（机械制造及其自动化专业论文）基于虚拟仪器的转矩、转速、测量仪的研究与应用.pdf

重庆大学硕士学位论文 摘要 abs t ract t o r q u e， ro t a t i n g s p e e d a n d p o w e r m e as u r e m e n t a re f u n d a m e n t a l t o t h e t e s t i n g w o r k o f a ll m e c h a n i c a l p ro d u c t s . t h e p a p e r f i r s t ly a n a l y s i s t h e c h a r a c t e r is ti c s o f t r a d i t i o n a l i n s t r u m e n t s o f t o r q u e， r o t a ti n g s p e e d a n d p o w e r m e as u rem e n t , e s p e c i a 衍 t h e s h o r t a g e o f e a c h k i n d . t h e n i t i n t r o d u c e s t h e f o r m a ti o n a n d f e a t u re s o f v i ( v ir t u a l i n s t r u m e n t ) ,w h i c h p rov e s t o b e t h e n e w i n s t r u m e n t a l m a n u f a c t u re m e t h o d i n n e a r f u t u re . i n t h i s p a p e r , t h e a u t h o r e x p o u n d s t h e l o g ic a l f r a m t e c h n i q u e s i n b o t h s o f t w a re a n d h a r d w a re . t h e( o b j e c t - o r i e n t - p rog r a 叫 me t h o d a n d g r a p h i c a l p ro c e s s i n g t e c h n i q u e s o f o p e n g l a r e a p p li e d t o f o r m t h e v i w i t h l i f e l i k e i n t e r f a c e . t h e a u t h o r , i n e x p e r i m e n t , i n t e g r a t e s t h e t w o t e c h n i q u e s s o as t o f o r m t h e v i r t u a l i n s t r u m e n t o f t o r q u e a n d p o w e r m e as u re m e n t as i n t r o d u c e d a b o v e . i n a d d i ti o n , t h e l o g i c a l f r a m e w o r k a n d s o f t w a re d e s i g n i n g m e t h o d a re a ls o p ro p o s 喊 l e a d in g t o t h e a p p li c a b l e p rog r a m i n t e r f a c e a n d m e a s u r e d d a t a 加t h e c o n c l u s i o n p a rt . l as t b u t n o t l e a s t , a m e a n i n 响. c a l i b r a ti o n a n d o n t h e s p o t t e s t i n g i s d o n e . t e s t i fi e d i n a p p li c a ti o n , t h e n e w i n s t r u m e n t i s 尔f o r p o p u l a r i z a ti o n f o r i t s l o w c o s t a n d s u p e r b a d v a n t a g e s 恤f u n c ti o n， p re c i s i o n ,e ffic i e n c y a n d e x t e n s i o n . i n t h e e n d , t h e a u t h o r e x t e n d e d a n d l a y o u t e d t h e v i r t u a l t o r q u e m e as u re m e n t t o f o r m a m e c h a n i c a l e ffi c i e n c y v i a n d a m e c h a n i c a l p a r a m e t e r t e s t i n g s y s t e m . t h e t o r q u e v i i n t rod u c e d 抽t h i s p a p e r is a s u c c e s s f u l a t t e m p ti o n t o r e a l i z e h o m e m a d e v i w h i c h i s s p a r k p l u g e d b y p r o . q in s h u re n . t h i s v i i s a c c o m p l i s h e d勿 t h e a u t h o r h i m s e l f w i t h o u t u s i n g t h e o v e r s e as g r a p h i c a l p rog r a m e n v i ron m e n t . i t i s a b s o l u t 吻 h o m e m a d e v i w it h o w e n k n o w l e d g e r i g h t . t h i s is t h e i m p o r ta n t c h a r a c t e r is ti c o f t h is p a p e r . k e y w o r d s : t o r q u e vi 州 恤a l rot a t in g s p e e d p o w e r 重庆大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章 绪论 1 . 1 引言 转矩、转速、功率测量是各种机械产品的 研究开发、 测试分析、 质量 检验、安全或优化控制等工作中 所必不可少的内 容。 通过测量机械设备的 转矩、转速、功率，可以分析和研究零件、机构或结构的受力状况和某些 物理现象的机理。因此， 他对发展 设计理论， 保证安全运行及实现自 动检 测、自 动控制都有重要作用。 转矩、转速、功率测量装置已 成为科研单位、大专院校、工厂实验室 或检验部门的必备测试工具。 对于 工业传动系统， 如 大型发电 机组， 汽车、 摩托车、 变速箱等， 要知悉其功 率、 传动效 率， 也 必需首 先测量转矩等参 数。而目 前转矩测量主要用转矩表显示， 或通过箱式 硬件仪表， 把传感器 输出的信号通过硬件电 路计算后用数码管显示出 来。 这些方法经过多年的 研究和实践在各地得到了 广泛应用。 其优点 是测量稳定， 单台 体积小， 操 作简单。 但随 着用 户要求的 提高 这些 方 法 越来 越不能 满 足 需 要。 1 )功能单一， 只能 显示数 据， 不能 显 示和 打印 波形， 更 无分析功能。 2 )存贮容 量小， 不能 存 放实 时 监 控的 大 量 数 据。 3 )测量多 路信号时， 需 完全 独 立的 多台 转 矩仪， 体 积 大，占 用空间 大， 用户同 时照看多台 仪 器易 产生读数错误。 4 )价格昂 贵， 特别 是 测量多 路 转 矩时， 需 相同 仪 器 若 干 套。 5 ) 仪器除了 测量转矩、 转 速、 功率 外， 不能它用。 句 不具开 放性， 功能 不能 增 减， 难以 对本 机升 级， 一 旦 过时 基 本 上 无改造价值。 随着计算机技术的飞 速发展， 基于计算机的 虚拟仪器技术将取代传统 的箱式硬件仪表。 硬件仪器所面 临的 上述问 题将得到圆 满的 解决. 本文运 用先进的软件技术，开发出 基于虚拟仪器的 转矩、 转速、功率测量系统， 解决了传统转矩仪的不足， 并增强了 其功能。 工程实践表明， 虚拟式转矩、 转速、 功率测试仪无论在功能、 精 度上 还是在美 观、 操作性上都优于传统 转矩仪。进而由 此扩展的机械效率测试仪、 机械参数测量仪将为低频机械 量提供一个先进的 现代测试系统. 本课题是国家自 然科学基金资助项目 - - 集成测试虚拟式机械动态测试 仪系统的研究 ( 批准号: 5 9 8 7 5 0 9 0 ) 的一个子系统， 将为该基金项目 增添一 类虚拟测试仪。 重庆大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2虚拟 仪器技 术 ，一 12 1 . 2 . 1 概念及现状 虚拟仪器 ( v i rt u a l i n s t r u m e n t ) 技术是计 算机和测试技术共同 孕育和发 展的产物，它是充分利用计算机的软、硬件资源， 借助一定的 模块化功能 插卡和软件模块来完成传统电测功能的一类全新概念的智能化仪器系统， 是虚拟技术的重要组成部分。 虚拟仪器 ( v irt u a l in s t r u m e n t ) 是日 益发展的 计算机硬件、 软件和总线 技术在向其他技术领域密集渗透的 过程中，与测试技术、仪器技术密切结 合，共同孕育出的一项新成果。1 9 8 6年美国的国家仪器公司 ( n a t i o n a l i n s t r u m e n t s c o r p o r a t io n简称n d首 先 提出 了 虚拟 仪 器的 概念。 这一 概念的 核心是: 以计算机作为仪器统一的 硬件平台， 充分利用计算机独具的 运算、 存储、回放、调用、显示以及文件管理等智能化功能，同时把传统仪器的 专业化功能和面板控件软件化， 使之与计算机结合起来融为一体，这样便 构成了一台从外观到功能都完全与传统硬件仪器相同，同时又充分享用计 算机智能资源的全新的仪器系统。由 于仪器的专业化功能和面板控件都是 由 软件形成，因 此国际 上把这类新型的 仪器称为“ 虚拟仪器” 或称“ 软件 即仪器” 。自2 0 世纪8 0 年代以 来， n i 公 司已 研伟 少 和推出了 多 种总线系统 的虚拟仪器，特别是它推出的l a b v i e v v图 形编程环境已 享誉世界，成为 这类新型仪器开发系统的世界生产大户。 在n i 公司之后， 著名的美国惠普 ( h p )公司紧紧跟上。 该公司 推出h p v e e 编程系统可提供数十至数百 种 虚拟仪器的组建单元和整机，用户可用它组建或挑选自 己 所需的仪器。除 此之外，世界上陆续有数百家公司， 如t e k t r o n ix 公司、 r a c a l 公司等也相 继推出了多种总线系统多达数百个品种的 虚拟式仪器。 作为仪器领域中最 新兴的技术，虚拟式仪器的研究、开发在国内已经过了 起步阶段。从 9 0 年代中期以 来，国内的 重庆大学、 哈尔滨下 0大学、西安夺诵大学、西安 电子科技大学、成都电子科技大学、中科泛华电子科技公司等院校和高科 技公司， 在研究和开发虚拟仪器产品 和虚拟仪器设计平台以 及引 进消化n i 公司、 h p 公司的 产品等方面做了 一系 列有 益工作， 取得了 一 批瞩目 的 成果。 相信在不久的将来，国内 将会推出 种类更多、性能更优、功能更强的并具 有自 主版权的虚拟仪器产品。 虚拟仪器的出现和兴起，改变了 传统仪器的概念、模式和结构，改变 了人们的仪器观! 据 “ 世界仪表与自 动化” 杂志报导， 2 1 世纪初叶， 虚拟 仪器的生产厂家将超过千家，品 种将达到数千种， 市场占 有率将占 到电 测 仪器的5 0 ! 这一预测对整个仪器仪表领域， 不舍是一次强烈的震撼! 使 从事电测仪器、分析仪器科学技术研究与开发的科学家和工程师们都看清 了虚拟仪器对传统仪器的巨大挑战， 认识到在2 1 世纪虚拟仪器不仅无容争 重庆大学硕十学位论文 第一章绪论 1 . 2 . 3 虚拟仪器的特点 由于虚拟式测试仪器以 计算机为硬件支撑，计算机技术的先进性， 使 它与传统仪器相比具有一系列无可比 拟的 优越性。 1 )功能的集成性。从数据采集到处理分析，结果打印， 数据存贮， 需要多台传统仪器协同工作。虚拟仪器则不同，一台台 传统仪器在这里变 成了 功能插卡和软件模块。需要什么功能， 只需在微计算机的总线插槽内 插接相应的板卡， 在存贮器内装入仪器的功能软件， 然后调用相应的软件 模块，就能方便的 将多台 仪器的 功能 集 成在一起。 这不仅是用一台 计算机 便代替了多台传统仪器，而且还免去了 过去那种多台 传统仪器之间相互联 接的麻烦。 2 ) 方便性。 方便性得益于 集成 性。 在测试过 程中 ， 能 方便的 实 现从 数据采集、 存贮到波形显示、 数 据分 析、结 果打印 等一 系 列工作。 大容量 存贮设备的采用，使得数据保存不成问 题， 对在线测试和多 次测试有 利， 可 保 存多次 测得的 全部 数 据， 以 便随 时 调用分析; 也可对某一对象进行多次 测试， 并得数据存贮，以 得到更准确 的分析结果和统计结果。 对于野外( 户外) 测量， 采用虚拟仪器更为方便， 不必携带大量笨重而又昂贵的精密仪器， 只需使用一台体积小、 重量轻的 便携电 脑，便代替了 众多烦重的仪器， 使测试工作变得轻松而又简单。 3 ) 经济性。 性能 优秀的 传统仪 器产品开 发周期长， 成本高， 容易过 时;对于用户，则意味着高价格， 和要求较高的日 常维护和保养。 特别是 测多项参数 ( 如机械效率、 温升、 油 耗) 需要多台 仪器 ( 两台 转矩仪、 一 个测温仪，一个油耗仪) ， 价格昂 贵且只能测指定参数而不能它用。由 于 计算机软硬件技术的发展， 特别是可视化编程语言的出 现， 开发容易， 周 期较短; 从用户方面来说， 软 件部 分基本不需要什么维护， 各硬卡也 和微 机显卡、声卡一样，保管和使用都非常方便。 4 ) 易更新性。 传统仪器是 封闭 系 统， 一旦 过时， 基 本无更新改 造价 值， 造成资源的浪费; 而虚拟仪器则是开 放系统， 稍加删除即 可形成性能 更新的仪器，而且始终可跟得上计算 机技术的发展。 5 ) 开 放性。 计 算 机 可 很 容 易 地 实 现 功能 扩 展， 适当 增 加软 件 模 块和 硬件插卡就可多一类仪器功能。 将卡插在微机主板插槽中， 安装相应的软 件部分即可使用。 6 ) 易 用性。 计 算机 作为 普 遍的 工 具 具 有 广大 的 用 途， 这 给 虚 拟仪 器 的推广提供了广泛的基础， 它使不熟悉传统仪器使用方法的用户也能进行 测试工作。 只要他会用计算机， 就可以 在计算机友好、 周到的帮 助下， 完 成测试工作和对数据进行分析。 依靠计 算机为 基础的 虚拟仪器为用户提供 重庆大学硕士学位论文 第一章绪论 了传统仪器无法提供的方便和好处。 7 ) 用户中 心性。 传统的测 试 仪器 其功能 特性是 有 仪器 生产厂 家确定 的， 用户只能按厂家规定使用而不能改变仪器。 虚拟仪器给了用户更大的 自由，可按自己的意愿组建所需要的- 起这比 传统仪器，有很大的 进步。 1 .2 .4 虚拟仪器的发展 重庆大学机械学院测试中心在秦树人教授的带领下，在对虚拟仪器进 行研究开发的同时，将虚拟仪器与制造业结合，提出了 一系列新的 观点， 认为2 1 世纪的仪器产品 应具有新 特点。 1 ) 2 1 世纪的 仪器产品应具 有鲜明的 个性 对于不同类型的产品具有不同的 个性应该是自 然而然的事。 而即使是 同 类型产品不同的个别，也 应有不同的个性。 例如目 前全世界生产的 f f t 动态信号分析仪， 无例外的都具有时 域、 幅值域、 频域( 频谱) 、 传递相干、 互谱、 相关等分析功能。 将这些大功能 模块细化后可以 多达上百个功能。 但是用户真正需要用的功能往往不要这么多， 而且不同的 用户还要根据自 己 不同的 用途， 在这上百种功能中 选择自己 需要的 那几种. 显然传统硬件 仪器无法满足用户的这一要求，它们对所有的用户都是一样，上百个功能 随仪器产品一下子卖给您，不管你对 这众多的 功能是否都用得着! 说不定 有用户只需要用其中的5 个或1 0 个功能， 但却 必须花购买上百个功能的 钱! 虚拟式仪器由 于系统是开放的， 可以 满足用户提出的 对功能 设置、 功能增 减的任何要求。因此虚拟仪器符合具有个性的这一特点。 2 ) 2 1 世纪的 仪器产品 应上具 有参与性 这里所说的 参与性主 要是指用户可参与 仪器产品的 设计、 制造、 维修 等全过程。 对于传统硬件化仪器产品， 其设计、 制造是专家和制造厂的事， 用户虽然可以提出某些意见和要求， 但不可能立即实现。而且用户也不大 可能参与产品的设计与制造。用户能做的事就是使用好已买回去的 ( 绝不 可能随意改动的)仪器产品。图3 所示的 虚拟仪器系统结构可知， 对于虚 拟仪器，用户不仅可以参与、可以 提出 意见、 提出 要求， 而且可以自 行定 义、自 行设计和制造。虚拟仪器是最具参与性特点的 产品。 3 ) 2 1 世纪的 产品 应具 有 快的 响 应 速 度 响应速度是相对于技术进步和市场需求而言的。 毫无疑问， 虚拟仪器 作为一种以软件为主体的产品， 在 跟踪技术进步和市场需要方面、 在更新 换代和预测维修方面， 其响应速度 ( 包括产品生产周期和产品更新换代周 期) 是软件与硬件的 较量， 显 然软 件产品的 响 应速度是传统硬件产品 完全 不能比拟的。因此，虚拟仪器具有响应速度快的特点。 4 ) 2 1 世纪的产品应最大限 度绿色化 重庆大学硕士学位论文 第一章绪论 保护环境和节省能源是 2 1 世纪人类共同的 战略任务， 制 造业必须承 担起消除污染、保护环境、节约能 源和资源的责任。当仪器设备的制造从 硬加工转变为软加工后，其在硬加工中消耗的大量能源和大量原材料 ( 资 源) ， 以及在制造、 包装、 运输、 使用过程中 产生的一切污染( 废物、 废气、 废水和噪声) 都将被消除， 从而 使虚拟仪器成为一类典型的绿色化产品。 除去上述主要特点外， 虚拟仪器还具有以 下若干与传统硬件仪器不同 的特点。 ( 1 ) 由 于软 件化和集成性使 虚拟仪器成 为科技信息含量高， 投入人力、 财力、 物力少， 而产出却 很高的 现代化高科技产品。 这样的产品 不仅在技 术上完全演变成为信息化产品，而且制造工艺，制造成本与传统硬件化仪 器比 较都发生了 质的变化。 ( 2 )在制造工艺方面:实现了软加工，软装配和软调试， 使整个工艺 设计变为程序编制， 而作为数据交换接口 的硬件则实现了 模块化和标准化。 ( 3 )由于仪器以软件为主，硬件制造大大减少，故成本和销售价都大 大降低，故用户面将大大增加， 市场竞争力大大提高。 ( 4 )由 于 计 算机成为仪器统 一的 硬 平台 ， 使我国电 测仪 器的 水 平与 发 达国家的差距大大缩短 ( 因我国与发达国家仪器水平的差距主要就是硬 件) 。 ( 5 )由 于虚拟仪器是软件化仪 器，因 此整个软件技术的 发展都将促使 虚拟仪器的发展， 任何最新的软件成果都可以 被虚拟仪器采用，因此虚拟 仪器将乘着整个信息业的翅膀， 不断 进步， 永远保持先进的 水平。 1 . 3 转矩、 转速、 功率 测 试的国内 外 现状1137一 32 转矩测量技术包扩两 方面:一是 传感器， 二是测 量系统。 1 . 3 . 1 传感器 目 前， 转矩 传感器的 状况 如 表1 . 1 所示 029 1 。 转 矩传 感 器主 要有 两大 类， 第一类通过磁电 感应获取信号的 磁 ( 齿) 栅式 转矩传感器如德国h b m的 t 3 2 f n , t 3 4 f n ，日 本小野测器和中国 湘西仪表厂均有生产。 这类传感器 输出 信号的本质是两路相差角位移信号，需要对信号进行组合处理才能得 到转矩信息。它是非接触式传感器， 无磨损、无摩擦， 可用于长期测量。 但体积大，不易安装，不能测静止转矩， 低于6 0 0 转时， 须背负小电 机补 偿转速，操作复杂等。第二大类是是以电阻应变片为敏感元件，如德国的 h b m公司的t 1 , t 2 , t 4 系列转矩传感器， 北京的三晶 集团的j n 3 3 8 系列 传感器等。它在转轴或与转轴串 接的 弹性轴上安装四片精密电阻应变片， 并把它们连接成惠斯顿电 桥。转矩使轴的微小变形引 起应变片阻值发生变 重庆大学硕十学位论文 第一章绪论 化。桥输出信号与转矩成比 例。 桥的 激励电 压和测量信号的传送方式有两 种:一种是接触式传送， 通过滑环和电 刷传送激励电 压和测量 信号，电 刷 寿命可达6 亿转次;另一种是非接触式传送， 包括传感器感应方式传送如 t 3 0 f n , j n 3 3 8 ， 以 及微电 池供电， 无线 传送测量信号等。 该大类传感器可 测量静态和动态转矩，高频冲击和振动信息， 体积小重量轻， 输出 信号易 于计算机处理等优点，正逐渐得到越来越多的 应用。 表1 . 1国内 夕 砖感器 敏感元件信号传输形式 国家及代表产品 电阻应变桥 接触式: 通过滑环和电 刷传送激励电 压和测量信号 德国 h b m 公司 t i , t z 系列传感器 非接触式:1 . 通过变压器形式传送 激励电压和测量信 号。 2 . 变压器或电 池供电、 调频1 发射机 遥测计传送数据 h b m公司t 3 0 f n 日 本了才巾夕了沐 ( 株) 中国北京三晶集团 磁 ( 齿)栅式 位移传感器组 非接触测量: 磁 ( 齿) 栅磁电 感应信 号。 日本小野测器齿栅式转 矩传感器 德国h b m 中国 湘西仪表厂 其它元件如: 光栅、电容、 齿轮等 非接触测量:用光栅、电 容、齿轮 等感应信号 1 3 . 2 测 试 系 统 27, ” 、 ， 、 二 、 311 转矩测试系统的国内 外现状如表 1 2所示，表中测试系统的传感器都 是齿栅式转矩传感器， 测量的 基本原理相同。 根据转矩测量的实现环境， 目 前的转烟转速类测试仪可分为以下儿种 类型: a ) 数 字式: 采用中 小规 模 集成电 路和 组 合 逻辑电 路设 计 硬件系 统。 这是早期的 测 试系 统， 如j s - 2 , j s g s - i a , p y - a , p m n - h 等。 其 重庆大学硕士学位论文 第一章绪论 缺点是仪器可靠性差， 功能单一， 操作复杂， 体积庞大。 单片机型。采用单片机采集和处理数据。这是目 前较普遍的仪器 形式，如 z j y w- 1 , j w- 1 , j w- i a ( b ) , t s 9 0 0 a等。体积小性 能高、但这种仪器的分析能力很弱或根本没有。 微机型。即软件式转矩仪， 如c l s - ii 型齿轮传动实验台， 利用单 片机采集数据，通过串 行口 将这些数据传送至通用微机， 表1 .2 扭矩 测 试系 统国 内 外现 状 名称型号 采样时间 一软硬件环境厂家 转矩转速 数字转 矩仪 ts - 9 0 0 a1 -1 0 0 s 每隔2 0 m s 单片机日 本小野测器( o n o s ok ki ) j n3 3 8 0 . 1 -l o sl o o ms单片机 北京三晶集团 转矩转 速仪 j s - 2 j s gs - l a p mn- i i p yi a 取决于传 感器 i s 组合逻辑电 路 湘西仪表厂 江苏海安电 机厂 上海第二电表厂 微机转 矩仪 j w- 1 l s ,3 s , l o o m s , 5 ms l s , 3 s , l 仪m s , 5 ms 单片机湘西仪表厂 j w- i a j w- 1 b 1 s ,0 .2 5 m s , 5 s , 8 m s , 1 5 m s ,2 5 m s ,3 5 m s l s ,0 .2 5 m s , 5 s , 8 m s , 1 5 m s . 2 5 m s , 3 , 5 ms 微机型 转矩转 速仪 zj yw 11 s ,2 0 m s1 幼o m s单片机上海第二电表厂 机械效 率仪 j xw- 1i si s单片机湘西仪表厂 齿轮传 动实验 乙、 口 cl s - ll 单片机系 统，用串行 通信至通用 微机进行常 规处理 浙江丝绸工学院 ( 1 9 9 2 ) 重庆大学硕士学位论文第一章绪论 进行离线的常规数据处理; 这种仪 器系统的 数据准确、 分析能力有所 增强、但实时性不强、不能满足瞬时转矩，转速测试的要求， 界面并 不直观、没有充分利用微机的资源、整体性能仍不高。 1 .4本研究的意义和任务。 在回转动力传动系统， 如电 机， 汽车、 摩托车、 变速箱， 发电 机组等 中，转矩、 转速、功率测量是必测指标。因此，转矩测试有广阔的应用前 景和市场空间。而传统硬件仪器不仅功能有限，而且价格昂贵， 不能显示 图形等缺点。所以本课题针对教学科研和工厂实际，将仪器工业的新发展 虚拟仪器与传统的转矩、转速、功率测试仪相结合起来，将开发出具 有工程实际意义虚拟式扭矩功率测试仪， 机械效率测试仪。为虚拟仪器实 际运用提供了一个完整的样例。 具体地说， 研究主要内 容为: 一、转矩测量原理的研究， 分析转矩测量的国内外现状。 二、传感器的比 较及选型。 三、完成面向 用户的 虚拟式 转 矩测量仪的 研制与开发。 四、脉宽计数器的设计和研制。 五、仪器系统的标定。 六、实验与现场钡 1 试。 重庆大学硕士学位论文第二章 转矩、 转速、 功率测试原理 第二章 转矩、转速、功率测试原理 如前一章所叙， 转矩测量的诸多方法中， 齿 ( 栅) 式和应变片式传感 器最普遍，本章将分别介绍这两种传感器的原理及选型。同时也将介绍转 速测量原理和功率计算方法。 2 . 1 转矩概述 使机器元件转动的力偶或力矩叫 做转动力矩，简称转矩。任何元件在 转矩的作用下，必定产生某种程度的扭转变形。因此，习惯上又把转动力 矩叫做扭转力矩， 简称扭矩 ( 本文中 扭矩和转矩是同一概念)。 转矩是各种工作机传动轴的 基本载荷形式， 是旋转机械动力输出的重 要指标，是检验产品是否合格的标志之一，是计算机械功率和效率的必需 参数。扭矩的 测量对传动轴载荷的 确定 和控制， 对传动 系统各工作零件的 强度设计和原动机容量的选择，都有重要意义。因此，开发出一种可用于 工程实际的 扭矩测 试仪 将具有现 实 的 研究 价 值。 转矩随时间的变化过程叫做转矩的时间历程。按照时间历程的 特点， 转矩可以分为静态转矩和动态转矩. 静态转矩是转矩值不随时间变化，或 者随时间变化很小、 很缓慢的转矩。 动态转矩则是转矩值随时间变化很大、 很迅猛的转矩。 静态转矩包括静止转矩、 恒定转矩、 缓变转矩和微脉动转矩。 静止转 矩的转矩值为常数，传动轴静止不旋转。 它的 特征参数是转矩t 为常数， 转速n 为零。如起重机吊重静止时的转矩。 恒定转矩的 转矩仍为常数， 但 传动轴以某转速旋转。如电机稳定工作时的转矩。缓变转矩的转矩值随时 间做缓慢变化。因为转矩变化缓慢，在短暂时间内可以 认为转矩值是恒定 的。微脉动转矩是瞬时值有幅度不大的脉动变化的转矩，常用转矩平均值 t 。 来衡量。 动态转矩包括振动转矩、 过渡转 矩及随 机转矩三种。 振动转矩的 转矩 值是波动的，并具有一定周期。 通过对机器的振动转矩进行频谱分析可对 机械设备进行状态检测和故障诊断。 过渡转矩机械从一 种工况转换到另 一 种工况时的转矩变化过程。如电 机的启动过程扭矩的变化。随机转矩是一 种不确定的，无规律变化的转矩。 它的转矩值是用概率统计的方法求平均 值得到的。 ; 一 吻1lim z i t (t) d t ( z . 1 ) 这 是 描 述 转 矩 的 常 量 分 量 ， 若 要 描 述 转 矩 的 波 动 分 量 可 用 方 差 e : 来 重庆大学硕士学位论文 第二 章 转矩、 转速、 功率测试原理 描述。 。 ;: = 娜16 ait = 1im t t (r，一 t 12 dr ( 2 . 2 ) 实测的转矩常具有某种程度的随机性， 即实际 机械的工作转矩常有某 种不规则的波动与变化。 本文研究的 扭矩仪能够满足测量多种扭矩测量的 需要。既能测静态扭矩又能测动态扭矩。 如测量电 机启动过渡过程。仪器 显示值为当前瞬时值， 采样频率最快可达到2 0 m s . 2 . 2 转矩测量原理 在众多的转矩测量方法中，以 测轴的 应变和扭角最为 普遍，下面将分 别介绍其原理。 2 . 2 . 1 应变测扭矩 由 材料力学可知， 在扭矩m 的 作用下， 轴体表面上沿与 轴线成4 5 和1 3 5 倾 角 方向 上 的 主 应 ) 7 a , 、 a 3 ， 其 数 值 与 轴 体 表 面 上 最 大 扭 应 力 相 等 ( 见图2 . 1 ) ，即: t=v , = - a 3 设 与口 ， 、 。 3 对 应 的 住 应 变 分 别 为 e , 、 e 3 ， 则 e , 二 一 e 1 a 二 八 。一 图2 . 1 轴体表 面 应 力 计 算 简图 且有 e , 二 万十 p 一 a 3 ( 1 + , t ) 口, =( 1 + !u ) t = 三 e e 重庆大学硕士学位论文 第二章 转矩、 转速、 功率测试原理 一 or , a , ( 1 + u ) c ,=一 气 丁 一十月- 二 丁=一口，= 力石 n ( 1 + fr ) t = 一 竺 e e 式中e 轴体材料的 弹性摸量 户 轴体材料的 泊松比 口 应力 当轴体的扭转断面系数为w ,则有 ， - - e 3 一 (粤) w 一 k ,m u 】一 等 一 k ,m 式中k , , k 。 为比 例常 数。 、6 2勺山丫丁 k s = k o 当实心轴的直径为d , w 空e ll轴的外径和内 径分别为d及d 时， 实心轴:w= 二d ， 二 0 .2 d 勃轴 : w 二 ir (卫 兰d 兰 、 0 .2 d (1 一 。 4 ) 1 6 d 由 式2 . 1 、 2 .2 、 2 .3 , 2 .4 可 知 ， e , ( 或 ， ) 及。 。 ( 或 。 3 ) 都 与 被 测 扭 矩 成 正比。 通过测量轴体表面的 扭转幸 应 变或应力即可确定 扭矩mo 工程实际 中常用应变片 将轴的主应变转变为电 信号。 通过电 信号的定 标来测扭矩值。 2 . 2 . 2 转角测扭矩 当轴受扭矩时，沿轴向相距为1 的 任意两截面之间， 将产生 相对扭转 角必 ( 见图2 .2 ) ， 其 值为: ( 2 .7 ) 重庆大学硕士学位论文第三章 转矩、 转速、 功率测试原理 图2 . 2 轴体 扭转角 变位简图 式 中 ， g 为 剪 切 弹 性 摸 量 , j ， 为 轴 体 截 面 的 极 惯 性 矩 。 当 轴 体 为 实。 圆 截 面 时 ， j = 旦、 o a d 0 3 2 当 轴体为环形截面 ( 外径d ，内 径刀) 时， j v = r (d 0 - d 0 ) 二 0 .1 ( d a 一 d 0 ) 式2 . 7 可 知， 扭角沪 与 扭 矩m成 正比 ， 在实 际 测 量 中 ， 常 在 弹 性 轴上 装两 个齿 轮盘， 齿 轮 盘之间 的 扭角 既 轴 的 扭 角护 ， 通 过电 磁 祸 合 将 扭 角 信号 祸 合成电信号，再经定标输出扭矩值。 2 . 3 转矩传感器 2 . 3 . 1 电 磁齿栅式转矩传感器原理 电 磁齿 ( 栅) 式转矩传感器( 以 下简称齿 ( 栅) 式) 的 基本原理是通过 磁电 转换， 把被测转矩转换成具 有相位差的两路电 信号， 而这两 路电 信号 的相位差的 变化量 与 被测转矩的 大 小 成 正比 。 经定 标并 显 示， 即 可得到 转 矩值。 齿 ( 栅) 式传感器工作原 理如图2 .3 . 在弹性轴两端安装有两只齿轮， 在齿轮上方分别有两条磁钢， 磁钢上各 绕有一组信号线圈。 当 弹性轴转动时， 由 于 磁钢与 齿轮间 气隙磁导的变化， 在信号线圈中分别感应出两个电 势， 在外加转矩为零时， 这两个电势有一 个恒定的初始相位差，这个初始相位差只与两只齿轮在轴上安装的相对位 置有关。在外加转矩时，弹性轴产生扭转变形， 在弹性变形范围内， 其扭 角与外加转矩成正比。在扭角变化的同时。 两个电 势的相位差发生相应的 重庆大学硕十学位论文 第二 章 转矩、 转速、 功率 测试原理 变化，这一相位差变化的绝对值与 外加转矩的大小成正比。由于这一个电 势的频率与转速及齿数的乘积成正比，因为齿数为固定值， 所以 这个电 势 的频率与转速成正比。 在时间域内， 感应信号 s l , s 2是准正弦信号，每 一交变周期的时间历程随转速而变化，测出它们之间的相差中，即可 信号线圈 图2 . 3电 磁 式转矩传感器原 理图 得到扭矩值。由 材料力学可知: a山 = 3 2 l 扁 a t ( 2 . 8 ) 。 弹 性 轴的 扭 转 角t 转 矩 g 弹 性轴 材料的 剪切 弹 性 模 量 d弹性轴直径l 弹性轴工作长度 其中， l . d .g都是常数，令k 匆 6 d 0 3 2 l 则有 t=k o q d ( 2 .9 ) 因此， 扭矩的测量就转换成相位差的测量， 而s l . s 2 是准正弦信号， 其相 位的测量需要用高频脉冲插补 法， 即 用一 组高 频脉冲来内 插进被 测信号， 然后对高频脉冲计数，如图2 .4 所示。 由于这种传感器的信号为模拟信号，需设计接口 卡将其转换为数字信 号后再输入计算机，同时在卡上要完成比 相操作，整个系统精度主要取决 于卡的质量， 而该 接口 卡设计复 杂，比 相 操作将耗去相当 时间， 对测 试仪 的适时测量将带来影响。 重庆大学硕士学位论文第二章 转矩、 转速、 功率测试原理 图2 4 2 . 3 . 2 数字式转矩传感器原理 另一类是应变式数字扭矩传 感器， 其 测量原理是 运用 敏感元 件 ( 精密 电阻应变片) 组成的应变电 桥附 着在弹性应变轴上， 则可以 检测出 该弹 性 轴受扭时m y 级应变信号。 将该 应变 信号放大后， 多讨f f 频转换， 变换成与 扭应变成正比的 频率信号。 传感 器系 统的能 源输入及 信号输出 是由 两组带 间隙的 特殊环形变压器所承担， 因 此实 现了 无接触的 能源及信号 传递功能。 这类扭矩传感器不足之处是测量之前 需要预热来平衡电 桥。 其原理图如 图 2 . 5 所示。 其中应变电桥部分见图2 . 6 ， 在相对轴中 心线4 5 0方向 上贴上两片电 阻应变片， 在轴的另一侧， 对称贴 上另 外两片应变电阻， 当力 矩加在旋转 轴上时，由四只应变片分别检测压缩和拉伸力， 扭矩的 变化转化为电阻阻 值的 变化并反应在电 桥上， 通过 式 ( 2 . 1 5 ) 可 测出 扭矩的 大 小， 在贴片 时， 对 称贴装应变片可自 动补偿温度变化引 起的误差。 下面将推导电 桥平衡式和扭矩频率关系式。 重庆大学硕十学位论文第二章 转矩、 转速、 功率测试原理 稳定电 源应变桥放大器v / f 转换器 d发 光 二 极 管 r一 一 一一一 一 一 一 一 一 一 一 门 齿轮盘 变压器 信号环行 _ 司， 七_ 二月 - _ _ _ _ 石 奋 _ _ -_ _j艺 _ j只 - _ _ _ _ 能源环行变压器 光敏三极管 信号电路 士 1 5 v 励磁电源 图2 . 5 应变 扭 矩传感器 原 理图 ( 虚 线内 为 旋 转部 分) 在图2 . 6 中:( a ) 为应变片贴片图，( b ) 为应变片电 桥。 图2 . 6 应变 片电 桥 r 1 , r 2 , r 3 , r 4 为 各电 阻 阻 值 ; g 为 检 流 计 ， r c 为 检 流 计内 阻 ; 叽为 供 桥电 源电 压， r u 是 它 的 内 阻 。 通过检流计g 的电流是 1 g二 t , ( r , 凡一 r , 凡) 气 r , r z ( r , + r , ) + r , r , ( r , + r z ) + ( r , + r , ) ( r , + r 4 ) r c ( 2 . 1 0 ) 由 上 式 可以 看出 ， 当 r , r , = 凡 r , 时 ， 通 过 检 流 计g 的 电 流is = 0 ， 即 电 桥处于平衡状态。设电桥的初始状态是平衡的， 如果各应变片的电阻值发 重庆大学硕十学位论文第二章 转矩、 转速、 功率测试原理 生了 微 小的 变 化o r , i mz i o r 3 i o r 4 ， 则电 桥 输 出 端 的 电 流 及 电 压 均 产 生 了 响应的变化。 由于电桥输出端接应变仪的放大器， 而后者具有很高的内阻， 所以电桥输出端相当于开路，输出的电 压: 。 一 ( r , + a r ,)( r 4 华 r 4 ) - (r 2 + a r z )(r 3 + a r 3 ) v l t ( i +凸 八 , +找 z +o z ) l 式 3 +凸 人 3 +找 4 +凸 找 4 ) ( 2 . 1 1 ) 由 于o r r， 在分母中可忽略 各4 r 项， 在分子中 可忽略各ar 的高 次 项， 并 考 虑 到电 桥的 初 始 平衡 条 件r , 凡= r z 凡， 得: v _ a r , r 4 + a r 4 r , - o r 2 r 3 - a r 3 r 3 ( r , + r z ) ( r 3 + r 4 ) ( 2 . 1 2 ) 当采用全桥电路测量转矩时，一般均采用电阻值相同，灵敏度相同的应变 片 组 成 桥 臂， 即r , = 凡= r : 二 r 4 = r ， 由 此， 2 . 1 2 式 可 写 成: 4 r + 五 ， 一 r ， 一 r , _ _ v= 一 一 - - 三 - - - - - - v 4r ( 2 . 1 3 ) 如 果 电 阻 应 变 片按 图 8 i = - e 2 = 6 3 = - e 4 ， 所以 a r , 测量转矩的电压输出是: 2 . 6 ( a ) 所示方向和位置粘贴 ，因 = - a r z = o r 3 = - 4 r 4 ， 由 此 可得 全 桥电 路 r_ _ =汽 r =k _, s v o ( 2 . 1 4 ) 当扭轴受到弯曲应力作用时 阻 变 化 均 满 足o r , = o r 2 及 a r 3 影响。 t ， 或者当环境温度变化时，因应变片的电 = a r , 的 条 件， 所以 对 桥路 输出电 压不 产生 扭矩计算公式如下: v= k s s ， t= k o vk n = 又丫v = k , f k ， 为 压 频 转换 系 数 - - - - - - - - - 一 重庆大学硕士学位论文 第二章 转矩、 转速、 功率测试原理 所以扭矩计算公式为 t = k . k j( 2 . 1 5 ) k 、 为 应 变电 桥 常 量 ，:为 应 变 g 为 弹性轴的 剪切弹性 摸量 ， d 为弹性 轴 直径， l 为弹性轴有效工作长 度。 数字式应变传感 器输出即 是数值 信号， 很 容易 输入计 算机处 理， 响 应速 度 快， 体积小， 工作稳定， 操作简单， 是 本课题讨论的 重点。 2 . 3 . 3传感器的比 较和选型 针对上述两种感器，作者 进行了 深入而细致的比 较， 前者齿式传感 器代表厂家为湘西仪表厂，该厂是具有悠久历史的扭矩传感器专业厂家， 在市场上占 有相当多的份额， 技术成熟， 产品 丰富: 后者数字 应变式扭矩 传感器代表厂家为北京三晶集团 传感器事业部， 该 部位于北京中关村， 凭 借深厚的技术背景开发出原理比 较先进的 数字式扭矩传感器， 并 有多 项针 对于扭矩传感器的专利。 三晶的传感器凭其优秀的性能， 体积小， 易安装， 便于后续处理而得到越来越多的 应用。 下面 将对两种 传感器 进行比 较。 由 表2 . 1 可以 看出， 两种类型 传感器各有优缺点， 湘仪j c 型虽然精 度高，适合长期和高精度测量， 但体积大， 笨重， 输出 信号是模拟正弦信 号，需比相后才能得到扭矩值，并且不能 测静止扭矩。 三晶j n 3 3 8 型虽然 精度略低， 使用前 要预热， 过 载能 力 较小， 但其 抗 干扰 j性 强， 体 积小， 工 作稳定并可测静止和动态扭矩， 特别是输出的t t l 频率信号 可直接送计算 机处理，免去了比相操作，具有良 好的频率响应性， 性价比高。因 此，本 项目 选用北京三晶的j n 3 3 8 7 0 0 n . m 扭矩传感器， 以 下将基于它来开发虚拟 式转矩、功率测试系统。 2 . 4 转速测量 转速的 测量必须和转矩的 测量保持同 步， 才能 保证功率值的正 确。 转 速的 测量方式很多，为了 保证与 转矩同 步