畢業(yè)設(shè)計（論文）-基于應(yīng)變式傳感器地扭矩檢測系統(tǒng)設(shè)計

IIIThedesignoftorquemeasurementsystembasedonstrainAbstractRecently，withthedevelopmentoftesttechnologyandtheprogressofscienceandtechnology，torquesensorisputforwardhigherrequirement．Thetorquemomentsizemustbecontrolledandknowninengineeringandpracticality.Thispapercontraposingtheshortcomingsofothertorquesensorsakindofstraingaugehigh-precisiontorqueinstrumentisdesignedanddeveloped,whichhassimplestructureandhighstability.Thepresentdevelopmentsituationoftorquesensorisinvestigatedinthispaper,andconfirmstheresearchcontentandprocedure．Duringthecourseofdesigningmainbodyoftorquesensor,measurementpimpleofstraintorquesensorisintroducedfirstly.Thispaperintroducesthedesignofaprecisetorsiontestinginstrumentbasedonasinglechip,givingthemechanismstructure,thecircuitdiagramandthesamplemachine.Usingofhigh-precisiontorquesensors,dataacquisitionandanalysistechniquestodesignsmallrangeofstatictorquecanachievetheexpectedrequirementsandalsocangetthehigherprecisionandeasieroperationrelivingtothehangingweightdetector.Keywords:torquesensor，torquemeasurement，bridgemethod 目錄摘要 IAbstract II1緒論 11.1引言 11.2課題的研究背景與來源 11.2.1課題研究背景 11.2.2課題研究來源 21.3扭矩測量發(fā)展現(xiàn)狀及扭矩檢測的幾種方法 21.3.1扭矩測量的發(fā)展現(xiàn)狀 21.3.2扭矩測量的幾種方法 31.3.3扭矩測量的發(fā)展前景 51.4課題研究的內(nèi)容和方法 51.4.1課題研究內(nèi)容 51.4.2課題研究方法 62檢測裝置的基本原理和總體方案 72.1引言 72.2檢測裝置整體系統(tǒng)框圖 72.3電阻應(yīng)變片及扭矩測量的基本原理： 72.3.1電阻應(yīng)變片的基本原理 72．3.2扭矩測量的基本原理 92.4各部分功能介紹 102.5方案論證 113扭矩傳感器的設(shè)計 123.1引言 123.2應(yīng)變片的選用 123.3彈性敏感元件設(shè)計 133.4扭矩傳感器的硬件結(jié)構(gòu) 133.4.1彈性軸材料的選擇和確定 133.4.2聯(lián)軸器的選用 143.4.3導電滑環(huán)及滑臂電刷的選用 164扭矩檢測系統(tǒng)各部分電路的設(shè)計 184.1引言 184.2電橋電路 184.2.1電橋電路的選用 184.3放大電路的設(shè)計及硬件選用。 204.3.1放大電路的設(shè)計 204.3.2放大電路的誤差分析 234.4低通濾波電路的設(shè)計 234.5A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計 244.6單片機電路及硬件選取 274.7LCD顯示電路及硬件選取 284.8硬件的抗干擾措施 315軟件部分簡介 335.1引言 335.2主程序包含的各部分模塊的定義及功能 345.3數(shù)據(jù)處理子程序 345.4LCD顯示部分流程 35結(jié)束語 37致謝 38參考文獻 39附錄一···································································41PAGE2PAGE11緒論1.1引言隨著電子化，以及機械化水平的提高，傳感器技術(shù)已經(jīng)成為了工業(yè)自動控制控制領(lǐng)域中重要的一部分。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(shè)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。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。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)動機的轉(zhuǎn)速和負荷。目前轉(zhuǎn)速測量無論在實驗室中還是汽車上，都已達到了實用的程度，而負荷測量方法雖然在實驗室中得到了廣泛應(yīng)用，但由于檢測儀器本身的體積、成本、可靠性或準確度等問題的存在，加之其它一些條件的限制，使其還沒有完全適用于車載實測。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。扭矩傳感器屬于負荷的直接檢測方法，最有希望成為汽車未來實用的、高準確度的負荷傳感器。因此，研制出一種高準確度動態(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)實意義。1.2課題的研究背景與來源1.2.1課題研究背景扭矩是旋轉(zhuǎn)動力機械的重要工作參數(shù)，而扭矩測量已經(jīng)成為機械量測量中一個重要組成部分。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。同時，裝置測試系統(tǒng)可作旋轉(zhuǎn)動力機械日常運行的監(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。扭矩測量是各種機械產(chǎn)品的開發(fā)研究、測試分析、質(zhì)量檢驗、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。隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的迅猛發(fā)展，扭矩測量技術(shù)已充分引起人們的重視，成為測試技術(shù)的一個新分支。扭矩已成為眾多機械量測量中的一個主要參數(shù)。近年來，世界各工業(yè)發(fā)達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。改革開放以來，我們走技術(shù)引進、自主創(chuàng)新之路，極大的推動了扭矩測量技術(shù)的發(fā)展。在高新技術(shù)中，扭矩測量技術(shù)是綜合應(yīng)用機械、電子、物理、計算機等多方面知識的一門學科。扭矩測量應(yīng)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(lǐng)域。由于微電子技術(shù)、計算機技術(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，新的測試理論、測試方法、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。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)有的計算機，加上特殊設(shè)計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，對科學技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)的進步產(chǎn)生不可估量的影響。1.2.2課題研究來源本課題旨在采用高精度的應(yīng)變式傳感器、數(shù)據(jù)采集分析技術(shù)設(shè)計小量程的靜態(tài)及動態(tài)扭矩檢測裝置，具有一定的先進性，及準確性。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。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。本課題主要設(shè)計一種方便易用的靜態(tài)扭矩的檢測裝置。1.3扭矩測量發(fā)展現(xiàn)狀及扭矩檢測的幾種方法1.3.1扭矩測量的發(fā)展現(xiàn)狀在生產(chǎn)和科研中，對機械設(shè)備扭矩的測量已經(jīng)越來越重要，通過對扭矩的測量可以對機械設(shè)備的進一步改進設(shè)計取得重要的現(xiàn)場參數(shù)，為改進設(shè)計取得全面的一手資料。其對生產(chǎn)及科研具有相當?shù)闹匾饬x。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。由于各種扭矩測量儀的測試方式不同，使得其應(yīng)用范圍不同。扭矩測量技術(shù)的發(fā)展取決于傳感器、信號傳輸和測量儀的研究。目前，由于微機的應(yīng)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。因此必須加強傳感器的研究，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。目前傳感器主要發(fā)展動如下。傳感器從介入式發(fā)展成不介入式。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(yīng)用范圍，一般用于實驗室、臺架測量?，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，這樣給實際工況測量扭矩帶來很大的方便。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。對新型扭矩傳感器的研究的同時并對經(jīng)典扭矩傳感器加以改進。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(shù)的發(fā)展和應(yīng)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。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。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。扭矩測量儀的智能化、微機化是當今測量儀變革的主流，單片微機和軟件的開發(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、自動補償、自動校正、人機對話、自尋故障，并能方便的與總線接口，進行多臺聯(lián)機通信及控制[8]。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，重復性要好，價格要低廉，與機器匹配，安裝方便，但精度要求不高，用其作為指導生產(chǎn)、保護機械不受損傷的有效手段。虛擬儀器利用個人計算機強大的圖形環(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。目前，虛擬儀器在設(shè)計、生產(chǎn)、使用已經(jīng)十分普及，很多企業(yè)使用虛擬儀器系統(tǒng)對生產(chǎn)設(shè)備的運行狀況進行實時監(jiān)測，虛擬儀器將會逐步取代傳統(tǒng)的測試儀器而成為測試儀器的主流。1.3.2扭矩測量的幾種方法(1)磁致伸縮式(壓磁式)扭矩傳感器。這種傳感器的扭力軸由鐵磁材料做成的。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。當扭力軸受轉(zhuǎn)矩作用時，扭軸沿正應(yīng)力方向磁阻減小，沿負應(yīng)力方向磁阻增大，其表面上出現(xiàn)各向異性磁阻特性，使交變磁場的磁力線重新分布，從而使測量線圈上的感應(yīng)電勢發(fā)生相應(yīng)的變化。在一定范圍內(nèi)，感應(yīng)電勢與軸上所受扭矩成線性關(guān)系。這樣，通過檢測感應(yīng)電勢，便可測量扭矩。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，結(jié)構(gòu)簡單。但其致命弱點是沿扭力軸圓周分布的磁導率存在固有偏差，從而無法達到較高的準確度。(2)光電式扭矩傳感器。美國NASA劉易斯研究所中心曾對此項技術(shù)進行過研究。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。當有轉(zhuǎn)矩作用在扭力軸上時，安裝光柵處的兩截面產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)角，使得兩片光柵的明暗條紋發(fā)生部分重合，便有部分光線透過兩光柵照射到光敏元件上，從而輸出電信號。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。因此通過檢測輸出的電信號，即可測量出外加的扭矩。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，靜標困難，結(jié)構(gòu)復雜，目前很少使用。(3)磁電式扭矩傳感器。該扭矩傳感器是根據(jù)磁感應(yīng)原理設(shè)計的。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，通過檢測這個相位差，即可測量出扭力軸所傳遞的轉(zhuǎn)矩。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。目前在國內(nèi)外實驗室中，這種轉(zhuǎn)矩傳感器應(yīng)用的比較廣泛。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。(4)應(yīng)變式扭矩傳感器。沿扭力軸的軸向±45°方向分別粘貼4個應(yīng)變片，組成全橋電路的四個橋臂，用以感受同向的最大正應(yīng)變。當扭力軸受扭時，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?shù)姆绞綄⒃撾妷旱男盘栆?，通過處理后便可計算出外加扭矩。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，測量準確度高；但抗干擾能力較差,溫度、濕度以及粘接劑等對準確度都有影響。應(yīng)變式扭矩傳感器的信號傳輸技術(shù)是這類傳感器的關(guān)鍵技術(shù)，業(yè)內(nèi)已有3種成熟的傳輸方法，解決高速旋轉(zhuǎn)工況下，激勵電源輸入到應(yīng)變橋路及信號輸出到顯示儀表所存在的傳輸問題。(a)集流環(huán)傳輸利用這種傳輸技術(shù)的應(yīng)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(yīng)用；測量時需用測量軸更換汽車半軸。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，進而產(chǎn)生噪聲干擾和零漂，壽命短，費用高，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)也較復雜。(b)電感（變壓器)耦合傳輸在電源輸入上，利用電感耦合機理，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)。由于是非接觸式傳輸，就沒有導電電環(huán)等磨損件因而也就不存在由電環(huán)磨損引起的噪聲干擾和零漂等問題。利用這種傳輸技術(shù)的應(yīng)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。。由于其結(jié)構(gòu)簡單，維修也比較方便。(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)射機可以做得極小(可達克級)，耗電極少。因此，采用無線傳輸方法檢測轉(zhuǎn)動機械和往復運動機械上的參數(shù)，具有突出優(yōu)點，其檢測準確度超過了集流環(huán)式。1.3.3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(luò)化扭矩測量的方向發(fā)展；(6)扭矩傳感器新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)為扭矩測量方法的適時更新提供了新途徑。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。1.4課題研究的內(nèi)容和方法1.4.1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，適合轉(zhuǎn)速低且要求轉(zhuǎn)速測量精度高和進行角度測量的場合使用。（1）研究扭矩測量的原理，針對現(xiàn)有測量方法的優(yōu)缺點，提出最佳的測量。（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)。（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。（4）設(shè)計傳感器電路，選取應(yīng)變片和電子元件。（5）對實驗數(shù)據(jù)進行處理并進行誤差分析，通過研究提出誤差的主要來源和減小誤差的方法。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:0～200N·m，轉(zhuǎn)速適用范圍：0～200rpm。(2)扭矩儀誤差指標：線性度0.15%，遲滯誤差0.3%，重復性誤差0.15%，測量誤差0.5%1.4.2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。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。將該應(yīng)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。 2檢測裝置的基本原理和總體方案2.1引言將專用的測扭應(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。將該應(yīng)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。2.2檢測裝置整體系統(tǒng)框圖檢測裝置整體系統(tǒng)框圖如圖2-1所示A/D轉(zhuǎn)換電路低通濾波電路液晶顯示51單片機A/D轉(zhuǎn)換電路低通濾波電路液晶顯示51單片機測量放大電路采集電路圖2-1檢測裝置整體系統(tǒng)框圖2.3電阻應(yīng)變片及扭矩測量的基本原理：2.3.1電阻應(yīng)變片的基本原理電阻應(yīng)變式傳感器的原理及特點電阻應(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到測量非電量的目的。這類傳感器的種類很多，在幾何量和機械量測量領(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：（1）結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，性能穩(wěn)定、可靠；（2）易于實現(xiàn)測試過程中的自動化和多點同步測量、遠距離測量和遙測；（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。電阻應(yīng)變效應(yīng)電阻應(yīng)變片的工作原理是基于金屬導體的電阻-應(yīng)變效應(yīng)，即當金屬導體在外力作用下發(fā)生形變時，其電阻值將相應(yīng)地發(fā)生變化。金屬導體的電阻-應(yīng)變效應(yīng)用應(yīng)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：K=?RR?ll=?R式中，ε=?l/l為軸向應(yīng)變。由物理學可知，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。其公式表示為:R=ρL/A（2-2）從而當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。電阻應(yīng)變計簡稱應(yīng)變計，它主要由電阻敏感柵、基底和面膠(或覆蓋層)、粘結(jié)劑、引出線五部分組成。基底是將傳感器彈性體表面的應(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。電阻敏感柵可以將應(yīng)變量轉(zhuǎn)換成電阻變化。應(yīng)變計的結(jié)構(gòu)如下：圖2-2電阻應(yīng)變計結(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)變計的敏感。由于基底和粘貼劑的彈性模量與敏感柵材料的彈性模量之間有差別等原因．彈性元件表面的應(yīng)變不可能全部均勻地傳遞到敏感柵。2．3.2扭矩測量的基本原理如圖2-3所示，當彈性軸受到扭轉(zhuǎn)時，傳遞的扭矩是剪應(yīng)力對橫截面扭心的合成力矩。圖2-3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。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)。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?？蓪?yīng)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(yīng)的最大拉應(yīng)力和壓應(yīng)力的作用，將應(yīng)變片組成全橋電路。如圖2-4所示，初始條件應(yīng)變片電阻R1=R2=R3=R4=R0，當彈性軸受力矩M作用時，工作應(yīng)變片R1、R2、R3、R4分別產(chǎn)生最大正負應(yīng)變。圖2-4電阻應(yīng)變片全橋電路當彈性軸受到如圖所示的剪切力作用時，R1、R3應(yīng)變片受拉應(yīng)力；R2、R4受壓應(yīng)力。其應(yīng)變?yōu)椋害?5（ε=16（1+μ式中：，D-軸外徑（mm）；d-軸內(nèi)徑（mm）；M-扭矩（）；-軸材料泊松比；E-軸材料彈性模量。當電橋的供電電壓是Ui時，其輸出電壓Uo為：Uo=UiKε式中，K-應(yīng)變片的靈敏系數(shù)。根據(jù)式（2-3），（2-4），（2-5），可以得出：M=ED3Uo51+M=πE(D4-d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)；UoU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。2.4各部分功能介紹測量電橋測量電橋測量放大電路低通濾波電路A/D轉(zhuǎn)換51單片機液晶顯示變壓器交流電源圖2-5系統(tǒng)總體框圖（1）測量電橋?qū)崿F(xiàn)扭矩信號到與之呈線性關(guān)系的電信號的轉(zhuǎn)換，電橋電路采用LM型硅擴散力敏全橋應(yīng)變片搭成，具有良好的一致性和對稱性，很小的非線性和較高的靈敏度。(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)。（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。（4）A/D轉(zhuǎn)換：將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。（5）單片機：單片機系統(tǒng)扭矩傳感器與單片機系統(tǒng)組合在一起就構(gòu)成了扭矩測量儀，這部分電路主要完成的功能是：將扭矩傳感器的輸出信號進行整形后用計數(shù)器對高頻脈沖計數(shù)，計算出相應(yīng)的被測扭矩值，將數(shù)據(jù)直接傳送給驅(qū)動顯示器顯示。（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)。（7）電源電路為應(yīng)變電橋、運算放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、單片機提供穩(wěn)定的直流電源電壓。這里采用變壓器傳輸方式完成電源的傳輸。2.5方案論證本設(shè)計的扭矩傳感器采用應(yīng)變型扭矩測量原理來實現(xiàn)扭矩信號的測量，從而克服了磁彈性型傳感器和相位差型傳感器可靠性低、結(jié)構(gòu)復雜、安裝調(diào)試困難、準確度低等諸多缺點。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)計采用滑環(huán)以及滑臂之間的電刷達到電源的輸入及輸出。從而實現(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確度和可靠性大大的提高。綜上所述，本文所設(shè)計的方案是完全可行的。3扭矩傳感器的設(shè)計3.1引言應(yīng)變式扭矩傳感器可以分為旋轉(zhuǎn)部分和靜止部分，該傳感器的設(shè)計的重點以及難點在于如何在旋轉(zhuǎn)部分處于運動狀態(tài)下能夠準確的將電橋發(fā)生形變后產(chǎn)生的電壓信號準確、實時地傳輸出來。3.2應(yīng)變片的選用電阻應(yīng)變片的種類很多，有絲式應(yīng)變片、箔式應(yīng)變片、半導體應(yīng)變片和薄膜應(yīng)變片等。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、機械滯后等。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。電阻應(yīng)變式扭矩傳感器的工作原理是：直接將電阻應(yīng)變片被測軸上，當被測軸受到純扭力時，其最大剪應(yīng)力f不便于直接測量，但軸表面主應(yīng)力與母線成45o角，而且在數(shù)值上等于最大剪應(yīng)力，因而應(yīng)變片沿與母線成45度角方向粘貼。本課題采用力敏全橋應(yīng)變片。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)。，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)速測量精度高和進行角度測量的場合使用，滿足課題設(shè)計要求，該傳感器的特點和技術(shù)參數(shù)如表3-1。表3-1傳感器的特點和技術(shù)參數(shù)產(chǎn)品特點技術(shù)參數(shù)可測量穩(wěn)態(tài)旋轉(zhuǎn)扭矩及動態(tài)過渡過程的旋轉(zhuǎn)扭矩轉(zhuǎn)矩準確度：≤0.2%FS可測量正、反向扭矩且不需調(diào)整零點過載能力：150%FS信號檢測采用數(shù)字化處理技術(shù)，精度高、穩(wěn)定性好、抗干擾強重復性：≤0.1%FS輸入電源極性、幅值保護，輸出轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速信號保護線性：≤0.1%FS扭矩信號的提取方式為應(yīng)變電測技術(shù)應(yīng)變計動態(tài)應(yīng)變波的響應(yīng)時間：3.2×10-6S扭矩測量精度與旋轉(zhuǎn)速度、方向無關(guān)正向轉(zhuǎn)矩滿量程頻率輸出：15KHz體積小、重量輕、安裝方便反向轉(zhuǎn)矩滿量程頻率輸出：5KHz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(shè)計要求中扭矩檢測范圍為-2Nm～+2Nm，能滿足要求。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，此特點適合傳感器在環(huán)境比較惡劣的情況下進行數(shù)據(jù)的測量。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(shè)計。3.3彈性敏感元件設(shè)計電阻應(yīng)變式的彈性元件在傳感器中占據(jù)極其重要的的地位，它首先把力、扭矩信號等非物理量變換成相應(yīng)的應(yīng)變或位移，然后配合各種形式的傳感元件，將被測量變換成電量。彈性元件結(jié)構(gòu)設(shè)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(yīng)變值和良好的線性；抗干擾能力強；工藝性能好等。3.4扭矩傳感器的硬件結(jié)構(gòu)圖3-1接觸式旋轉(zhuǎn)扭矩傳感器硬件結(jié)構(gòu)如圖3-1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)，刷臂，以及電源組成。3.4.1彈性軸材料的選擇和確定應(yīng)變式扭矩傳感器主要是用于動力設(shè)備傳動扭矩的在線測量。在工程中，用于動力設(shè)備上的應(yīng)變式扭矩傳感器軸材料通常選擇：45＃鋼、40Cr鋼或是38CrMoAlA合金鋼，特殊情況下也可采用電工鋼。（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(shè)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(yīng)力，只有垂直于半徑的剪應(yīng)力。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。因此圓軸扭轉(zhuǎn)時的強度條件為F′=MWp=M0.2D3<式中,F′—扭軸橫截面上的最大剪應(yīng)力(N/mm)Wp—轉(zhuǎn)軸橫截面的抗扭極矩(mmM─軸所受最大扭矩(Nm)；D—實心扭軸直徑(mm)。經(jīng)查相關(guān)資料可以計算出D≥31.2M0.2×0.8δ式中，δ—材料的極限應(yīng)力，可通過查表得出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(yīng)力為294N/，帶入式（3-1），得：D=17.2mm（2）當被測材料為40Cr鋼時，可查得785N/，帶入式（3-1），得：D=12.4mm（3）當被測材料為38CrMoAlA合金鋼時，可查得38CrMoAlA合金鋼的極限應(yīng)力為539N/，帶入式（3-1），得，D=14.1mm（4），當被測材料為電工鋼時，可查得電工鋼的極限應(yīng)力為785N/，帶入式（3-1），得，D=12.4mm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。由此可以確定軸的直徑為20mm。3.4.2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。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。聯(lián)軸器由兩半部分組成，分別與主動軸和從動軸聯(lián)接。一般動力機大都借助于聯(lián)軸器與工作機相聯(lián)接。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。主要用于兩軸要求嚴格對中并在工作中不發(fā)生相對位移的地方，結(jié)構(gòu)一般較簡單，容易制造，且兩軸瞬時轉(zhuǎn)速相同，主要有凸緣聯(lián)軸器、套筒聯(lián)軸器、夾殼聯(lián)軸器等。②可移式聯(lián)軸器。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。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)軸器有些已經(jīng)標準化。選擇時先應(yīng)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(guān)手冊中查出適用的型號，最后對某些關(guān)鍵零件作必要的驗算。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）矯正機用十字軸式萬向聯(lián)軸器（JB/T7846.2-95）彈簧管聯(lián)軸器WS、WSD型十字軸式萬向聯(lián)軸器（JB/T5901-91）WSH型滑動軸承十字軸式萬向聯(lián)軸器ML型薄膜聯(lián)軸器（SJ2127-82）SWZ型整體軸承座十字軸式萬向聯(lián)軸器93聯(lián)軸器屬于機械通用零部件范疇，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。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。聯(lián)軸器由兩半部分組成，分別與主動軸和從動軸聯(lián)接。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。20世紀后期國內(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器要求的聯(lián)軸器，對多數(shù)設(shè)計人員來講，始終是一個困擾的問題。常用聯(lián)軸器有膜片聯(lián)軸器，齒式聯(lián)軸器，梅花聯(lián)軸器，滑塊聯(lián)軸器，鼓形齒式聯(lián)軸器，萬向聯(lián)軸器，安全聯(lián)軸器，彈性聯(lián)軸器及蛇形彈簧聯(lián)軸器了解聯(lián)軸器（尤其是撓性聯(lián)軸器）在傳動系統(tǒng)中的綜合功能，從傳動系統(tǒng)總體設(shè)計考慮，選擇聯(lián)軸器品種、型式。根據(jù)原動機類別和工作載荷類別、工作轉(zhuǎn)速、傳動精度、兩軸偏移狀況、溫度、濕度、工作環(huán)境等綜合因素選擇聯(lián)軸器的品種。根據(jù)配套主機的需要選擇聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)型式，當聯(lián)軸器與制動器配套使用時，宜選擇帶制動輪或制動盤型式的聯(lián)軸器；需要過載保護時，宜選擇安全聯(lián)軸器；與法蘭聯(lián)接時，宜選擇法蘭式；長距離傳動，聯(lián)接的軸向尺寸較大時，宜選擇接中間軸型或接中間套型。本設(shè)計中，聯(lián)軸器周繇用于精確的將所測旋轉(zhuǎn)軸的扭矩傳遞到扭矩傳感器的待測彈性軸上。故選用凸緣式聯(lián)軸器，其特點構(gòu)造簡單，成本低，可傳遞較大轉(zhuǎn)矩。不允許兩軸有位移，無緩沖。如圖3-2，為凸緣式聯(lián)軸器。圖3-2凸緣式聯(lián)軸器3.4.3導電滑環(huán)及滑臂電刷的選用傳動軸由于受扭產(chǎn)生機械應(yīng)變,引起貼在軸上的應(yīng)變計變形使其電阻值發(fā)生改變,從而導致應(yīng)變電橋失衡,輸出與扭矩成正比的微弱電壓信號,然后即可根據(jù)材料力學中應(yīng)變和扭矩的關(guān)系得到相應(yīng)扭矩大小,這里信號的傳輸采用接觸式的導電滑環(huán)和刷臂,圖（3-2）為接觸式旋轉(zhuǎn)扭矩傳感器測量的原理圖。旋轉(zhuǎn)軸上的應(yīng)變橋把電壓信號傳遞給和旋轉(zhuǎn)軸一起旋轉(zhuǎn)的導電滑環(huán),導電滑環(huán)再把信號傳遞給和其接觸的固定在傳感器外殼上的導電刷臂,從而完成信號由旋轉(zhuǎn)到靜止的可靠傳遞。導電滑環(huán)屬于電接觸滑動連接應(yīng)用范疇，它又稱集電環(huán)、或稱旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、旋轉(zhuǎn)電氣接口、滑環(huán)、集流環(huán)、回流環(huán)、線圈、換向器、轉(zhuǎn)接器，是實現(xiàn)兩個相對轉(zhuǎn)動機構(gòu)的圖像、數(shù)據(jù)信號及動力傳遞的精密輸電裝置。特別適合應(yīng)用于無限制的連續(xù)旋轉(zhuǎn)，同時又需要從固定位置到旋轉(zhuǎn)位置傳送功率或數(shù)據(jù)的場所。其由彈性材料-電刷、滑動觸點表面材料-導電環(huán)、絕緣材料、粘結(jié)材料、組合支架、精密軸承、防塵罩及其他輔助件等組成。電刷采用貴金屬合金材料，呈“II”型與導電環(huán)環(huán)槽對稱雙接觸，借助電刷的彈性壓力與導電環(huán)環(huán)槽滑動接觸來傳遞信號及電流。一般情況下,刷臂分為兩種,一種為刷絲式,一種為刷片式。刷絲式的刷臂和滑環(huán)的接觸面小,摩擦小,但信號傳遞可靠性相對較低,不適合高速旋轉(zhuǎn)下測量,一般轉(zhuǎn)速在500r/min情況下,可采用這種測量方式;刷片式的刷臂和滑環(huán)的接觸面大,摩擦大,信號傳遞可靠性相對較高,一般轉(zhuǎn)速在500～3000r/min的情況下,可采用這種測量方式。接觸式旋轉(zhuǎn)扭矩傳感器的特點是:適合測量靜止扭矩,也可以測量低速轉(zhuǎn)動扭矩;體積小,重量輕,易于安裝;無需復雜電路;存在導電滑環(huán)的磨損,壽命有限,不適合高轉(zhuǎn)速場合。目前國際上采用的滑環(huán)技術(shù)分為以下三種：(1)復合電刷塊技術(shù)，一般采用碳刷，銅刷，銀/石墨/二硫化鉬的刷塊等形式。(2)采用貴金屬合金單絲，如AuNi9等。(3)纖刷技術(shù)，纖刷是指一種特殊的滑行電氣接觸設(shè)計。纖刷簡單的說就是將單獨的金屬纖絲（線）進行校準并裝進一個金屬管里。在這個懸臂設(shè)計中，纖刷束的散狀的，無束縛的一端依附在環(huán)道表面的槽里。綜合成本，以及技術(shù)方面方面的考慮，本設(shè)計采用第一種復合電刷。4扭矩檢測系統(tǒng)各部分電路的設(shè)計4.1引言基于應(yīng)變式傳感器的扭矩檢測系統(tǒng)的硬件電路按功能可分為：電橋電路，測量放大電路，低通濾波電路，A/D轉(zhuǎn)換電路，單片機電路，以及電源電路。本章分別介紹這幾種電路。4.2電橋電路4.2.1電橋電路的選用應(yīng)變片將被測件的應(yīng)變轉(zhuǎn)換成電阻相對變化，還需進一步轉(zhuǎn)換成電壓或電流信號才能用電測儀表進行測量。通常采用電橋電路實現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換。根據(jù)電源的不同，電橋分為直流電橋和交流電橋。本設(shè)計采用直流電橋，直流電橋具有高穩(wěn)定性，電橋平衡電路簡單等優(yōu)點。圖4-1直流電橋如圖3-1所示，U為電源電壓，R1、R2、R3、R4為橋臂，V0為輸出電壓，電橋開路。設(shè)為電橋的輸出負載，根據(jù)基爾霍夫定律，電橋輸出負載電流為Io=Ui（R若R1R3=R2R4則Io=0，電橋的輸出電壓為Uo=IoRL=Ui（若電橋的負載電阻無限增大，則上式可以簡化為Uo=Ui（R1R3-Uo=UiR1+ΔR當R1=R2=R3=R4=R時，略去式中的高階微量，Uo=Ui4（ΔR1R-ΔR2R又ΔRR=Κε，則式（Uo=Ui4K（ε1-ε2當?RUo=UiΚε當彈性軸受到剪切力作用時，R1、R3應(yīng)變片受拉應(yīng)力；R2、R4受壓應(yīng)力。其應(yīng)變?yōu)椋害?5（1+μ）ED3Mε=16（1+μ）DπE（D式中,D-軸外徑（mm）；d-軸內(nèi)徑（mm）；M-扭矩（N?m）；μ-軸材料泊松比；E-軸材料彈性模量。當電橋的供電電壓是Ui時，其輸出電壓Uo為：Uo=UiKε式中，K-應(yīng)變片的靈敏系數(shù)。根據(jù)式（2-3），（2-4），（2-5），可以得出：M=ED3Uo51+μKUM=πE(D4-d4)U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）；π-圓周率；K-應(yīng)變片的靈敏系數(shù)；UoU4.2.2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，零點會有變化，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。前者稱為溫度引起的零點漂移，而后者稱為靈敏度漂移。引起零點漂移的原因主要有應(yīng)變片粘貼的好壞，應(yīng)變片材料的不均勻，所選應(yīng)變片的電阻溫度特性不一致等。由上述原因造成的零點漂移，在測量橋配好以后，往往具有固定的方向性，可采用簡單的方法，在相應(yīng)的橋臂中串入一個由較大溫度系數(shù)材料制成的電阻來進行補償。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。而以彈性模數(shù)隨溫度變化為主，且大多是隨溫度提高而靈敏度也相應(yīng)提高。對靈敏度漂移補償最簡單的方法是隨溫度的變化自動調(diào)整供橋電壓，當供橋電壓降低時，電橋的不平衡輸出減小，即降低了電橋的靈敏度。正確的補償為在橋路進行實際靈敏度漂移的測量，然后根據(jù)漂移的正或負方向、大小來確定補償方法及補償量。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。一般當靈敏度隨溫度升高而提高時，可在電源回路中串入一個正溫度系數(shù)的電阻加以補償4.3放大電路的設(shè)計及硬件選用4.3.1放大電路的設(shè)計由于應(yīng)變電橋輸出的電壓為mV級，不能滿足后續(xù)電路要求，所以必須經(jīng)過放大電路進行信號放大。根據(jù)儀器工作環(huán)境、精度要求確定放大電路必須滿足下列條件：首先放大電路有要有較高的共模抑制比，具有高穩(wěn)定性，低零漂、高精度，并且放大倍數(shù)100左右并且可調(diào)。經(jīng)過實驗比較，由上節(jié)敘述可知溫度傳感器輸出電壓范圍為2.428V～0.133V，而在本系統(tǒng)中A/D的輸入電壓范圍為0V～5V時才能使精度達到最高，因此需把2.428V～0.133V電壓放大到0V～5V的范圍，此即為設(shè)計該測量放大器的目的。本設(shè)計采用一種雙運放放大電路。雙運放差動輸入放大電路的使用效果，結(jié)構(gòu)、性能等都優(yōu)越于單運放前置放大電路。并且通過對反饋電阻的擴展，減小了電阻所帶來的熱噪聲電流。輸入端采用的雙通道差分式輸入，使得輸入信號中的不穩(wěn)定誤差信號通過差值抵消掉，增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。所用的放大器為TCL2252。如圖4-2所示圖4-2放大電路TLC2252呈現(xiàn)高輸入阻抗和低噪聲，能很好的用于高阻抗源，例如電壓傳感器的小信號狀況。由于這些器件功耗低，所以他們在手持監(jiān)視和遙感遠視傳感器應(yīng)用中工作良好，此外，滿電源電壓幅度（ｒａｉｌ－ｔｏ－ｒａｉｌ）輸出特性以單獨成分或分離電源工作使得這些器件在直線與模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器接口時成為主要選擇對象。所有這些特性，再結(jié)合它的溫度性能，使得TLC2252能夠理想的利用于聲納，遠程壓力傳感器，溫度控制，有源壓阻傳感器，加速計，手持儀表以及其他應(yīng)用。圖4-3為TLC2252的引腳排列。圖4-3TLC2252的引腳排列。表4-1為TLC2252的工作條件。表4-1TLC2252的工作條件后綴為C后綴為I單位MINMAXMINMIN電源電壓，VDD±±2.2±8±2.2±8V輸入電壓范圍，V1VDD-VDD+—1.5VDD-VDD+—1.5V共模輸入電壓，VICVDD-VDD+—1.5VDD-VDD+—1.5V工作環(huán)境（自然通風），TA070-40125℃(1)輸入輸出關(guān)系，由(1R8+1R6+1R7)V(-)=1R8?Vr+(1R4+1R5+1R7)?V(-)=1R可得Vo=1+R4RV1=V(-)+當R4RVo=1+R4R當電阻不匹配時，會產(chǎn)生電阻不匹配誤差。設(shè)電阻不匹配誤差δ=R4Vo=1+R44.3.2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，減少了運放對偏置電流的影響。（2）電阻不匹配產(chǎn)生的誤差V-只與Vr有關(guān),而與V(+)無關(guān)，而且對動態(tài)誤差的影響并不十分大。（3）運放的輸入失調(diào)電壓也會導致誤差，并且它是與放大倍數(shù)有關(guān)的，這種誤差仍然屬于靜態(tài)誤差，通過調(diào)節(jié)Vr就可以抵消掉。（4）電路只需使用兩個運放單元，而且電路十分簡單，但它卻可以實現(xiàn)V+和V-高阻差動輸入、可調(diào)放大倍數(shù)，還附帶一個基準電壓或偏置輸入Vr，這些為電路的構(gòu)成、調(diào)節(jié)以及輸出偏置、靜態(tài)誤差補償?shù)忍峁┝藰O大的方便。4.4低通濾波電路的設(shè)計為了抑制高頻干擾，在放大電路輸出端設(shè)計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。運算放大器和RC網(wǎng)絡(luò)組成的有源濾波器與無源濾波器相比，具有一系列優(yōu)點。首先，它不用電感元件，免除了電感所固有的非線性特性、磁場屏蔽、耗損、體積、和重量過大、以及不經(jīng)濟等缺點。其次，由于運算放大器的增益和輸入阻抗很高，輸出阻抗很低，所以有源濾波器還能提供一定的信號增益和緩沖作用。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。由于要求輸出電壓范圍為0V～5V因此選擇TLC2252作為該濾波器的運放。圖4-4低通濾波器該濾波器是二階壓控電壓源低通濾波器，其電壓增益AVF=1，其特征頻率ωn=1/(RC)，品質(zhì)因數(shù)Q=1/(3-AVFAs=AVF對于本系統(tǒng)R=10kΩ，C＝0.01uF，因此特征角頻率為10kHz，又因為通帶電壓增益Ao=AVF4.5A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計A/D轉(zhuǎn)換器的類型較多，常用的有逐次逼近型和積分型。單片機應(yīng)用系統(tǒng)中最常用的A/D轉(zhuǎn)換器是可編程的ADC0809。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2.4所示。圖中8路模擬量開關(guān)可選通8個模擬通道，8路模擬量分時輸入，共用一個A/D轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換。地址鎖存與譯碼電路完成對A、B、C三個地址位進行鎖存和譯碼，其譯碼輸出用于通道的選擇。8位A/D轉(zhuǎn)換器是逐次逼近式，由控制與時序電路、逐次逼近寄存器、樹狀開關(guān)及256電阻階梯網(wǎng)C0809芯片為28引腳雙列直插式封裝，圖4-5為ADC0809內(nèi)部結(jié)構(gòu)其主要引腳的功能說明如下：（1）IN7～IN0：模擬量輸入通道。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，若信號過小還需進行放大。另外，模擬量輸入在A/D轉(zhuǎn)換過程中其值不應(yīng)變化，因此對變化速度快的模擬量，在輸入前應(yīng)增加采樣保持電路。（2）ADDA、ADDB、ADDC：地址線。ADDA為低位地址，ADDC為高位地址，用于對模擬通道進行選擇。（3）ALE：地址鎖存允許信號。在ALE上升沿時，A、B、C地址狀態(tài)送入地址鎖存器中。（4）START：轉(zhuǎn)換啟動信號。在START上升沿時，所有內(nèi)部寄存器清零；START下降沿時，開始進行A/D轉(zhuǎn)換；在A/D轉(zhuǎn)換期間，START應(yīng)保持低電平。（5）D7～D0：數(shù)據(jù)輸出線。為三態(tài)緩沖輸出形式，可以和單片機的數(shù)據(jù)線直接相連。（6）OE：輸出允許信號。用于控制三態(tài)輸出鎖存器向單片機輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)，當OE=0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻；當OE=1輸出轉(zhuǎn)換。后的數(shù)據(jù)。（7）CLK：時鐘信號。ADC0809的內(nèi)部沒有時鐘電路，所需時鐘信號由外部提供，因此有時鐘信號引腳，通常使用頻率為500kHz的時鐘信號。（8）EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束狀態(tài)信號。當EOC=0時，正在進行轉(zhuǎn)換；當EOC=1，轉(zhuǎn)換結(jié)束。在實際應(yīng)用中該狀態(tài)信號既可作為查詢狀態(tài)的標志，又可作為中斷請求信號使用。(9)Vref：參考電壓。參考電壓用來與輸入的模擬信號進行比較，作為逐次逼近的基準，其典型值為＋5V（Vref(+)=+5V，Vref(-)=0V）。ADC0809與MCS-51系列單片機的硬件接口有三種方式：中斷方式、查詢方式和等待延時方式。在本系統(tǒng)中采用查詢方式，因此ADC0809與AT89C51的接口電路如圖3.4所示ADC0809應(yīng)用說明（1）ADC0809內(nèi)部帶有輸出鎖存器，可以與AT89S51單片機直接相連。（2）初始化時，使ST和OE信號全為低電平。（3）送要轉(zhuǎn)換的哪一通道的地址到A，B，C端口上。（4）在ST端給出一個至少有100ns寬的正脈沖信號。（5）是否轉(zhuǎn)換完畢，我們根據(jù)EOC信號來判斷。圖4-6是ADC0809與51單片機接線方法圖4-5ADC0809內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖4-6ADC0809與51單片機接線ADC0809的OUT1~OUT8口接單片機的P0.0~P0.7口，負責將轉(zhuǎn)換完畢的8位數(shù)字信號傳輸給單片機。ADDA、ADDB、ADDC分別接在P3.4、P3.5、P3.6口，以選通IN0~IN7中的一個通道。ALE接P3.7，給高電平時，地址鎖存與譯碼器將A，B，C三條地址線的地址信號進行鎖存，經(jīng)譯碼后被選中的通道的模擬量進轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換。START接P2.6，START為轉(zhuǎn)換啟動信號。當單片機給START一個上跳沿信號時，所有內(nèi)部寄存器清零；給一個下跳沿信號時，開始進行A/D轉(zhuǎn)換；在轉(zhuǎn)換期間，ST應(yīng)保持低電平。EOC接P3.2,。EOC為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號。當EOC為高電平時，表明轉(zhuǎn)換結(jié)束，單片機可以接受數(shù)據(jù)；否則，表明正在進行A/D轉(zhuǎn)換。OE接P2.6，OE為輸出允許信號，用于控制三條輸出鎖存器向單片機輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。OE＝1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)；OE＝0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻狀態(tài)。當轉(zhuǎn)換開始時，單片機給START一個脈沖信號，ADC0809開始將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。當轉(zhuǎn)換完成后，EOC發(fā)出一個高電平給單片機。單片機將OE改為高電平，并從OUT1~OUT8讀取數(shù)字信號。4.6單片機電路及硬件選取單片機共有十幾種芯片，表4.1列出了比較典型的幾種芯片的型號及它們的主要性能指標。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4.1MCS-51系列單片機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ROMROMRAMEPROMRAM計數(shù)器并口串口51803180514KB128B64KB64KB2*16位4*8位1580C3180C514KB128B64KB64KB2*16位4*8位1552803280528KB256B64KB64KB3*16位4*8位16MCS－51單片機可分為51和52兩個子系列，并以芯片型號的最末位數(shù)字作為標志。其中8x51是基本型，8x52是增強型。采用HMOS工藝的基本型8x51，片內(nèi)集成有8位CPU，4KBROM（8031片內(nèi)無ROM），128BRAM，兩個16位定時/計數(shù)器，一個全雙工串行通信接口（UART），擁有乘除運算指令和位處理指令。采用CHMOS工藝的基本型8xC51，有三種功耗控制方式，能有效降低功耗。增強型8x52，與8x51不同的是片內(nèi)ROM增加到8KB，RAM增加到256B，定時/計數(shù)器增加到3個，串行接口的通信速率快了6倍。目前比較常見的ATMEL89C51系列單片機，也采用CHMOS工藝，其片內(nèi)含有4KB可編程、擦除只讀存儲器FPEROM（FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory），使用高密度、非易失存儲技術(shù)制造，并且與80C51系列的引腳和指令系統(tǒng)完全兼容。芯片上的FPEROM允許在線編程或采用通用的非易失存儲編程器對程序存儲器重復編程因而89C51的性價比遠高于80C51。本系統(tǒng)使用的是新型AT89C51系列單片機的D版本芯片，AT89C51系列單片機的特點有：（1）增強型6時鐘/機器周期，12時鐘/機器周期8051CPU。（2）工作電壓：5.5V-3.4V。（3）通用I/O口（32個），復位后為：P1/P2/P3/P4是準雙向口/弱上拉（普通8051傳統(tǒng)I/O口）P0口是開漏輸出，作為總線擴展用時，不用加上拉電阻，作為I/O口用時，需加上拉電阻。（4）ISP（在系統(tǒng)可編程）/IAP（在應(yīng)用可編程），無需專用編程器/仿真器，可通過串口（P3.0/P3.1）直接下載用戶程序。（5）內(nèi)部帶有E^2PROM可用來存儲數(shù)據(jù)。（6）內(nèi)部集成MAX810專用復位電路，可省去外部復位電路。（7）共3個16位定時器/計數(shù)器，其中定時器0還可以當成2個8位定時器使用。（8）.外部中斷4路，下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷，PowerDown模式可由外部中斷低電平觸發(fā)中斷方式喚醒。（9）通用異步串行口（URAT），還可以用定時器軟件實現(xiàn)多個UART。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0.1uA，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。AT89C51通過禁止ALE時鐘信號輸出、外部時鐘頻率降一半以及單片機內(nèi)部時鐘振蕩器增益降低一半等措施，使其具有了良好的抗電磁輻射（EMI）能力。本設(shè)計采用ATMEL89C51系列的AT89C51單片機。4.7LCD顯示電路及硬件選取本設(shè)計采用LCD16021602采用標準的16腳接口，其中:第1腳：VSS為地電源

第2腳：VDD接5V正電源

第3腳：V0為液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時對比度最弱，接地電源時對比度最高，對比度過高時會產(chǎn)生“陰影”，使用時可以通過一個10K的電位器調(diào)整對比度

第4腳：RS為寄存器選擇，高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時選擇指令寄存器。

第5腳：RW為讀寫信號線，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作。當RS和RW共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址，當RS為低電平RW為高電平時可以讀忙信號，當RS為高電平RW為低電平時可以寫入數(shù)據(jù)。

第6腳：E端為使能端，當E端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執(zhí)行命令。第7～14腳：D0～D7為8位雙向數(shù)據(jù)線。第15～16腳：空腳圖4-71602外形尺寸圖4-8讀操作時序圖4-9寫操作時序表4-31602的時序參數(shù)時序參數(shù)符號單位測試條件最小值典型值最大值E信號周期TC400--ns引腳EE脈沖寬度TPW150--nsE上升沿/下降沿時間TR,TF--25ns地址建立時間TSP130--ns引腳E、RS、R/W地址保持時間THD110--ns數(shù)據(jù)建立之間（讀操作）TD--100ns引腳DB0~DB7數(shù)據(jù)保持時間（讀操作）THD220--ns數(shù)據(jù)建立時間（寫操作）TSP240--ns數(shù)據(jù)保持時間（寫操作）THD210--ns圖4-101602與單片機的連接LCD的D0~D7口分別于P0口連接，用于接收單片機傳輸?shù)男盘枴S連接P2.0口，RS為寄存器選擇，高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時選擇指令寄存器。RW為P2.1口，RW為讀寫信號線，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作。當RS和RW共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址，當RS為低電平RW為高電平時可以讀忙信號，當RS為高電平RW為低電平時可以寫入數(shù)據(jù)。E連接P2.2口，E端為使能端，當E端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執(zhí)行命令。VSS為地電源。VDD接5V正電源。V0為液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時對比度最弱，接地電源時對比度最高，對比度過高時會產(chǎn)生“鬼影”，使用時可以通過一個10K的電位器調(diào)整對比度4,8硬件的抗干擾措施抗干擾設(shè)計是單片機系統(tǒng)應(yīng)用的關(guān)鍵問題。在設(shè)計系統(tǒng)硬件電路時，要充分考慮可能出現(xiàn)的各種干擾源產(chǎn)生的影響，并采取相應(yīng)屏蔽、隔離、接地等措施，以提高系統(tǒng)的抗干擾能力。（1）考慮到工作現(xiàn)場可能存在的空間磁場的干擾，系統(tǒng)設(shè)計中將傳感器信號入線和控制輸出線采用屏蔽雙絞線。（2）系統(tǒng)中地線結(jié)構(gòu)大致有模擬地、數(shù)字地和系統(tǒng)地等，將這些地線進行合理的布局是提高系統(tǒng)抗干擾能力的重要措施。接地線應(yīng)盡量加粗，使其電阻接近于零，防止由線條較細引起的接地電位隨電流的變化而變化的情況，從而減小測量誤差，數(shù)字電路的地線呈閉環(huán)路，可減小地線間的電位差，提高抗干擾能力。（3）印刷電路板是檢測系統(tǒng)中元器件、信號線、電源線的高密度集合體，它的合理布線設(shè)計對提高系統(tǒng)的抗干擾能力有很大幫助。所以，對印刷電路板的設(shè)計應(yīng)在布局簡單的前提下，使其符合抗干擾的設(shè)計原則；電路板元器件和焊接面的印制引線相互垂直，以減小寄生電容：PCB電源線和地線應(yīng)根據(jù)電流的大小，盡量加粗，盡量靠近，而且使其走向和數(shù)據(jù)傳遞的方向一致。印刷電路板上的每個集成電路芯片接入一個瓷片去偶電容。（4）選擇優(yōu)質(zhì)的電子元器件，同樣會地提高系統(tǒng)的抗干擾能力。5軟件部分簡介5.1引言本章主要簡單介紹本設(shè)計的軟件部分，軟件設(shè)計的主要任務(wù)是定時對扭矩測量信號進行采樣,對采樣數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的處理,然后顯示。軟件設(shè)計流程圖如圖5-1所示。開始開始參數(shù)初始化參數(shù)初始化定時器中斷N定時器中斷