扭矩-壓力復(fù)合檢測(cè)傳感器的試驗(yàn)性設(shè)計(jì)畢業(yè)論文

1、<p>　　扭矩-壓力復(fù)合檢測(cè)傳感器</p><p><b>　　的試驗(yàn)性設(shè)計(jì)</b></p><p>　　院 系：機(jī)電與自動(dòng)化學(xué)院</p><p>　　專(zhuān)業(yè)班級(jí)：機(jī)械電子工程1006班</p><p>　　扭矩-壓力復(fù)合檢測(cè)傳感器</p><p><b>　　的試驗(yàn)性設(shè)

2、計(jì)</b></p><p>　　The Experimental Design of </p><p>　　Torque - Pressure Compound Test Sensor </p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，人類(lèi)社會(huì)進(jìn)入了信息時(shí)

3、代。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和測(cè)試技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)扭矩、壓力傳感器提出了更高的要求。在工程項(xiàng)目和生產(chǎn)實(shí)際中，很多要求同時(shí)檢測(cè)靜態(tài)軸的扭矩和壓力狀況的參數(shù)指標(biāo)，單一的扭矩、壓力傳感器測(cè)量單元已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了生產(chǎn)上的需求，而且在軸上同時(shí)安裝壓力傳感器和扭矩傳感器需要占據(jù)較大的空間，有時(shí)候軸的工作環(huán)境不允許有這么大的空間，有的需要專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)安裝法蘭和軸類(lèi)機(jī)構(gòu)，才能將扭矩、壓力傳感器安裝上去，但這樣就增加了一些由于安裝帶來(lái)的冗余誤差。</p&g

4、t;<p>　　基于以上種種原因，本課題提出一種新型的扭矩—壓力復(fù)合檢測(cè)傳感器，該傳感器解決了工程實(shí)際中的扭矩和壓力復(fù)合載荷軸檢測(cè)的關(guān)鍵問(wèn)題。</p><p>　　扭矩—壓力復(fù)合檢測(cè)傳感器試驗(yàn)性設(shè)計(jì)主要有機(jī)械設(shè)計(jì)部分和電子設(shè)計(jì)部分組成。機(jī)械設(shè)計(jì)主要是完成復(fù)合傳感器的基體設(shè)計(jì)，既能夠達(dá)到檢測(cè)的效果，也能便于應(yīng)變片的粘貼，電子設(shè)計(jì)主要是完成應(yīng)變電路設(shè)計(jì)、放大調(diào)理電路設(shè)計(jì)、A/D采集電路設(shè)計(jì)。完成機(jī)械設(shè)計(jì)

5、和電子設(shè)計(jì)后，必須實(shí)施貼片粘貼、電路走線、電子盒設(shè)計(jì)、電纜布局設(shè)計(jì)等具有操作性的工藝設(shè)計(jì)。</p><p>　　本課題設(shè)計(jì)研究提出的扭矩—壓力復(fù)合檢測(cè)傳感器的試驗(yàn)性設(shè)計(jì)任務(wù)，該傳感器主要是將扭矩—壓力的檢測(cè)集成于一體，通過(guò)一個(gè)傳感器檢測(cè)出兩種軸類(lèi)參數(shù)指標(biāo)，該傳感器安裝方便，檢測(cè)數(shù)據(jù)可靠。</p><p>　　關(guān)鍵字：應(yīng)變式傳感器 壓力測(cè)量 扭矩測(cè)量 </p><p&

6、gt;<b>　　Abstract</b></p><p>　　Human society entered the information age with the rapid development of modern science and technology, The torque measurement,the precious of pressure sensors put fo

7、rward higher requirements.We usually requests simultaneously detect parameter index static shaft torque and pressure conditions in projects or the production practice, a single torque , pressure sensor unit has been far

8、from meeting the needs of the production , pressure sensors and torque sensor installed on the shaft and at the sam</p><p>　　For these reasons , the subject of a new torque - pressure composite detection sen

9、sor that solve practical engineering torque shaft load and stress testing of composite key issues .</p><p>　　Torque - Pressure sensor composite experimental design is mainly composed of mechanical and electr

10、onic design part design part . Mechanical design is mainly complete matrix composite sensor designed to achieve both the detection results , can be easy to paste , the electronic design of the strain gauge circuit design

11、 mainly to complete strain , amplification circuit design conditioning , A / D acquisition circuit . After completion of the mechanical design and electronic design must be implement</p><p>　　Therefore, this

12、 study presents topics in torque - an experimental design tasks pressure composite detection sensor , the sensor is mainly torque - in one integrated test pressure through a sensor detects the two shafts parameter index,

13、 the sensor is easy to install, test data and reliable.</p><p>　　Key Words: strain sensor pressure measuring torque measuring </p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘

14、 要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　緒 論1</b></p><p>　　1 課題設(shè)計(jì)任務(wù)分析2</p><p>　　1.1 課題的研究背景2</p><p>　　1.2 課題研究的目的和意義2</p>

15、<p>　　1.2.1 課題研究的目的2</p><p>　　1.2.2 課題研究的意義3</p><p>　　1.3 扭矩—壓力測(cè)量的發(fā)展現(xiàn)狀3</p><p>　　1.4 課題研究的內(nèi)容和方法4</p><p>　　1.4.1 課題研究的內(nèi)容4</p><p>　　1.4.2 課題

16、研究的方法4</p><p>　　2 總體方案設(shè)計(jì)及原理介紹5</p><p>　　2.1 任務(wù)分析5</p><p>　　2.2 設(shè)計(jì)方案5</p><p>　　2.2.1 檢測(cè)裝置整體系統(tǒng)框圖5</p><p>　　2.2.2 扭矩傳感器的基本原理6</p><p>　

17、　2.2.3 壓力傳感器的基本原理8</p><p>　　2.2.4 扭矩—壓力復(fù)合傳感器的提出10</p><p>　　3 扭矩—壓力復(fù)合傳感器的設(shè)計(jì)11</p><p>　　3.1 應(yīng)變片的選用12</p><p>　　3.2 應(yīng)變片的粘貼12</p><p>　　3.3 彈性軸材料的選擇和確

18、定13</p><p>　　4 檢測(cè)系統(tǒng)各部分電路設(shè)計(jì)16</p><p>　　4.1 電橋電路設(shè)計(jì)16</p><p>　　4.1.1 電橋電路的選用16</p><p>　　4.1.2 電橋的誤差分析17</p><p>　　4.2 信號(hào)放大電路的設(shè)計(jì)及誤差分析17</p>&l

19、t;p>　　4.2.1 放大電路的設(shè)計(jì)17</p><p>　　4.2.2 放大電路的誤差分析18</p><p>　　4.3 單片機(jī)電路及硬件選取19</p><p>　　4.4 A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)20</p><p>　　4.5 LCD顯示電路及硬件選取21</p><p><b&

20、gt;　　結(jié) 論22</b></p><p><b>　　致 謝23</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)24</b></p><p>　　附錄1 彈性軸三維圖及應(yīng)變片粘貼位置25</p><p>　　附錄2 彈性軸的結(jié)構(gòu)和應(yīng)變片的貼片實(shí)物圖26</p&g

21、t;<p>　　附錄3 應(yīng)變片電橋圖27</p><p>　　附錄4 ML324放大電路28</p><p>　　附錄5 單片機(jī)與LCD顯示器連接圖29</p><p>　　附錄6 單片機(jī)程序代碼30</p><p><b>　　緒 論</b></p><p>　　

22、在工程項(xiàng)目和生產(chǎn)實(shí)際中，很多要求同時(shí)檢測(cè)靜態(tài)軸的扭矩和壓力狀況的參數(shù)指標(biāo)，單一的扭矩、壓力傳感器測(cè)量單元已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了生產(chǎn)上的需求，而且在軸上同時(shí)安裝壓力傳感器和扭矩傳感器需要占據(jù)較大的空間，有時(shí)候軸的工作環(huán)境不允許有這么大的空間，有的需要專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)安裝法蘭和軸類(lèi)機(jī)構(gòu)，才能將扭矩、壓力傳感器安裝上去，但這樣就增加了一些由于安裝帶來(lái)的冗余誤差。</p><p>　　在通常情況下，扭矩和壓力可以單獨(dú)測(cè)量的，但如果被測(cè)

23、軸本身的力學(xué)結(jié)構(gòu)決定了同時(shí)含有扭矩和壓力兩種負(fù)載，而測(cè)量力的傳感器原理大多采用應(yīng)變片測(cè)量，這樣就會(huì)導(dǎo)致：當(dāng)測(cè)量扭矩時(shí)，壓力負(fù)載會(huì)對(duì)扭矩的測(cè)量帶來(lái)干擾，致使扭矩測(cè)量誤差增大，同樣；當(dāng)測(cè)量壓力時(shí)，扭矩負(fù)載會(huì)對(duì)壓力的測(cè)量帶來(lái)干擾，致使壓力測(cè)量誤差增大。</p><p>　　本課題設(shè)計(jì)研究提出的扭矩—壓力復(fù)合檢測(cè)傳感器的試驗(yàn)性設(shè)計(jì)任務(wù)，該傳感器主要是將扭矩—壓力的檢測(cè)集成于一體，通過(guò)一個(gè)傳感器檢測(cè)出兩種軸類(lèi)參數(shù)指標(biāo)，該傳

24、感器安裝方便，檢測(cè)數(shù)據(jù)可靠。</p><p>　　1 課題設(shè)計(jì)任務(wù)分析</p><p>　　1.1 課題的研究背景</p><p>　　通常所說(shuō)的復(fù)合傳感器是由兩個(gè)或者兩個(gè)以上的獨(dú)立檢測(cè)單元組成一個(gè)組合體，但一般可以理解為一個(gè)整體。這些傳感器的每個(gè)單元信號(hào)都可以獨(dú)自的進(jìn)行檢測(cè)輸出信號(hào)的，高級(jí)的傳感器則由組合體中嵌入進(jìn)去的處理器先進(jìn)性測(cè)量，然后把測(cè)量數(shù)據(jù)按照規(guī)定統(tǒng)

25、一的的格式一起輸出。例如，把一個(gè)探頭置于水中，用于檢測(cè)水質(zhì)的復(fù)合型傳感器，這種傳感器就能檢測(cè)出多種水里化學(xué)物質(zhì)的含量。而軸承用的復(fù)合型傳感器一般都集成有對(duì)溫度檢測(cè)、壓力檢測(cè)、振動(dòng)頻率等參數(shù)的測(cè)量單元。這樣的復(fù)合傳感器比單一的溫度檢測(cè)傳感器、壓力檢測(cè)傳感器、振動(dòng)頻率檢測(cè)傳感器等分開(kāi)來(lái)測(cè)量多個(gè)物理量方便的多。因?yàn)橛糜诟餍懈鳂I(yè)的軸承的類(lèi)型很多，而且使用的環(huán)境和條件和性能也各不相同，所以，現(xiàn)在用于檢測(cè)診斷固定型號(hào)的軸承故障的復(fù)合型傳感器還很少見(jiàn)

26、，所以這對(duì)檢測(cè)診斷帶來(lái)了很大的不便。</p><p>　　復(fù)合型傳感器一般都是針對(duì)具體的工作環(huán)境而設(shè)計(jì)的專(zhuān)用檢測(cè)復(fù)合傳感器。而傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是對(duì)用于軸承檢測(cè)的復(fù)合傳感器的設(shè)計(jì)難點(diǎn)，怎樣把傳感器單元合理布置在復(fù)雜而狹小結(jié)構(gòu)單元中，已經(jīng)成了設(shè)計(jì)復(fù)合型傳感器首要解決的問(wèn)題。目前，對(duì)于單一的檢測(cè)傳感器單元和數(shù)據(jù)處理分析單元的技術(shù)已經(jīng)很成熟了。這為更好的設(shè)計(jì)復(fù)合型傳感器奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。</p><p

27、>　　近幾年復(fù)合型傳感器在軸承和自動(dòng)化設(shè)計(jì)加工制造等行業(yè)非常熱門(mén)。而且現(xiàn)在復(fù)合型傳感器已經(jīng)慢慢地占到了傳感器市場(chǎng)的很大部分。相信隨著社會(huì)的發(fā)展，先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，復(fù)合型傳感器的種類(lèi)會(huì)更多，應(yīng)用的領(lǐng)域越來(lái)越廣泛，其性能也會(huì)更加優(yōu)越。</p><p>　　1.2 課題研究的目的和意義</p><p>　　1.2.1 課題研究的目的</p><p>　　本次研

28、究課題提出了一種“扭矩—壓力復(fù)合檢測(cè)傳感器”的試驗(yàn)性設(shè)計(jì)任務(wù)，這種復(fù)合型傳感器主要是將扭矩—壓力的檢測(cè)集成于一個(gè)檢測(cè)單元，也就是說(shuō)兩種軸類(lèi)參數(shù)的指標(biāo)可通過(guò)一個(gè)傳感器檢測(cè)出，該傳感器的安裝簡(jiǎn)單方便，檢測(cè)數(shù)據(jù)也很準(zhǔn)確可靠。</p><p>　　1.2.2 課題研究的意義</p><p>　　隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展提高，世界已經(jīng)進(jìn)入了信息時(shí)代。在信息的利用過(guò)程中，如何準(zhǔn)確的獲取可靠的信息是現(xiàn)在要首

29、先解決的問(wèn)題，而傳感器是獲取所需重要信息的主要工具。</p><p>　　在現(xiàn)代化生產(chǎn)過(guò)程中，生產(chǎn)過(guò)程中的各個(gè)重要參數(shù)需要用各種傳感器來(lái)檢測(cè)和控制，從而使機(jī)械設(shè)備在正常狀態(tài)下工作，并且使生產(chǎn)的產(chǎn)品有較高的質(zhì)量。所以說(shuō)，如果沒(méi)有優(yōu)良的傳感器，現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)也就失去了意義。</p><p>　　如今傳感器早已應(yīng)用于各行各業(yè)。可以夸張地說(shuō)，從天上，到地下，幾乎每一個(gè)現(xiàn)代化生產(chǎn)行業(yè)，都有傳感器身

30、影。</p><p>　　所以說(shuō)，傳感器檢測(cè)技術(shù)在經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、社會(huì)的進(jìn)步等方面的有十分重要作用。</p><p>　　1.3 扭矩—壓力測(cè)量的發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　在現(xiàn)代化生產(chǎn)中，扭矩、壓力的檢測(cè)對(duì)與機(jī)械設(shè)備正常運(yùn)行來(lái)說(shuō)是很重要的，如果想對(duì)機(jī)械設(shè)備做進(jìn)一步的改進(jìn)設(shè)計(jì)，就需要獲取扭矩、壓力等重要數(shù)據(jù)，如何獲取這些重要數(shù)據(jù)為改進(jìn)設(shè)計(jì)取得全面的資料，是現(xiàn)在改進(jìn)設(shè)

31、計(jì)面臨的主要問(wèn)題，所以對(duì)扭矩、壓力的檢測(cè)變得尤為重要?，F(xiàn)在常用于扭矩檢測(cè)的儀器一般分為：相位差扭矩測(cè)量?jī)x，應(yīng)變式扭矩測(cè)量?jī)x，電容式、振弦式、磁彈性式測(cè)量?jī)x；壓力測(cè)量?jī)x大致可分為一下幾種：壓電式、擴(kuò)散硅式、藍(lán)寶石式測(cè)量?jī)x。因?yàn)楦髋ぞ亍毫y(cè)量?jī)x的應(yīng)用場(chǎng)合和檢測(cè)的方法不同，使得各種測(cè)量?jī)x有不同的應(yīng)用范圍。</p><p>　　扭矩、壓力測(cè)量技術(shù)的發(fā)展取決于傳感器、信號(hào)傳輸和測(cè)量?jī)x的研究。傳感器產(chǎn)業(yè)正由傳統(tǒng)型向新型傳感

32、器轉(zhuǎn)型，它體現(xiàn)了新型傳感器向微型化、多功能化、數(shù)字化、智能化發(fā)展的趨勢(shì)。傳感器的技術(shù)發(fā)展了幾十年，其技術(shù)的發(fā)展歷程可分三代：</p><p>　?。?） 結(jié)構(gòu)型傳感器，它是利用結(jié)構(gòu)參量的改變來(lái)檢測(cè)和將非電信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；</p><p>　?。?） 在上個(gè)世紀(jì)七十年代新發(fā)展起來(lái)的一種固體型傳感器，這種傳感器是利用電介質(zhì)、半導(dǎo)體、磁性材料等固體物質(zhì)某些特性制成。</p>

33、<p>　?。?） 在上世紀(jì)八十以后發(fā)展起來(lái)的一種新型智能型傳感器，是微型計(jì)算機(jī)技術(shù)與檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，使傳感器檢測(cè)技術(shù)智能化。</p><p>　　1.4 課題研究的內(nèi)容和方法</p><p>　　1.4.1 課題研究的內(nèi)容</p><p>　　根據(jù)課題研究的目的分析可知，我們需要開(kāi)發(fā)一種新型的復(fù)合傳感器：扭矩-壓力復(fù)合型檢測(cè)傳感器，那么本次課

34、題設(shè)研究的主要內(nèi)容有以下幾個(gè)方面：</p><p>　　（1） 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的確定；</p><p>　?。?） 機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及關(guān)鍵零部件的剛度計(jì)算與校核；</p><p>　?。?） 電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和安裝及布線設(shè)計(jì)；</p><p>　?。?） 對(duì)扭矩、壓力傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理研究及信號(hào)轉(zhuǎn)換、傳輸，查閱相關(guān)文獻(xiàn)和產(chǎn)品樣本；&

35、lt;/p><p>　?。?） 單片機(jī)的選型設(shè)計(jì)</p><p>　　（6） 放大器的選型及設(shè)計(jì)研究；</p><p>　　1.4.2 課題研究的方法</p><p>　　軸類(lèi)零件在工作時(shí)通常會(huì)受到扭矩M或壓力F的作用，而且扭矩M或者壓力F的存在會(huì)使彈性軸發(fā)生變形，這種變形與軸所受扭矩M或壓力F的大小存在著一定的比例關(guān)系，所以扭矩M或壓力F

36、的大小可以用電阻應(yīng)變片來(lái)檢測(cè)。當(dāng)彈性軸受到扭矩M的作用時(shí)會(huì)產(chǎn)生扭曲變形，并且最大剪應(yīng)力存在于與軸線成45度角的方向上。因此將電阻應(yīng)變片粘貼在這個(gè)方向上就能夠檢測(cè)到彈性軸所受扭矩M的大?。划?dāng)彈性軸受到壓力F作用時(shí)扭轉(zhuǎn)變形，產(chǎn)生的正壓應(yīng)力在軸線方向上，在此方向上粘貼電阻應(yīng)變片能夠檢測(cè)到彈性軸所受壓力F的大小。</p><p>　　用應(yīng)變膠將專(zhuān)用的測(cè)扭應(yīng)變片和測(cè)壓應(yīng)變片粘貼在彈性軸上組成應(yīng)變?nèi)珮螂娐?，只需給應(yīng)變橋提供合

37、適的電源電壓即可測(cè)得該彈性軸受扭受壓的電信號(hào)。將該電信號(hào)輸送到放大器單元進(jìn)行放大，然后經(jīng)低通濾波電路調(diào)理后信號(hào)再次被進(jìn)行處理，將調(diào)至好的信號(hào)送入A/D轉(zhuǎn)換電路，然后由單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最后將處理好的數(shù)據(jù)送給LCD顯示屏。</p><p>　　2 總體方案設(shè)計(jì)及原理介紹</p><p><b>　　2.1 任務(wù)分析</b></p><p>

38、　　在一般的情況下，扭矩M和壓力F是可以單獨(dú)測(cè)量的，但如果被測(cè)軸本身的力學(xué)結(jié)構(gòu)決定了該軸同時(shí)含有扭矩M和壓力F兩種負(fù)載，而測(cè)量力的傳感器基本都采用應(yīng)變片測(cè)量，所以這樣就會(huì)導(dǎo)致：在測(cè)量扭矩M時(shí)，由于壓力F負(fù)載的存在會(huì)對(duì)扭矩M的測(cè)量帶來(lái)干擾，致使扭矩M的測(cè)量帶來(lái)很大的誤差。同樣；在測(cè)量壓力F時(shí)，由于扭矩M負(fù)載的存在會(huì)對(duì)壓力F的測(cè)量帶來(lái)干擾，致使壓力F測(cè)量帶來(lái)很大的誤差。所以本次課題研究提出一種新型的傳感器：扭矩-壓力復(fù)合檢測(cè)傳感器，這種傳感

39、器主要是將扭矩-壓力的檢測(cè)集于一體，通過(guò)一個(gè)傳感器就能檢測(cè)出兩種軸類(lèi)參數(shù)指標(biāo)，該傳感器具有安裝方便，檢測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠等特點(diǎn)。</p><p><b>　　2.2 設(shè)計(jì)方案</b></p><p>　　2.2.1 檢測(cè)裝置整體系統(tǒng)框圖</p><p>　　檢測(cè)裝置整體系統(tǒng)框圖如圖2-1所示：</p><p>　　圖2-

40、1 檢測(cè)裝置整體系統(tǒng)框圖</p><p>　?。?） 測(cè)量電橋信號(hào)采集電路：因電橋有很好的對(duì)稱性，抗干擾性強(qiáng)，能精確的將非電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。 </p><p>　?。?） 信號(hào)放大器：因經(jīng)過(guò)測(cè)量電橋輸出的電壓信號(hào)只有毫伏數(shù)量級(jí)，所以必須對(duì)這個(gè)信號(hào)就行放大處理。 </p><p>　?。?） A/D轉(zhuǎn)換電路：將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。 &l

41、t;/p><p>　?。?） 單片機(jī)：扭矩、壓力傳感器與單片機(jī)系統(tǒng)組合在一起就構(gòu)成了扭矩、壓力測(cè)量?jī)x，這部分電路的功能是：將扭矩、壓力傳感器的輸出電信號(hào)進(jìn)行整形處理分析后，計(jì)算出相應(yīng)的扭矩、壓力值的大小，最后將計(jì)算數(shù)據(jù)傳送給顯示器。 </p><p>　?。?） 顯示器：顯示器可以直觀地顯示出所測(cè)彈性軸的扭矩、壓力的大小。</p><p>　　2.2.2 扭矩傳感

42、器的基本原理</p><p>　　扭矩傳感器是對(duì)各種旋轉(zhuǎn)或非旋轉(zhuǎn)機(jī)械部件上的扭轉(zhuǎn)矩感知的檢測(cè)。扭矩傳感器將扭力產(chǎn)生的形變轉(zhuǎn)換成精確的電信號(hào)。</p><p>　　應(yīng)變電測(cè)技術(shù)是扭矩檢測(cè)方法中的一種比較成熟的檢測(cè)方法，因它具有可靠性好、頻響快、精度高、壽命長(zhǎng)等眾多優(yōu)點(diǎn)，所以該方法也是一種比較常用的方法。 </p><p>　　用應(yīng)變膠粘將專(zhuān)用的測(cè)扭應(yīng)變片貼在被測(cè)彈

43、性軸上，組成應(yīng)變橋電路，此時(shí)若向應(yīng)變橋電路提供合適的工作電源，就可以檢測(cè)出該彈性軸受扭的電信號(hào)。這就是扭矩傳感器工作的基本原理。</p><p>　　應(yīng)變片扭矩測(cè)量傳感器采用的是應(yīng)變電測(cè)技術(shù)。在彈性軸上粘貼應(yīng)變片組成測(cè)量電橋，當(dāng)彈性軸受扭矩M產(chǎn)生一定的變形后引起應(yīng)變片電阻值R的變化，電阻變化就會(huì)引起電路電壓、電流的變化，從而實(shí)現(xiàn)將非電信號(hào)的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的變化，電信號(hào)經(jīng)過(guò)運(yùn)算處理后就可以將扭矩M的大小在顯示器上

44、顯示出來(lái)。傳感器一般是由彈性軸及彈性軸上的應(yīng)變片、測(cè)量電橋、放大器電路、A/D轉(zhuǎn)換電路組成。</p><p>　　扭矩傳感器基本原理：采用應(yīng)變片電測(cè)技術(shù)，在彈性軸上組成應(yīng)變電橋，通過(guò)應(yīng)變片電阻大小的變化檢測(cè)出彈性軸所受扭矩的大小。原理圖如圖2-2所示：</p><p>　　圖2-2 測(cè)量原理圖</p><p>　　這種傳感器的檢測(cè)精度比較高、穩(wěn)定性好、抗干擾性也比

45、較強(qiáng)；可以測(cè)量彈性軸所受的正向、反向扭矩的大小。當(dāng)彈性軸受到扭矩時(shí)，傳遞的扭矩是剪應(yīng)力對(duì)截面扭心的合成力矩。如圖2-3所示：</p><p>　　圖2-3 扭矩橫截面上的剪力分布</p><p>　　彈性軸受扭矩M時(shí)切應(yīng)力在縱向軸的徑向平面上，因此可以在彈性軸的表面取一個(gè)足夠小的平行六面體來(lái)分析研究。因所取的平行六面體足夠小，所以其邊長(zhǎng)可視為微量，于是此六面體就可近似于一個(gè)正六面體。由彈

46、性軸受扭力時(shí)的應(yīng)力分布可知，此單元體所受的力為純剪切應(yīng)力。只需將應(yīng)變片粘貼在沿彈性軸的與軸線45度和-45度方向的表面上，應(yīng)變片就會(huì)受到最大拉應(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，圖中彈性軸在未受到外加負(fù)載時(shí)應(yīng)變片電阻值為R1=R2=R3=R4,當(dāng)彈性軸受到外加負(fù)載扭力矩M的作用時(shí)，工作應(yīng)變片R1、R3、R2、R4分別產(chǎn)生最大的正、負(fù)應(yīng)變， R1、R3應(yīng)變片受拉應(yīng)力；R2、R4受壓應(yīng)力。</p><

47、;p>　　圖2-4 應(yīng)變片全橋電路圖</p><p>　　當(dāng)電橋的供電電壓是Ui，其輸出電壓U0時(shí)：</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　式中，E—軸材料的彈性模量（MPa）</p><p><b>　　—軸材料的泊松比</b></p><

48、p>　　D—軸的外徑（mm）</p><p>　　K—應(yīng)變片的靈敏系數(shù)</p><p>　　U0—輸出電壓（V）</p><p>　　Ui—輸入電壓（V）</p><p>　　扭矩傳感器測(cè)量系統(tǒng)方框圖如圖2-5所示：</p><p>　　圖2-5 扭矩傳感器測(cè)量系統(tǒng)方框圖</p><p>

49、;　　2.2.3 壓力傳感器的基本原理</p><p>　　壓力傳感器是工業(yè)生產(chǎn)中比較常用的一種傳感器，廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)的自動(dòng)化生產(chǎn)的環(huán)境控制，以保證機(jī)械設(shè)備能在良好的狀態(tài)下正常的運(yùn)行。將電阻應(yīng)變片粘貼在彈性軸的表面上，當(dāng)力、扭矩、等物理量作用于彈性軸時(shí)，就會(huì)使彈性軸發(fā)生形變，從而引起應(yīng)變片電阻的變化，應(yīng)變片電阻應(yīng)變化就會(huì)引起測(cè)量電橋電壓的變化，完成將非電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)過(guò)分析處理后以數(shù)字的形式在顯

50、示器上輸出，這就是電阻應(yīng)變片式傳感器的基本工作原理。</p><p>　　用于力學(xué)檢測(cè)的傳感器種類(lèi)比較多，如電阻應(yīng)變片式壓力傳感器、半導(dǎo)體應(yīng)變片式壓力傳感器、壓阻式壓力傳感器等。由于這些傳感器的結(jié)構(gòu)和性能有所不同，所以其應(yīng)用范圍也有所不同。本次課題研究中，選用的是電阻應(yīng)變片式壓力傳感器。</p><p>　　按照其應(yīng)變化電阻應(yīng)變壓力傳感器可以分為兩類(lèi)，一類(lèi)是電阻絲應(yīng)變片、另一類(lèi)是半導(dǎo)體應(yīng)變

51、片。目前，電阻絲應(yīng)變片要用的比較多，電阻應(yīng)變壓力傳感器如圖2-6所示：</p><p>　　圖2-6 電阻應(yīng)變壓力傳感器</p><p>　　壓力傳感器一般是將電阻絲應(yīng)變片粘貼彈性軸上，當(dāng)彈性軸受到外加壓力F后的，彈性軸就會(huì)發(fā)生變形，這種變形是很微小的，但足以使粘貼在彈性軸表面上的應(yīng)變片電阻值發(fā)生改變。在通常情況下，壓力傳感器的內(nèi)部都是由4個(gè)電阻應(yīng)變片連接成一個(gè)全橋電路的測(cè)量電橋。當(dāng)彈性

52、軸受到外加壓力F使其發(fā)生形變，傳感器內(nèi)部4個(gè)電阻應(yīng)變片因受到壓力F的作用發(fā)生變形，并且電阻應(yīng)變片在變形時(shí)，有2個(gè)電阻應(yīng)變片阻值變大，另外2個(gè)電阻應(yīng)變片阻值變小。從而使測(cè)量電橋不平衡，電橋的輸出端就有相應(yīng)的信號(hào)輸出。</p><p>　　電阻應(yīng)變壓力傳感器的激勵(lì)方式有恒壓源和恒流源兩種。在較理想的情況下，采用恒流源作為激勵(lì)方式比選用恒壓源作為激勵(lì)方式的因溫度產(chǎn)生的誤差要小得多，但在這次課題研究中還是選擇使用恒壓源作

53、為電橋的供電電源。</p><p>　　1-應(yīng)變筒；2-外殼；3-密封膜片</p><p>　　圖2-7 應(yīng)變式壓力傳感器示意圖</p><p>　　根據(jù)物理學(xué)知識(shí)可知，金屬絲的電阻值R與其長(zhǎng)度L和電阻率成正比，與其橫截面積A成反比。其公式為：</p><p>　　R=L/A （2-

54、2）</p><p>　　式中，—電阻率(/m)</p><p>　　L—金屬絲長(zhǎng)度（m）</p><p>　　A—金屬絲橫截面積（m2）</p><p>　　下面以金屬絲應(yīng)變片為例來(lái)分析其工作原理，當(dāng)應(yīng)變片在工作時(shí)，金屬絲就會(huì)受到外力F的作用使其長(zhǎng)度L和橫截面積A發(fā)生變化。從公式R=L/A中可以很明顯的看出，應(yīng)變片電阻值會(huì)因電阻絲長(zhǎng)度L和橫

55、截面積A的變化發(fā)生改變，當(dāng)金屬絲受拉應(yīng)力其長(zhǎng)度L變長(zhǎng)時(shí)，橫截面積A就會(huì)相應(yīng)的減少，使得電阻絲應(yīng)變片的阻值變大。當(dāng)金屬絲受壓應(yīng)力其長(zhǎng)度L縮短時(shí)，橫截面積A就會(huì)相應(yīng)的增大，使得電阻絲應(yīng)變片的阻值減小。這時(shí)只要檢測(cè)出加在電阻絲應(yīng)變片兩端的電壓或者電流的變化，就可計(jì)算出電阻絲應(yīng)變片的應(yīng)變情況。</p><p>　　壓力傳感器測(cè)量系統(tǒng)方框圖如圖2-8所示：</p><p>　　圖2-8 壓力傳感器

56、測(cè)量系統(tǒng)方框圖</p><p>　　2.2.4 扭矩—壓力復(fù)合傳感器的提出</p><p>　　在一般情況下，扭矩和壓力是可以單獨(dú)用扭矩傳感器和壓力傳感器測(cè)量的，但是有時(shí)候被測(cè)軸自身的機(jī)械結(jié)構(gòu)和受力情況，使得被測(cè)軸同時(shí)存在扭矩和壓力兩種負(fù)載，而且用于測(cè)量力學(xué)參數(shù)的傳感器基本都是采用應(yīng)變片測(cè)量的，這樣就會(huì)導(dǎo)致：當(dāng)測(cè)量彈性軸所受扭矩M時(shí)，由于壓力負(fù)載F的存在會(huì)給扭矩M的測(cè)量帶來(lái)一定的干擾，導(dǎo)

57、致對(duì)扭矩M測(cè)量的誤差變大；同樣，當(dāng)測(cè)量彈性軸所受壓力F時(shí)，由于扭矩負(fù)載M的存在會(huì)給壓力F的測(cè)量帶來(lái)一定的干擾，導(dǎo)致壓力F測(cè)量誤差變大。</p><p>　　正是由于以上種種原因，所以本次課題研究就提出設(shè)計(jì)一種新型傳感器，將測(cè)量單一量的扭矩傳感器和壓力傳感器做成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，使其成為一個(gè)復(fù)合型傳感器，該復(fù)合傳感器可以把軸類(lèi)的兩種參數(shù)指標(biāo)一次性檢測(cè)出來(lái)。該傳感器有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于安裝、數(shù)據(jù)檢測(cè)準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)。</p&

58、gt;<p>　　復(fù)合型傳感器是一種新型的傳感器，那么它的數(shù)據(jù)檢測(cè)及數(shù)據(jù)分析處理方式又是怎樣呢？以下就這些疑問(wèn)做一些分析：</p><p>　　當(dāng)給定一個(gè)已知大小壓力F的前提下測(cè)量出此時(shí)的扭矩M的大小，然后改變壓力F的大小，測(cè)出改變后的扭矩M的大小，這樣改變壓力F大小重復(fù)測(cè)量數(shù)次；或者當(dāng)給定一個(gè)已知大小扭矩M的前提下測(cè)量出此時(shí)的壓力F的大小，然后改變扭矩M的大小，測(cè)出改變后的壓力F的大小，這樣改變扭

59、矩M大小重復(fù)測(cè)量數(shù)次。然后把檢測(cè)到的數(shù)據(jù)用一些數(shù)學(xué)方法進(jìn)行處理，比如采用相關(guān)分析法和矩陣分析法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，得到準(zhǔn)確的扭矩M或者壓力F的大小。</p><p>　　3 扭矩—壓力復(fù)合傳感器的設(shè)計(jì)</p><p>　　3.1 應(yīng)變片的選用</p><p>　　應(yīng)變片一般可分為電阻應(yīng)變片、光學(xué)應(yīng)變片兩類(lèi)，而其中的電阻應(yīng)變片是比較常用的。電阻應(yīng)變片的種類(lèi)也有很多，

60、有絲繞式、短接式、箔式等。在本次課題研究中選用絲繞式電阻應(yīng)變片。電阻應(yīng)變片的主要參數(shù)有：應(yīng)變片的電阻值、幾何尺寸、靈敏度系數(shù)、絕緣電阻、允許最大電流、機(jī)械滯后、零點(diǎn)漂移、極限應(yīng)變等。</p><p>　　怎樣選擇一個(gè)合適的應(yīng)變片，是關(guān)乎這次研究是否能順利進(jìn)行首要問(wèn)題。要想選擇一個(gè)合適的應(yīng)變片，就必須對(duì)應(yīng)變片的一些性能作一定了解，這樣才能正確的選擇應(yīng)變片。有時(shí)候并非傳感器檢測(cè)精度越高就越好，這要根據(jù)傳感器的工作情況

61、而定，做研究要考慮多方面的因素，在能夠滿足性能的條件下，還要考慮經(jīng)濟(jì)成本。在通常情況下，尺寸較大的應(yīng)變片，感受到的應(yīng)變量比較平均，這種應(yīng)變片適用于對(duì)精度要求比較高的場(chǎng)合；尺寸較小的應(yīng)變片，感受到的平均應(yīng)變量較少，但卻能很好的反映出集中于點(diǎn)的應(yīng)力情況，因此關(guān)于對(duì)應(yīng)變片尺寸的選擇，還要根據(jù)彈性軸受力分布情況和彈性軸本身結(jié)構(gòu)尺寸來(lái)選擇。</p><p>　　3.2 應(yīng)變片的粘貼</p><p>

62、;　　將應(yīng)變片選擇好了之后，就是如何將應(yīng)變片粘貼在彈性軸上。在粘貼之前，我們還要做一些準(zhǔn)備才能將應(yīng)變片較好的粘貼在彈性軸上。比如說(shuō)對(duì)應(yīng)變片的性能做一些檢查：</p><p>　?。?） 檢查應(yīng)變片是否有損壞而不能正常工作，</p><p>　　（2） 檢查應(yīng)變片電阻值的大小是否在允許范圍內(nèi)。</p><p>　?。?） 檢查應(yīng)變片上是否標(biāo)有中心線。</p

63、><p>　　在應(yīng)變片的粘貼之前，還需對(duì)彈性軸上粘貼應(yīng)變片的地方進(jìn)行清洗，防止由于油漬的存在使應(yīng)變片粘貼不牢而脫落。然后在應(yīng)變片的粘貼面處涂上一層薄薄的膠水。將應(yīng)變片上的方位線對(duì)準(zhǔn)事先在彈性軸上劃的線，在粘貼過(guò)程中要始終保證上述兩線重合，并且要將粘貼面里多余的膠水和氣泡擠出來(lái)。壓緊應(yīng)變片時(shí)要沿著彈性軸表面法線方向用力，保證在時(shí)壓緊應(yīng)變片是不能移動(dòng)的，知道粘貼牢固。 </p><p>　　扭矩傳

64、感器應(yīng)變片分布圖如圖3-1所示：</p><p>　　圖3-1 扭矩傳感器應(yīng)變片分布圖</p><p>　　3.3 彈性軸材料的選擇和確定</p><p>　　應(yīng)變片是粘貼在彈性軸上的，而應(yīng)變式扭矩-壓力復(fù)合傳感器主要用于動(dòng)力設(shè)備扭矩、壓力的測(cè)量，當(dāng)彈性軸受到扭矩、壓力時(shí)使應(yīng)變片發(fā)生形變而檢測(cè)出扭矩、壓力的大小的。要使傳感器能夠順利的檢測(cè)出扭矩、壓力的大小，就必

65、須的保證彈性軸在受到扭矩、壓力時(shí)，彈性軸不至于被損壞。這就需要對(duì)彈性軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及對(duì)軸材料的選擇。</p><p>　　在工程與實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)變式扭矩-壓力復(fù)合傳感器彈性軸的材料一般選用：45鋼、40Cr等?，F(xiàn)已知彈性軸上所受最大扭矩為Mmax=1000Nm,壓力為FN=50000N，為了防止計(jì)算的軸徑過(guò)小以至于應(yīng)變片不好粘貼，把彈性軸設(shè)計(jì)成空心軸，取軸的內(nèi)徑d=10mm，可根據(jù)軸的強(qiáng)度條件設(shè)計(jì)計(jì)算彈性軸的外徑。

66、扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度設(shè)計(jì)校核公式如下：</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p><b>　?。?-2）</b></p><p><b>　　（3-3）</b></p><p>　　上式中，—最大切應(yīng)力MPa</p><p>　　Mmax—最大

67、扭矩Nm</p><p>　　WP—扭轉(zhuǎn)截面系數(shù)mm3</p><p><b>　　D—彈性軸外徑mm</b></p><p><b>　　d—彈性軸內(nèi)徑mm</b></p><p>　　對(duì)于彈性軸受靜載荷作用的情況下，扭轉(zhuǎn)的許用切應(yīng)力與拉伸許用應(yīng)力有關(guān)，對(duì)于鋼材為：</p><

68、p>　　[] = (0.5~0.6) [] （3-4）</p><p>　　查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)的45鋼最大切應(yīng)力=88.23MPa，40Cr的最大切應(yīng)力=562.5MPa。當(dāng)最大扭矩Mmax=1000Nm時(shí)，根據(jù)上述的強(qiáng)度計(jì)算公式得出：</p><p>　　當(dāng)選用45鋼時(shí)，彈性軸直徑Dmin=78.64mm；</p>

69、<p>　　當(dāng)選用40Cr時(shí)，彈性軸直徑Dmin=27.58mm。</p><p>　　彈性軸所受壓力F引起的正壓力均勻分布在整個(gè)橫截面上。正壓力計(jì)算公式如下：</p><p><b>　　（3-5）</b></p><p>　　上式中，—FN產(chǎn)生的正壓力N/mm2</p><p>　　FN—彈性軸所受正壓力

70、N</p><p>　　A—彈性軸橫截面積mm2</p><p><b>　　D—彈性軸外徑mm</b></p><p><b>　　d—彈性軸內(nèi)徑mm</b></p><p>　　查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)的45鋼的許用壓應(yīng)力[]=235MPa，40Cr的許用壓應(yīng)力[]=937.5MPa。當(dāng)彈性軸受到最大壓

71、應(yīng)力Fmax=50000N時(shí)，根據(jù)上述正壓力計(jì)算公式得出：</p><p>　?。?） 當(dāng)選用45鋼時(shí)，彈性軸直徑Dmin=26.46mm；</p><p>　　（2） 當(dāng)選用40Cr時(shí)，彈性軸直徑Dmin=18.24mm。</p><p>　　根據(jù)對(duì)扭矩、壓力計(jì)算選擇不同材料時(shí)的最小直徑可得：當(dāng)選擇45鋼，內(nèi)徑d=10mm時(shí)彈性軸最小直徑Dmin=78.64m

72、m；當(dāng)選擇40Cr，內(nèi)徑d=10mm時(shí)彈性軸最小直徑Dmin=27.58mm。</p><p>　　綜合上述的設(shè)計(jì)計(jì)算，在滿足條件的前提下，從成本和結(jié)構(gòu)方面考慮，這次設(shè)計(jì)研究選用40Cr，在盡量保證安全的前提下，將彈性軸的直徑取稍微大的整數(shù)值，最后確定彈性軸的直徑為D=30mm。</p><p>　　根據(jù)對(duì)彈性軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和應(yīng)變片的粘貼方法，用NX UG5.0設(shè)計(jì)出彈性軸的三維圖和應(yīng)變片在

73、彈性軸上粘貼的位置。</p><p>　　彈性軸的結(jié)構(gòu)和應(yīng)變片的貼片如圖3-2所示：</p><p>　　圖3-2 彈性軸的結(jié)構(gòu)和應(yīng)變片的貼片</p><p>　　圖3-3 彈性軸的結(jié)構(gòu)和應(yīng)變片的貼片實(shí)物圖</p><p>　　4 檢測(cè)系統(tǒng)各部分電路設(shè)計(jì)</p><p>　　4.1 電橋電路設(shè)計(jì)</p&g

74、t;<p>　　4.1.1 電橋電路的選用</p><p>　　應(yīng)變片將彈性軸的形變轉(zhuǎn)換成應(yīng)變片電阻值的變化，進(jìn)而通過(guò)應(yīng)變片電橋電路將應(yīng)變片的形變量轉(zhuǎn)換成電壓或者電流信號(hào)的變化，然后用測(cè)量電壓、電流儀器表將數(shù)值測(cè)量出。這種形變量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)一般是通過(guò)電橋電路實(shí)現(xiàn)的，根據(jù)所用電橋電路所選用電源的不同，電橋可以分為直流電橋和交流電橋。本設(shè)計(jì)采用直流電橋電路，因其具有較高的抗干擾穩(wěn)定性，電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，

75、所以直流電橋電路應(yīng)用的比較廣泛。應(yīng)變片電橋電路原理圖如圖4-1所示：</p><p>　　圖4-1 應(yīng)變片電橋電路原理圖</p><p>　　圖4-1中，U為電源電壓，R1、R2、R3、R4為橋臂，VO為輸出電壓。若R1=R3=R2=R4時(shí)，VO=0稱為電橋的平橫狀態(tài)，電橋無(wú)輸出。</p><p>　　當(dāng)彈性軸因受到扭矩M、壓力F發(fā)生形變時(shí)，彈性軸上的應(yīng)變片電阻R

76、1、R3受拉應(yīng)力的作用；而R2、R4則受壓應(yīng)力的作用，打破原本平衡的電橋，此時(shí)Vo不再為0。當(dāng)電橋的供直流電電壓Ui，可用測(cè)量?jī)x器檢測(cè)出輸出電壓值Uo，則根據(jù)公式：</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　可計(jì)算出彈性軸所受扭矩值的大小。</p><p>　　式中，E—彈性軸材料的彈性模量（MPa）</p>

77、;<p><b>　　—軸材料的泊松比</b></p><p>　　D—彈性軸的外徑（mm）</p><p>　　K—應(yīng)變片的靈敏系數(shù)</p><p>　　本次課題設(shè)計(jì)的是扭矩—壓力復(fù)合型傳感器的設(shè)計(jì)，需要檢測(cè)五個(gè)信號(hào)，所以電路中有五個(gè)電橋電路，一個(gè)用于檢測(cè)彈性軸所受扭矩M，四個(gè)用于檢測(cè)彈性軸所受壓力F，所設(shè)計(jì)電橋電路的其中兩個(gè)應(yīng)

78、變片電橋檢測(cè)單元電路圖如圖4-2所示：</p><p>　　圖4-2 應(yīng)變片電橋電路圖</p><p>　　4.1.2 電橋的誤差分析</p><p>　　由于外界的干擾（例如溫度、噪音、震動(dòng)等），傳感器的輸出量會(huì)發(fā)生變化，常見(jiàn)的有溫度漂移、零點(diǎn)漂移。溫度漂移通常指的是工作的環(huán)境溫度發(fā)生變化，保證輸入量的大小不發(fā)生變化，但傳感器的輸出量發(fā)生了變化。零點(diǎn)漂移是指?jìng)?/p>

79、感器在無(wú)輸入時(shí)，其輸出值不為零值的現(xiàn)象。造成這種現(xiàn)象的主要原因是由于老化而使傳感器自身結(jié)構(gòu)參數(shù)發(fā)生變化。溫度漂移和零點(diǎn)漂移都可以通過(guò)串聯(lián)或者并聯(lián)合適的可調(diào)電阻來(lái)進(jìn)行減小或者消除。</p><p>　　4.2 信號(hào)放大電路的設(shè)計(jì)及誤差分析</p><p>　　4.2.1 放大電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　扭矩—壓力傳感器工作時(shí)是將非電量的扭矩、壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信

80、號(hào)。但由于應(yīng)變片傳感器電橋電路的供電電壓一般都很低，只有5V左右，而且應(yīng)變片形變量很小，電阻變化不大，所以電橋輸出電壓Uo值也很小，也就是說(shuō)獲取的電信號(hào)都很小，而且信號(hào)也不穩(wěn)定，波動(dòng)范圍比較大，往往還夾雜其他信號(hào)，例如，有很大的共模干擾信號(hào)成分，所以要想得到比較明顯而且穩(wěn)定的信號(hào)，就必須對(duì)傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行處理，這種處理方式就是把輸出信號(hào)輸送到放大器電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大處理。</p><p>　　根據(jù)設(shè)計(jì)要求選擇

81、合適的放大器，只能選擇功耗較低、漂移量較小、失調(diào)率低、增益性良好的放大器，才能使信號(hào)不失真進(jìn)行放大，從多方面考慮，本次設(shè)計(jì)選擇ML324作為放大器。ML324的引腳排列如圖4-3所示：</p><p>　　圖4-3 ML324的引腳排列圖</p><p>　　ML324單通道放大電路圖如圖4-4所示：</p><p>　　圖4-4 ML324放大電路圖</

82、p><p>　　4.2.2 放大電路的誤差分析</p><p>　　（1） 采用ML324作為放大電路可以得到比較高的增益，而且電阻的發(fā)熱也不會(huì)增加，所以降低了偏置電流對(duì)運(yùn)算放大結(jié)果的影響。</p><p>　?。?） 運(yùn)算放電大路的輸入失調(diào)電壓也會(huì)導(dǎo)致誤差，并且它與放大電路的放大倍數(shù)有關(guān)，這種誤差屬于靜態(tài)誤差，可通過(guò)調(diào)節(jié)Vr消除。</p><

83、p>　　4.3 單片機(jī)電路及硬件選取</p><p>　　一般情況下，使用51單片機(jī)比較廣泛，但是由于51 單片機(jī)的功能不是很強(qiáng)大，也不是很方便，所以本次研究選用的是STC IAP15F2K61S2單片機(jī)，STC IAP15F2K61S2單片機(jī)本身也是一種仿真器。</p><p>　　該單片機(jī)為1T8051單片機(jī)微處理器，在相同頻率下工作時(shí)，其運(yùn)算速度是普通8051的8~12倍，屬

84、于增強(qiáng)型8051內(nèi)核，有一個(gè)1個(gè)時(shí)鐘/機(jī)器周期。正常工作電壓為5.5V~3.8V，帶有低功耗設(shè)計(jì)：低速模式、空閑模式、掉電模式（可由外部中斷或內(nèi)部掉電喚醒定時(shí)器喚醒）。不需要外部復(fù)位、外部晶振，內(nèi)置高精度的R/C時(shí)鐘。其SRAM空間大小為2K，ROM程序空間大小為61K，有兩組高速異步串行通信端口UART及1組SPI、內(nèi)部EEPROM、高速A/D轉(zhuǎn)換、CCP/PCA/PWM功能，工作頻率可以達(dá)到28MHz正常工作溫度的范圍比較寬為-40

85、oC~80oC，有40個(gè)引腳。其實(shí)物圖和引腳圖如圖4-3所示：</p><p>　　圖4-3 STC IAP15F2K61S2單片機(jī)實(shí)物圖和引腳圖</p><p>　　IAP15F2K61S2單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖4-4所示：</p><p>　　圖4-4 IAP15F2K61S2單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　IAP15F2K61S

86、2單片機(jī)程序下載窗口如圖4-5所示：</p><p>　　圖4-5 IAP15F2K61S2單片機(jī)程序下載窗口</p><p>　　4.4 A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　由于IAP15F2K61S2單片機(jī)中內(nèi)置有高速的A/D轉(zhuǎn)化器，所以這里就不需要選擇另外的A/D轉(zhuǎn)換器。</p><p>　　4.5 LCD顯示電路及硬件選取

87、</p><p>　　為便于觀察和監(jiān)視單片機(jī)的工作情況，需要隨時(shí)讀取單片機(jī)的數(shù)據(jù)，這就需要顯示器將單片機(jī)的工作情況如輸入值等顯示出來(lái)。在單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)中，常用的顯示器主要有LED（發(fā)光二極管）顯示器和LCD（液晶）顯示器。這兩種顯示器具有耗電量少、成本低廉、配置靈活、線路簡(jiǎn)單、安裝方便、耐振動(dòng)和壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。本次課題研究設(shè)計(jì)選擇LCD1602作為扭矩—壓力檢測(cè)的顯示器。</p><p>

88、　　LCD1602采用標(biāo)準(zhǔn)的16腳接口，其中：</p><p>　?。?） 第1腳：GND為接地。</p><p>　?。?） 第2腳：VCC接5V電源正極。</p><p>　?。?） 第3腳：V0為液晶顯示器對(duì)比度調(diào)整端。當(dāng)V0接正電源時(shí)對(duì)比度最弱，V0接地電源時(shí)對(duì)比度最高。</p><p>　?。?） 第4腳：RS為數(shù)據(jù)寄存器選

89、擇。當(dāng)RS為高電平“1”時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器，RS為低電平“0”時(shí)選擇指令寄存器。</p><p>　　（5） 第5腳：RW為讀寫(xiě)信號(hào)線。當(dāng)RW為高電平“1”時(shí)進(jìn)行讀操作，RW為低電平“0”時(shí)進(jìn)行寫(xiě)操作。</p><p>　?。?） 第6腳：E(或EN)端為使能端。當(dāng)E(或EN)端為高電平“1”時(shí)讀取信息，當(dāng)E(或EN)端低電平“0”為時(shí)執(zhí)行指令。</p><p>

90、　?。?） 第7～14腳：D0～D7為8位雙向數(shù)據(jù)端。</p><p>　?。?） 第15～16腳：空腳或背燈電源。15腳背光正極，16腳背光負(fù)極。</p><p>　　LCD1602的外形圖如圖4-6所示：</p><p>　　圖4-6 LCD1602的外形圖</p><p>　　LCD1602與單片機(jī)連接圖如圖4-7所示：</

91、p><p>　　圖4-7 LCD1602與單片機(jī)連接圖</p><p><b>　　結(jié) 論</b></p><p>　　經(jīng)過(guò)對(duì)理論的分析和試驗(yàn)，本課題研究設(shè)計(jì)的扭矩—壓力復(fù)合傳感器，主要是將扭矩-壓力的檢測(cè)集在一個(gè)整體上，通過(guò)一個(gè)傳感器將軸類(lèi)參數(shù)的兩種指標(biāo)檢測(cè)出，這種復(fù)合型傳感器可以解決當(dāng)彈性軸同時(shí)存在扭矩、壓力的檢測(cè)問(wèn)題。該復(fù)合型傳感器有安裝

92、方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)檢測(cè)精度高等特點(diǎn)。</p><p>　　在扭矩、壓力的測(cè)量上，使用了應(yīng)變片從而實(shí)現(xiàn)了非電信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。在很大程度上減少了傳感器的機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，使傳感器安裝方便。</p><p>　　運(yùn)用單片機(jī)對(duì)電信號(hào)的處理，再經(jīng)過(guò)信號(hào)放大及調(diào)整，最后將檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示顯示器上，從而可以直觀的觀測(cè)到檢測(cè)的數(shù)據(jù)。</p><p>　　由于時(shí)間倉(cāng)促，本次課題設(shè)計(jì)只

93、完成了機(jī)械設(shè)計(jì)部分和電子設(shè)計(jì)部分的設(shè)計(jì)，還未來(lái)得及經(jīng)過(guò)調(diào)試做出實(shí)物，這是本次課題設(shè)計(jì)中最大的不足之處。</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　本課題的設(shè)計(jì)研究和研究生論文的撰寫(xiě)是在劉海老師的悉心關(guān)懷和指導(dǎo)下完成的。在論文的撰寫(xiě)過(guò)程中，劉海老師給我提了很多良好的改進(jìn)意見(jiàn)，他淵博的學(xué)術(shù)知識(shí)對(duì)我的影響很大，在指導(dǎo)我設(shè)計(jì)研究中，使我受益匪淺。在論文

94、寫(xiě)作過(guò)程中，劉海老師對(duì)我進(jìn)行了耐心的指導(dǎo)和幫助并且給我提出很多寶貴的的改進(jìn)意見(jiàn)，他不斷的引導(dǎo)我開(kāi)闊思路，發(fā)散思維，鼓勵(lì)我敢于創(chuàng)新、勇于創(chuàng)新。</p><p>　　在這三個(gè)月左右的畢業(yè)設(shè)計(jì)研究中，使我增長(zhǎng)了許多知識(shí)，畢竟我不是專(zhuān)業(yè)學(xué)電的，這個(gè)研究課題對(duì)于我來(lái)說(shuō)還是有一定的難度，但是在劉海老師的指導(dǎo)下，我打破重重困難，完成了畢業(yè)設(shè)計(jì)，使我學(xué)到了許多之前從未了解的關(guān)于電路信處理的知識(shí)。從他的身上我學(xué)到了很多知識(shí)，也學(xué)到

95、了很多做人的道理。在此，謹(jǐn)向劉海老師以及在論文完成過(guò)程中給與我?guī)椭娜酥乱猿绺叩木匆夂椭孕牡母兄x。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 戴文進(jìn)，陳瑛，楊莉．電機(jī)與電力拖動(dòng)基礎(chǔ)學(xué)習(xí)指導(dǎo)．北京：清華大學(xué)出版社， 2012．</p><p>　　[2] 劉海成．單片機(jī)及應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理與實(shí)踐．北京：

96、北京航空航天大學(xué)出版社，2009．</p><p>　　[3] 李廣弟，朱月秀．單片機(jī)基礎(chǔ)．北京：北京航空航天大學(xué)出社，2007．</p><p>　　[4] 別傳爽，陳強(qiáng)，李曉可等.單片機(jī)原理與應(yīng)用.北京：北京理工大學(xué)出版社，2010．</p><p>　　[5] 胡漢才．單片機(jī)原理及接口技術(shù)．武漢：清華大學(xué)出版社，2004．</p><

97、p>　　[6] 蔡朝洋．單片機(jī)控制實(shí)習(xí)與專(zhuān)題制作．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006．</p><p>　　[7] 雷于生，胡成松．C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)．北京：高等教育出版社，2009．</p><p>　　[8] 潘煉. 傳感器原理及應(yīng)用. 北京：電子工業(yè)出版社，2012．</p><p>　　[9] 李華，孫曉民等.MCS-51系列單片機(jī)使用接口技術(shù)

98、.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1993．</p><p>　　[10] 來(lái)清明．傳感器與單片機(jī)接口及實(shí)例．北京：北京航空航天大學(xué)出版社， 2008．</p><p>　　[11] 周永軒，袁芳，高鵬毅等．電工電子學(xué)．武漢：華中科技大學(xué)出版社，2002．</p><p>　　[12] 范欽珊，章梓茂，殷雅俊.材料力學(xué). 北京：高等教育出版社，2011．<

99、/p><p>　　[13] Distributed Sensor Systems:Practice and Applications.Habib F.Rashvand&Jose M.Alcaraz Calero&Joseph R.Thomas,2012．</p><p>　　[14] Automatik, vol. 14, No. 1, Jan Bad Worishofen

100、 DE, Die Auswahl geeigneter DMS by K. Hoffman,1991．</p><p>　　[15] R. Dye, Visual Object-Orientated Programming, Dr. Dobbs MacintoshJournal, Sept. 1st, 1991</p><p>　　附錄1 彈性軸三維圖及應(yīng)變片粘貼位置</p>

101、;<p>　　附錄2 彈性軸的結(jié)構(gòu)和應(yīng)變片的貼片實(shí)物圖</p><p>　　附錄3 應(yīng)變片電橋圖</p><p>　　附錄4 ML324放大電路</p><p>　　附錄5 單片機(jī)與LCD顯示器連接圖</p><p>　　附錄6 單片機(jī)程序代碼</p><p>　　#include "

102、STC15F2K60S2.h"</p><p>　　#include "UART.H"</p><p>　　#include <intrins.h></p><p>　　uint GetADC;</p><p>　　#define URMD 0 //0:使用定時(shí)器2作

103、為波特率發(fā)生器</p><p>　　//1:使用定時(shí)器1的模式0(16位自動(dòng)重載模式)作為波特率發(fā)生器</p><p>　　//2:使用定時(shí)器1的模式2(8位自動(dòng)重載模式)作為波特率發(fā)生器</p><p>　　#define ADC_POWER 0x80 //ADC電源控制位</p><p>　　#define AD

104、C_FLAG 0x10 //ADC完成標(biāo)志</p><p>　　#define ADC_START 0x08 //ADC起始控制位</p><p>　　#define ADC_SPEEDLL 0x00 //540個(gè)時(shí)鐘</p><p>　　#define ADC_SPEEDL 0x20

105、 //360個(gè)時(shí)鐘</p><p>　　#define ADC_SPEEDH 0x40 //180個(gè)時(shí)鐘</p><p>　　#define ADC_SPEEDHH 0x60 //90個(gè)時(shí)鐘</p><p>　　void UAS(uint Data,uchar *p);</p><p

106、>　　void Delay(uint n);</p><p>　　void InitADC();</p><p>　　uchar ch = 3; //ADC通道號(hào)</p><p>　　void main()</p><p><b>　　{</b></p>

107、<p>　　uchar tmp[]="0123456789";</p><p>　　uchar out[5]="0000";</p><p><b>　　P2=0x01;</b></p><p>　　InitADC(); //初始化ADC</p&g

108、t;<p>　　IE = 0xa0; //使能ADC中斷</p><p><b>　　//開(kāi)始AD轉(zhuǎn)換</b></p><p>　　InitUART(); //初始化串口</p><p>　　SendString("All OK now!!

109、!\r\n\r\n") ;</p><p><b>　　while (1)</b></p><p><b>　　{</b></p><p>　　SendString("The ADC Num is: ");</p><p>　　SendData(tmp[ch])

110、;</p><p>　　SendString(" - ") ;</p><p>　　UAS(GetADC,out);</p><p>　　SendString(out);</p><p>　　SendString("\r\n\r\n");</p><p>　　Delay(

111、150);</p><p><b>　　ch++;</b></p><p>　　if(ch>5) ch=3;</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　/*-----------------

112、-----------</p><p><b>　　ADC中斷服務(wù)程序</b></p><p>　　----------------------------*/</p><p>　　void adc_isr() interrupt 5 using 1</p><p><b>　　{</b></

113、p><p>　　ADC_CONTR &= !ADC_FLAG; //清除ADC中斷標(biāo)志</p><p>　　GetADC=(ADC_RES<<2)| (ADC_RESL&0xFC);</p><p>　　ADC_CONTR = ADC_POWER | ADC_SPEEDLL | ADC_START | ch;</p>