基于LABVIEW与单片机的动态扭矩测量系统设计.doc

发布时间：2022-06-01 发布人：admin 分类：说明书资料大小：0.85M 资料格式：doc 举报版权申诉

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1绪论

1.1选题的目的及研究意义

1.2扭矩测量简介

1.2.1扭矩测量的研究现状及应用领域

1.2.2扭矩测量的发展趋势

1.2.3扭矩测量的研究方法

1.3课题的研究内容和研究方法

1.3.1课题的研究内容

1.3.2课题的研究方法

2检测装置的总体方案

2.1检测装置整体系统框图

2.2电阻应变片及扭矩测量的基本原理

2.2.1电阻应变片的基本原理

2.2.2扭矩测量的基本原理

2.3 应变片的选用

2.4导电滑环及滑臂电刷的选用

2.5各部分功能介绍

3扭矩检测系统各部分电路的设计

3.1电桥电路

3.1.1电桥电路的选用

3.1.2电桥电路的精度误差分析

3.2放大电路的设计及硬件选用

3.2.1放大电路的设计

3.2.2放大芯片的选用

3.3低通滤波电路的设计

3.4 A/D转换电路的设计

3.5串口电路

4动态扭矩测量系统的软件设计

4.1单片机程序流程图设计

4.2模块化设计

4.2.1数据采集模块

4.2.2数据处理与发送模块

4.3 labview程序设计

4.3.1前面板设计

4.3.2程序框图设计

4.3.3 各模块程序框图设计

4.4软件联调

5误差分析

5.1数据分析

5.2可靠性分析

6结论与讨论

6.1结论

6.2讨论

致谢

参考文献

陕西理工学院毕业设计论文动态扭矩测量装置设计（软件部分）（陕理工机械工程学院测控技术与仪器专业 082 班，陕西汉中 723003）指导教师：张士勇 [摘要] 本课题基于应变片扭矩测量的基本原理,利用应变片设计了基于 labview 的动态扭矩测量系统。由于电桥输出的电信号强度较弱而且容易受到干扰等问题,设计了信号处理电路,使用运算放大器对信号进行放大处理,滤波和整形电路的设计,减少了外界干扰和脉冲的抖动,有效地保证了测量结果的准确性。下位机部分以 12 位 AD 芯片来采集数据, 并通过单片机将数据发送至上位机。上位机部分则利用 LabVIEW 软件来设计虚拟软面板,经过串口通信程序接收来自下位机的数据,并实现了实时波形显示、历史数据调用和数据处理等功能。通过实验和数据分析可以看出,整个测量系统工作稳定,实时性好,测量结果有较高的精度。关键词：扭矩传感器单片机数据采集串口通信 LabVIEW

陕西理工学院毕业设计论文 Dynamic torque measuring device design (software part) (Grade08，Class2，Major Measuring and control technology and instrumentation specialty，College of Mechanical engineering，Shaanxi University of Technology，Hanzhong 723003，Shaanxi） Tutor: Zhang shi yong Abstract: This topic is based on the strain gauge measurement torque, the basic principles of the strain gauge use was designed based on the dynamic torque labview measuring system. Because the electric signals of electric bridge output intensity is weak and vulnerable to interference, design the signal processing circuit, the use of operational amplifier amplification of signal processing, filter and plastic circuit design, reduce the interference and pulse dithering, effectively ensure the accuracy of the measurement results. A machine part under 12 of the AD in the chip to collect data, and through the microcontroller will send first place machine data. The upper machine part use LabVIEW software to design the virtual soft panel, after serial interface communication program receive from a machine of data, and realize the real-time waveform display, historical data calls and data processing etc. Function. Through the experiment and data analysis, we can see that the whole measuring system stable work, good real-time, the measurement result is of high accuracy. Key words: Torque sensor microcontroller communication Labview Data acquisition Serial

陕西理工学院毕业设计论文目录 1 绪论.............................................................................................................................. 1 1.1 选题的目的及研究意义......................................................................................1 1.2 扭矩测量简介......................................................................................................1 1.2.1 扭矩测量的研究现状及应用领域...........................................................1 1.2.2 扭矩测量的发展趋势...............................................................................2 1.2.3 扭矩测量的研究方法...............................................................................2 1.3 课题的研究内容和研究方法..............................................................................3 1.3.1 课题的研究内容.......................................................................................3 1.3.2 课题的研究方法.......................................................................................4 2 检测装置的总体方案........................................................................................... 5 2.1 检测装置整体系统框图......................................................................................5 2.2 电阻应变片及扭矩测量的基本原理..................................................................5 2.2.1 电阻应变片的基本原理...........................................................................5 2.2.2 扭矩测量的基本原理...............................................................................7 2.3 应变片的选用.....................................................................................................8 2.4 导电滑环及滑臂电刷的选用..............................................................................9 2.5 各部分功能介绍................................................................................................11 3 扭矩检测系统各部分电路的设计................................................................ 12 3.1 电桥电路............................................................................................................12 I

陕西理工学院毕业设计论文 3.1.1 电桥电路的选用.....................................................................................12 3.1.2 电桥电路的精度误差分析.....................................................................14 3.2 放大电路的设计及硬件选用............................................................................15 3.2.1 放大电路的设计.....................................................................................15 3.2.2 放大芯片的选用.....................................................................................17 3.3 低通滤波电路的设计........................................................................................17 3.4 A/D 转换电路的设计.........................................................................................19 3.5 串口电路............................................................................................................23 4 动态扭矩测量系统的软件设计..................................................................... 25 4.1 单片机程序流程图设计....................................................................................25 4.2 模块化设计........................................................................................................26 4.2.1 数据采集模块.........................................................................................26 4.2.2 数据处理与发送模块.............................................................................28 4.3 labview 程序设计...............................................................................................31 4.3.1 前面板设计.............................................................................................31 4.3.2 程序框图设计.........................................................................................32 4.3.3 各模块程序框图设计............................................................................32 4.4 软件联调............................................................................................................36 5 误差分析.................................................................................................................. 40 5.1 数据分析............................................................................................................40 5.2 可靠性分析........................................................................................................41 II

陕西理工学院毕业设计论文 6 结论与讨论............................................................................................................. 43 6.1 结论....................................................................................................................43 6.2 讨论....................................................................................................................43 致谢................................................................................................................................44 参考文献......................................................................................................................45 III

陕西理工学院毕业设计论文 1 绪论 1.1 选题的目的及研究意义随着生产和科学技术的迅速发展，测量和试验技术作为涉及多种学科的综合科学技术，正在形成独立的学科体系。扭矩是工业生产过程中的重要参数，为了保证生产正常进行，必须对扭矩进行检测和控制。扭矩的测量是各种机械产品的开发研究、测试分析、质量检验、型式鉴定和节能、安全或优化控制等工作中所必不可少的内容。例如在各种发动机的研制和调试过程中，需要知道发动机的性能是否满足要求以及是否正常运行，这就需要对扭矩进行测量。其次，在各种电机的运行过程中往往需要设置一个扭矩的上限值，以确保电机的安全运行，通过对扭矩和的测量，当超过上限值时发出报警信号以提醒用户进行相应的操作。 1.2 扭矩测量简介 1.2.1 扭矩测量的研究现状及应用领域目前，扭矩测量仪大致可分为以下几种：应变扭矩测量仪，相位差扭矩测量仪，振弦式、电容式、磁弹性式测量仪。由于各种扭矩测量仪的测试方式不同，使得其应用范围不同。扭矩测量技术的发展取决于传感器、信号传输和测量仪的研究。目前，由于微机的应用，扭矩测量仪性能大大提高，而传感器的研究与测量仪相比稍有逊色。因此必须加强传感器的研究，这就要从传感器种类、精度、规格、安装、信号传递等方面加以研究。目前传感器主要发展动：传感器从介入式发展成不介入式。以往扭矩传感器大部分属于介入式，即必须作为传动轴一部分才能使用，这样限制了它的应用范围，一般用于实验室、台架测量。现在逐渐推广的卡环式应变型扭矩传感器，即为不介入式扭矩传感器，只要将传感器卡在轴上或安装在轴边，无须断开轴系，这样给实际工况测量扭矩带来很大的方便。再如振弦式传感器、磁弹性传感器都属于不介入式扭矩传感器。在信号传输方面，以往采用的是接触式滑环传输，这种传输方式易磨损、需常清洗、安装难，容易引入干扰信号。近期推出的传感器一般均为无接触式传输。如感应方式或遥测体制，它克服了接触式传输的缺点。第 1页共 45 页

陕西理工学院毕业设计论文 1.2.2 扭矩测量的发展趋势随着各种被测系统复杂性和自动化程度的不断提高，扭矩测量方法也在不断地推陈出新，目前扭矩测量方法的发展趋势主要体现在以下几个方面：（1）向直接测量扭矩的方向发展；（2）向动态在线扭矩测量的方向发展；（3）向多功能扭矩测量的方向发展；（4）向扭矩优化测量的方向发展；（5）向数字化智能化网络化扭矩测量的方向发展； (6) 扭矩传感器新技术的不断涌现为扭矩测量方法的适时更新提供了新途径。 1.2.3 扭矩测量的研究方法测量扭矩按照它的基本原理可以分为以下 3 种方法：测应变测扭矩、测转角测扭矩及测、作用力测扭矩。 1 测应变测扭矩测应变测扭矩是一种常规的扭矩测量的手段。该方案首先测量旋转轴表面的应力应变值，再将测量值代入相应的力学公式折算，最终获得旋转轴上承受的扭矩大小。从第一枚应变片设计成功至今，应变计已经从原先单一的电阻式应变计逐渐发展成为利用多种物理原理制成的应力敏感元件，例如:声表面波传感器、逆磁致伸缩材料传感器、压电式扭矩传感器等。 2 测转角测扭矩测转角测扭矩是一种特别适合细长旋转轴的扭矩测量方案。该方案多是在旋转轴的同轴方向上加装柔性扭杆，通过测量扭杆旋转的相对角度测量扭矩。已有的测转角测扭矩的方案有:电磁式测转角测扭矩、光电式测转角测扭矩、激光式测转角测扭矩、电容式测转角测扭矩等。 3 测反作用力测扭矩第 2页共 45 页

陕西理工学院毕业设计论文测反作用力测扭矩是通过测量制动扭矩(为阻止电动机的旋转而施加的反扭矩，该扭矩就叫做制动扭矩)测扭矩的一种扭矩测量方案，这种方法有一定的局限性，只能测静态力矩。采用这种方案的扭矩测量案例有:扭力扳手、静态扭矩实验测量装置等。扭矩测量的具体实现方法：（1）电容器法，由于受到安装位置的限制,仅适用于测杆端的位移，目前已很少采用；（2）速度计法，主要是根据电磁感应原理测量压杆表面的质点速度,由于技术上的问题较多 ,该方法尚未普及；（3）衍射光栅法，它要在试件上刻蚀条以上的光栅，并需配备等待式高速摄影机,难度较高；（4）电阻应变片法，这是目前最主要的测量方法。沿扭力轴的轴向±45°方向分别粘贴 4 个应变片，组成全桥电路的四个桥臂，用以感受同向的最大正应变。当扭力轴受扭时，应变片的电阻率发生变化，电阻的变化通过电桥输出与外加扭矩成正比的电压信号，然后经适当的方式将该电压的信号引出，通过处理后便可计算出外加扭矩。这种扭矩传感器使用范围广，能测量瞬时扭矩及起动扭矩(动态测量)，而且结构简单，测量准确度高；但抗干扰能力较差,温度、湿度以及粘接剂等对准确度都有影响。应变式扭矩传感器的信号传输技术是这类传感器的关键技术，业内已有 3 种成熟的传输方法，解决高速旋转工况下，激励电源输入到应变桥路及信号输出到显示仪表所存在的传输问题。 1.3 课题的研究内容和研究方法 1.3.1 课题的研究内容  传感器采用电阻应变片，此传感器抗振动、耗能低、性能稳定可靠、使用寿命长等优点，适合转速低且要求转速测量精度高和进行角度测量的场合使用。  研究动态扭矩测量的原理，针对现有测量方法的优缺点，提出最佳的测量。  通过研究和计算，确定扭矩传感器传动轴的材料和结构参数。  针对现有的动态扭矩传感器在电源输入方式上的缺陷，通过研究和论证提出新的信号传递方式。第 3页共 45 页

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