示器顯示頻率、電壓、電流的 實時值，在過壓 30%、欠壓 30%時進行聲光報警，并能定時打印電壓、電流及頻率值。實踐證明，采樣交流采樣方法進行數(shù)據(jù)采集，通過算法運算后獲得的電壓、電流有功功率、功率因數(shù)等電力參數(shù)有較好的精確度和穩(wěn)定性。① 交流采樣原理若將電壓有效值公式離散化，以一個周期內(nèi)有限個采樣電壓數(shù)字量來代替一個周期