（电路与系统专业论文）基于虚拟仪器的动态扭矩实验测试系统的研究.pdf

摘要 摘要 在机械传动系统中，扭矩是反映生产设备系统性能的最典型机械量之 一，扭矩测量及分析是保证各种生产及辅助设备安全正常运行，节省能源， 提高系统效率的重要手段。提高扭矩测量的准确性、扭矩监测和控制的实 时性以及扭矩异常分析的可靠性，是减少事故发生、使生产正常进行的重 要手段，对提高生产效率和经济效益都有重要意义。 本文在深入研究以往扭矩传感器的基础上，设计开发出了一套基于虚 拟仪器的扭矩实时实验测量系统。首先根据扭矩传感器的设计原理，研制 了满足课题要求的光电传感器，将主轴受扭矩作用而产生的扭转角转换为 测量两个光电编码系统的输出脉冲差值。而且介绍了传感器的研制、信号 调理电路及数据采集卡的软硬件设计。然佰基于图形化开发平台的 l a b v i e w 开发环境，设计了集数据采集、数据存取、信号分析、数据管理 于一体的扭矩测试虚拟仪器。并用d a t a s o c k e t 技术及l a b v i e w 的w 曲服 务器实现了扭矩信号的实时采集、控制和远程发布。 另外本文还对扭矩传感器的动态标定系统进行了研究，研制了一种扭 矩加载器，可以对旋转着的轴加近似正弦波形的扭矩。介绍了加载器的工 作原理、结构及其标定方法。用此加载器来标定传感器，确保传感器测量动 态扭矩的精度。最后对整个测试系统进行了实验调试，验证了测试系统的 软硬件性能。 关键词光电扭矩传感器；虚拟仪器；l a b v i e w ；在线检测；扭矩加载器； 动态标定 燕山大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t t o r q u ei so n eo fi m p o r t a n tp a r a m e t e r st ob em e a s u r e di nt h ep r o c e s s e s m a n u f a c t u r i n ga n du s i r 培v e i n c l e m e 髂u r e m e n to f t o r q u ei su s e f u li nad i v e r s e r a n g eo fi n d u s t r i a lf i e l d s ，f o ri ti so n eo fm o s tf u n d a m e n t a lp h y s i c a lq u a n t i t i e s f o ra n a l y z i n gr o t a t i n gd r i v em e c h a n i s m sa n do b t a l n 堍ab e t t e ru n d e r s t a n do f t h e i ro p e r a t i n gc o n d i t i o n i fi n s t a n t a n e o u st o r q u ec o n i db ee x a c tm e a s u r e d ， m o n i t o r e da n dc o n t r o l l e d ，m a n u f a c t u r eb e n e f i tw o u l db ed r a m a t i c a l l y i m p r o v e d , a c c i d e m w o u l db ed r a m a t i c a l l yr e d u c e d a s e to f r e a lt i m et o r q u em c a s u r e m e ms y s t e mb a s e do nt h ev ii sd e s i g n e d a n dd e v e l o p e di nt h i sp a p e r o nt h eb a s i so f t h e o r ya n a l y s i s w er e s e a r c h e dt h e m u l t i - c h a n n e lp h o t o e l e c t r i ct o r q u es e n s o rw i t ht h ep h o t o e m i s s i o np r i n c i p l eb y m e a s u r i n gt o r q u eu s i n gt h ep h a s ed i f f e r e n c e t h ep a p e rn l a k e sat h o r o u g h d i s c u s sa n ds t u d yo nd e s i g nh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo fd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m t h es o f t w a r eo ft h es y s t e mi sw r i t t e nb yg r a p h i c a lp r o g r a m m i n gl a n g u a g e l a b v i e wa n di t h a st h ef u n c t i o n so fd a t aa c q u i r i n g ，d y n a m i cd i s p l a y i n g ， s i g h a la n a l y z i n g ，m e m o r yd a t aa n d s oo n r e a lt i m ea c q u i r i n ga n dc o n t r o l l i n g o f t h es i g n a lh a sb e e ni m p l e m e m e db yd a t a s o c k e t i nt h ep a p e r , at o r q u el o a d i l l gd e v i c ei sa n a l y z e da n dr e s e a r c h e d i tc a l l i n f l i c ta p p r o x i m a t es i n ew a v eo rp u l s ew a v et os t a t i co rr o t a t i o n a la x e s t h e t o r q u eb a d m gd e v i c ec a l lb er e g a r d e df o rd y n a m i cc a l i b r a t i o ns y s t e mo f s a n s o r s a n di t sd e s i g np r i n c i p l e ，c o n f i g u r a t i o n , c a l i b r a t i o nm e a n sh a sb e e ni n t r o d u c e d a n e x p e r i m e n tt e s t t t 培i sc o n d u c t e d t od e m o n s t r a t ev is y s t e mf u n c t i o n s t h e r e s u l ts h o w st e s ts y s t e m sh i g h e rp e r f o r m a n c e k e y w o r d sp h o t o e l e c t r i ct o r q u es e n s o r ；v i r t u a li n s t r u m e n t0 1 i ) ；l a b v i e w ； d a t ac o l l e c t i n g ；t o r q u el o a d i n gd e v i c e ；d y n a m i cc a l i b r a t i o n 燕山大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于虚拟仪器的动态扭 矩实验测试系统的研究，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读硕士学位 期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分 外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全 由本人承担。 作者签字杨 瓮痒 日期：沙d 7 年争月p 日 燕山大学硕士学位论文使用授权书 基于虚拟仪器的动态扭矩实验测试系统的研究系本人在燕山大学 攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果 归燕山大学所有，本人如需发表将署名燕山大学为第一完成单位及相关人 员。本人完全了解燕山大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。 本人授权燕山大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以 公布论文的全部或部分内容。 保密口，在年解密后适用本授权书。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：勘傻季辛 日期：劲d 1 年牛月p 日 新獬秘聃嘛咱 i 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 在机械传动系统中，扭矩是反映生产设备系统性能的最典型机械量之 一，扭矩测量及分析是保证各种生产及辅助设备安全正常运行、节省能源、 提高系统效率的重要手段。提高扭矩测量的准确性、扭矩监测和控制的实 时性以及扭矩异常分析的可靠性，是减少事故发生、使生产正常进行的重 要手段。扭矩在线监测对减少非计划检修时间和事故、快速分析产生事故 或故障的原因，以及对提高生产效率和经济效益都有着重要的意义【啦】。 随着科学技术的进步和生产的发展，扭矩测量技术有着广阔的应用前 景例。可以说，扭矩测量技术可以应用到国民经济的各个部门。在市场经济 激烈的竞争下，许多机械新产品要向着更大功率、更高速度、更高效率的 方向发展，扭矩测量能为旋转机械的设计提供科学数据，而且扭矩测量在 作为自适应控制系统的信号源、节能指示器、多主机系统的动力平衡指示 器方面有着广泛的应用需求。 由于各种系统的自动化程度和复杂性的提高，需要获取的信息越来越 多。这不仅要求传感器的精度、可靠性和响应速度越来越高，还要求传感 器有标准输出形式以便和系统挂接。根据近几年国内外的研究，扭矩测量 正呈现以下发展趋势【州：由静态测试转向动态在线检测；由间接测量转向 直接测量；由单功能转向多功能，包括自补偿、自修正、自适应、白诊断、 远程设定、状态组合、信息存储和记忆；要求系统微型化、数字化、智能 化、虚拟化和网络化；要求扭矩的检测与动力装置的控制相结合，达到转 速、扭矩、输出功率的优化配置。 但是长期以来，扭矩传感器测试技术相对落后，目前的传感器一般只 能对静态扭矩进行精确的测量，对于动态扭矩如振动扭矩、随机扭矩等还 没有标准的动态扭矩测量装置。以往在测试中均采用静态标定，以静态扭 矩测量灵敏度去处理动态扭矩。实际上动态扭矩的信号应采取动态灵敏度 燕山大学工学硕士学位论文 去标定和动态数据处理方法去处理。 1 2 扭矩测试的国内外现状 目前，虽然国内外研制和开发的扭矩传感器种类很多，使用环境和需 求也各不一样，但从原理上讲，主要分为应变型、磁弹型、转角型和其他 型等4 种。 1 2 1 应变型扭矩传感器 此类传感器是目前国内外使用最多的一种，它采用在旋转轴表面贴应 变片的传统方法，利用适当的电路取得信号，然后进行分析处理。图1 一l 所示为这种传感器的贴片示意图。根据材料力学理论 7 】，受纯扭矩的轴，其 表面主应力的方向与轴线成4 5 。和1 3 5 。角，主应力的绝对值等于最大的剪切 力。因此在传感器的扭矩轴上，沿与轴线成4 5 。和1 3 5 。两个方向各贴两片应 变片，并将它们接成差动全桥，其输出电压正比于扭转轴所受的扭矩。 图1 - 1电阻应变传感器贴片示意图 f i g 1 - 1t o r q u es e n s o ro f r e s i s t a n c es t r a i n 此种传感器因成本低廉和操作简便仍广泛使用在静态和低速旋转系统 的扭矩测量上。过去采用较多的是用集流环传输扭矩信息的方法，因其触 头的磨损和接触电阻的变化，影响到传感器的测量精度和使用寿命，而且 存在着较大的噪声，所以现在使用的很少了。随着大规模集成电路、固体 模块器件及微型电路的发展，国内外相继推出了无线电遥测技术在旋转轴 第1 章绪论 扭矩测量上的应用。仅就国内情况而言，具有代表性的有三种。 ( 1 ) 洛阳工学院等单位研制的在线动态扭矩测试仪【8 1 ，它将检测及发射 电路集中在一块2 0m i n x 3 5i n n l 印刷电路板上，与传感器固接在一起，随传 感器一起转动。它将扭矩信号转换成电信号，由发射装置发出与扭矩成正 比关系的频率信号，经接收器和处理电路转换成电压，数字显示瞬时扭矩 的大小，且当扭矩超过设定值时，仪器报警以保护设备。 ( 2 ) 燕山大学研制的红外扭矩测试仪【9 ，它利用红外线对旋转构件扭矩 进行测量。此套系统包括两部分：固定于地面的红外数据接收装置( 主机) 和安装于旋转轴上的测量、红外数据发射装置( 测量装置) 。启动测量的光信 号后，转轴圆盘上的接收二极管将光信号转换为电信号，经放大器送到单 片机，并进行数据采集，将扭矩的变化量转化为电信号，经放大后被采样 保持器接收并输入到单片机的a 巾端口进行模数转换，转换后的数据存储 在r a m 中。完成一个数据块的采集后，单片机开始测量旋转一周所需时间。 根据旋转周期、发射的数据编码，分时将数据经3 个红外发射管发射，主 机接收后进行分析处理，并在接收装置的液晶显示屏上显示扭矩的最大值、 最小值、峰峰值和周期。 ( 3 ) 北京冶金一局超硬材料研究所研制的环形变压器供电的应变式扭矩 传感器【“】，它是在应变传感器的基础上设计了一组旋转变压器。信号的传 递采用无线遥测的方法，做到了扭矩信号的传递与是否旋转、转速大小、 旋转方向无关。将专用的应变片用应变胶粘贴在被测弹性轴上并组成应变 桥路，向应变桥提供电源即可测出该轴受扭的电信号。将该应变信号放大 后，经过压频转换，变成与扭应变成正比的频率信号。 电阻应变式传感器的信号传输，无论采用滑环还是无线方式，都存在 不足之处。滑环方式会受到接触电阻变化的影响，而无线传输因发射天线 或线圈随轴转动，会造成接收装置接到的信号强度发生变化。 1 2 2 磁弹型扭矩传感器 此类传感器是基于铁磁材料的压磁效应制成的。因为铁磁材料的压磁 效应是一个结构应力敏感参数【1 2 1 ，转轴中的应力变化将引起磁导率的相应 燕山大学工学硕士学位论文 变化，而磁导率的变化又导致传感器磁路磁阻的变化，最终转化成检验线 圈中磁通的变化。其信息变换过程如下：肘一仃一p 一曲。一矿。 式中肘为扭矩，a c t 为被测轴表面最大正应力变化量，为被测轴磁 导率变化量，a r ，为被测轴磁阻的变化量，a v 为传感器输出电压的变化量。 根据这个变换原理，可以制成各种不同类型的磁弹性扭矩传感器。国 内外自2 0 世纪8 0 年代中期开始此种类型传感器的研究和开发，具有代表 性的是双“i i ”逆磁致伸缩效应传感器【l 引。此种传感器磁芯正交置于轴侧， 磁极上绕有线圈，两组励磁线圈和两组测量线圈，交变电流通过励磁线圈 在轴表面建立磁场，当轴受扭后，表面产生应力，由于磁致伸缩逆效应轴 表面磁场发生改变，其等效磁阻的变化，使得测量线圈中产生与扭矩成比 例的感应电势，如图1 - 2 所示。由于转轴常用的铁磁性材料的磁致伸缩逆效 应较弱，影响测试的灵敏度和精度，且对转轴材料的均匀性和旋转精度的 依存性较大。 输出信号 图l _ 2 双“”逆磁致伸缩效应传感器等效示意图 f i g 1 - 2 t h e t o r q u es e n s o r b a s e d o l l t h e d o u b l e “”m a g n e t o s t r i c t i v ee f f e c t 为发挥其优点，且有效地弥补其不足，国外从2 0 世纪8 0 年代开始研 制基于用非晶磁致伸缩材料制作的扭矩传感器。 1 9 8 2 年，日本福岗九州大学研制出了新型磁头扭矩传感器f 1 4 】，它采用 在转轴表面用等离子法喷覆一段磁致伸缩层的方法。此种方法，可以使整 个测试装置做得很小巧。 1 9 9 2 年，韩国科学与标准研究磁学实验室研制出了非晶态线圈最大差 分感应装置1 1 5 l 。它是在轴上与轴线成4 5 。方向上，贴上数条磁致伸缩层 m r ( 磁电阻) 材料，轴周围环绕激励线圈和感应线圈。当轴上加载扭矩时， 4 第1 苹绪论 拉应力使m r 材料的磁导率增大，压应力则使磁导率减小，因而反映在感 应线圈中一个线圈的磁通大，另一个线圈的磁通小，最后以差分方式输出， 测出应力大小，再计算出扭矩。 这一时期开发的众多逆磁致伸缩效应扭矩传感器的共同点都是设法在 回转轴的表面上附着一层具有明显磁致伸缩效应的非晶态合金材料，如f e 基非晶态合金薄带、薄膜或细丝等，以强化回转轴的磁致伸缩效应。所采 用的原理是：由磁致伸缩逆效应在主应力方向感生出各向异性k u ，非晶薄 带或晶丝的磁导率随k u 变化，只要测得磁导率的变化就可以得到扭矩丁 的大小了。 磁弹型扭矩传感器属于非接触式传感器，安装使用方便，且不需要占 用较大的空间。通过在轴表面粘贴或喷涂一层磁致伸缩材料，便可以减少 轴表面材料不均匀性所带来的误差，提高测试灵敏度。但这些传感器最终 测得的是磁致伸缩层材料应力，如何妥善地转化为转轴本身应力或扭矩值 还有待探讨，同时其致命之处是受外界的电磁干扰影响大，不太适合恶劣 环境下长期工作。 1 2 3 转角型扭矩传感器 这是一类利用扭矩和扭转角关系的传感器，它们实际上是一个角位移 测量的编码系统，具有典型代表性的有以下两种。 由日本日立公司研制的m r 编码器式扭矩传感器f 1 6 j ，其结构和工作原 理是：在驱动轴和负载轴之问固定一根扭力棒，在棒的两端各装有一个m r 编码器，这两个编码器应尽量靠近并规格一致。由每个编码器的两相正弦 输出可以计算出扭力棒两端的角度岛和凸，再由两角度差计算出扭矩丁。 t = ( z a t d 3 2 l ) a 0( 1 - 1 ) 式中g 为剪切弹性模量；d 为扭力棒直径；工为扭力棒长度；a 0 = 0 ，一0 2 。 9 0 年代末日本提出了一种动力传递轴的实时扭转光学监测系纠1 7 1 。其 原理如图l - 3 所示，该系统由一对激光器、镜面、作为传感器的光接收器、 逻辑电路、高频振荡器和作为数据处理的计算机组成，测量方法是建立在 激光反射的基础上。系统的传感头，采用两对光学传感器，一对放在轴的 燕山大学工学硕士学位论文 输入端，另一对放在输出端，加载便会在两端之间产生扭转。每一对光学 传感器由光源、镜面、光缝和光接收器组成，被镜面反射的光由光接收器 接收。采用半导体激光器作为光源，硅光电二极管作为光接收器，用光缝 来遮挡环境光以获得矩形光信号。采用与轴相同曲率的曲面镜，激光打在 随轴一起转动的镜面上时，接收器会同时接收到两个脉冲信号。两镜面位 于同一轴线上时，两脉冲信号就不存在时间差f ，但如果有扭转产生，则 会产生时间差，扭转角a 0 与址成正比，且由下式确定： a 0 = c o & ( 1 - 2 ) 式中是轴的转动角频率，因此a 0 可由舡测得的值来计算。 上述测量方法，其基本原理是建立在光反射的基础上。最大的优点是 测量装置简单，测量系统分辨率高，最小可测扭转角可用光学来描述。但 由于测量受到被测轴上下抖动、前后抖动、镜面反射角变化及轴向抖动等 因素的严重影响，导致测量结果不准确，故很难真正实用化。 图1 - 3 动力传递轴的实时扭转光学监测系统 f i g 1 - 3r e a l - t i m eo p t i c a lo b s e r v a t i o ns y s t e mo f t o r q u eo f 恤ep o w e r t r a n s m i s s i o ns h a f i 1 2 4 其它型扭矩传感器 近几年一些新型的传感器在不断被开发和研制出来。如清华大学1 9 9 9 年研制的无线无源声表面波( s a w ) 扭矩传感器【1 8 l 就是一例，这种传感器是 将雷达技术与s a w 传感器相结合，同电阻应变式传感器一样，是通过测 6 第1 章绪论 量与轴成4 5 0 方向上的应变来完成对转轴的扭矩测量。它主要由压电基片、 叉指换能器( i d t ) 、反射栅组成，采用光刻、真空镀膜等工艺。其工作原理 是利用被反射的s a w 相速度在应变前后所产生变化间接测量扭矩的大小。 另外还有一些其它类型的传感器，如美国佛吉尼亚西蒙斯飞行器公司 利用光纤技术研制的光纤扭矩传感器，可用于飞行器涡轮发动机的扭矩测 试【1 9 , 2 0 1 ；又如英国福特汽车公司委托南安普大学机械工程系为其研制的一 种电容式扭矩传感器【2 1 2 2 1 ，可用来连续监测汽车发动机或齿轮箱传动轴的 扭矩测试。 综合以上国内外扭矩传感器的发展情况，课题根据扭转角型扭矩测量 原理开发了多通道光电扭矩传感器，研究了一种基于虚拟仪器的机械传动 系统动态特性实时测量系统。该系统能够精确的测量实时动态扭矩，并且 有绝缘性、抗电磁干扰、耐高温性等特点。对研究各种机械传动系统的动 态特性及其在各种载荷和工作环境下的动态响应分析、设计理论，具有一 定的科学指导意义。 1 3 论文的主要研究内容及结构 课题来源于秦皇岛市一燕山大学科技成果转化基金项目“动态扭矩加 载器的研制”，在此基础上研究了动态扭矩测试系统。本课题是在通过大量 的查阅、分析国内外文献并充分了解国内外同行的最新研究成果及工业应 用的基础上展开工作的。根据扭矩传感器原理，研制了多通道光电扭矩传 感器，基于虚拟仪器进行测试，并且分析了扭矩加载器的设计原理。 论文结构如下： 第1 章概述了扭矩测试的国内外发展现状及其以后的发展趋势，其次 叙述了本课题的研究意义及本文的研究内容与结构。 第2 章首先简要介绍了虚拟仪器基本理论，然后叙述了自行设计的多 通道光电扭矩传感器的原理、测试系统及该系统的总体规划。 第3 章简要介绍了扭矩传感器的设计过程和测试系统的硬件实现及数 据采集系统。详细阐述了传感器的各部分设计及其硬件电路，分析了采用 的数据采集系统。 7 燕山大学工学硕士学位论文 第4 章是系统的软件设计，采用图形化编程语言l a b v i e w ，介绍了系 统各个软件模块及其功能，并介绍了网络通信及远程控制功能。 第5 章对扭矩传感器的动态标定做了研究，基于研究的扭矩加载器来 为传感器进行标定。详细叙述了加载器的原理、结构及标定方案。 第6 章为实验部分，分别对系统各部分功能进行了调试和实验验证。 8 第2 章基于虚拟仪器的测试系统总体方案设计 第2 章基于虚拟仪器的测试系统总体方案设计 所谓测试系统指的是由众多环节组成的对被测物理量进行检测、调理 变换、显示或记录的完整系统。随着技术的进步，现代测试系统在实现形 式上较以前有了很大的变化。现代系统以计算机为中心，用传感器和数据 采集硬件为通道获取信号，用计算机分析处理信号。本测试系统中由光电 扭矩传感器将得到的物理量转化为电信号，将转化后的信号通过数据采集 卡传给虚拟仪器，对信号进行分析处理。 2 1 虚拟仪器概述 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ，简称v i ) 这个概念由美国国家仪器公司 ( n a t i o n a li n s t r u m e n t s ，简称n i ) 最先提出。它是测试技术与计算机技术更深 层次结合的产物，是计算机资源( 处理器、储存器、显示器等) 、仪器硬件( 信 号调理器、a d 、d a 数字输入输出、定时器等) 与用于数据分析、过程通 信及图形用户界面的应用软件的有机结合。虚拟仪器技术已经成为计算机 辅助测试技术发展的潮流【2 3 , 2 4 1 。 2 1 1 虚拟仪器的基本概念 所谓虚拟仪器就是以微机为测量平台，用虚拟仪器软件模拟实际仪器 操作界面，通过人机交互完成对信号的采集、调理、分析处理和结果的显 示、输出等功能。它具有结构简单、一机多用、测量精度高等特点，使用 者操作这种计算机，就像操作一台自己专门设计的传统电子仪器【2 5 1 。 虚拟仪器的基本思想是利用计算机来管理仪器、组织仪器系统，进而 逐步代替仪器完成某些功能，最终达到取代传统电子仪器的目的。它实质 上是软硬结合、虚实结合的产物，是充分利用最新计算机技术来实现和扩 展传统仪器的功能。在虚拟仪器系统中，硬件仅仅是为了解决信号的输入 输出，软件才是整个仪器系统的关键。任何使用者都可通过修改软件的方 法，方便地改变、增减仪器系统的功能和规模。 9 燕山大学工学硕士学位论文 2 。1 2 虚拟仪器的特点 虚拟仪器的特点可归纳如下 2 6 ，2 7 1 ： ( 1 ) 在通用硬件平台确定的基础上，由软件取代传统仪器中的硬件完成 仪器功能； ( 2 ) 仪器功能是用户根据需要由软件定义，不是事先由厂家定义好的； ( 3 ) 仪器性能改进和更新只需进行相关软件设计更新，不需购买新仪器； ( 4 ) 可以部分替代目前依赖进口的高档台式仪器； ( 5 ) 研制周期较传统仪器大为缩短； ( 6 ) 开发灵活，可与计算机同步发展，可与网络及其他周边设备互联。 2 1 3 虚拟仪器的系统构成 从虚拟仪器外部结构的角度出发，虚拟仪器由计算机、仪器硬件和应 用软件三部分组成。仪器硬件是计算机的外围电路，与计算机一起又合称 为虚拟仪器的通用仪器硬件平台，是应用软件的基础，而应用软件则赋予 系统以特有的功能。图2 - 1 为典型虚拟仪器系统的基本框图。 ! ! 二竺兰厂 竺兰三兰：r 一 也亟亟 1 巫亘乎 p c 机 至巫丑一 虚拟仪器软件 工作平台 一v 仪器，p x i 仪嚣f 广= = = ：= = = 1 图2 - 1 虚拟仪器系统组成图 f i g 2 - 1t h es y s t e mo f v w t u a li n s t r u m e n t 2 1 3 1 虚拟仪器系统的硬件构成主要有五种：数据采集( p c d a q ) 系统、 g p l b 系统、v x i 系统、串口系统、现场总线系统。以上无论哪种系统， 都是将仪器硬件搭载到笔记本电脑、台式p c 机或工作站等计算机平台加上 1 0 第2 章基于虚拟仪器的测试系统总体方案设计 应用软件而构成的。 2 1 3 2 虚拟仪器系统的软件构成组建现代化测控系统的成败很大程度 上取决于软件开发平台和相关硬件设备的选择。虚拟仪器软件体系结构 v i s a ( v i r t u a li n s t r u m e n t a t i o ns o f t w a r ea r c h i t e c t u r e ) t 2 s l 主要包含两个层次：设 备驱动程序和用户应用程序。 设备驱动程序是联系用户应用程序与底层硬件设备的基础。每一种设 备驱动程序都是为增加编程灵活性和提高数据吞吐量而设计的，每个设备 驱动程序都具有一个共同的应用程序编程接n ( a p i ) ，不管虚拟仪器所使用 的计算机或操作系统是什么，最终所编写的用户应用程序都是可移植的。 虚拟仪器用户应用程序的设计是个关键问题，应用软件开发环境选择 是否恰当与虚拟仪器系统的功能是否容易实现有密切的关系。应用软件开 发环境将计算机的数据分析、显示能力与仪器驱动器融合在一起，为用户 开发虚拟仪器提供了必要的软件工具和环境。 2 i 4 虚拟仪器的发展趋势 在计算机技术的推动下，以虚拟仪器为标志的通用化、智能化和网络 化测量仪器及测试系统得到了迅猛发展，新的测试理论、测试方法、测试 领域以及新的仪器结构不断出现，在许多方面已经突破了传统仪器的概念， 电子测量仪器的功能和作用己经发生了质的变化。虚拟仪器利用现有的计 算机，加上特殊设计的仪器硬件和专用软件，形成既有普通仪器的基本功 能，又有一般仪器所没有的特殊功能的高档低价的新型仪器。虚拟仪器的 出现是仪器发展史上的一场革命，代表着仪器发展的最新方向和潮流，对 科学技术的发展和工业生产的进步产生了不可估量的影响。 目前，我国正处于科学技术蓬勃发展的新时期，对仪器设备的需求将 更加强劲。虚拟仪器赖以生存的p c 计算机近几年正以迅猛的势头席卷全 国，这为虚拟仪器的发展奠定了基础，虚拟仪器作为传统仪器的替代品， 市场容量巨大【2 9 , 3 0 l 。虚拟仪器在仪器中所占地位越来越高，也是与虚拟仪 器性能的飞速提高分不开的。虚拟仪器经历了由模拟仪器、智能仪器到全 部可编程的发展历程，其中每一次飞越无不以高性能计算机的发展为动力。 燕山大学工学硕士学位论文 近年来，计算机的处理能力提高很快，发展的速度已经远远的把传统仪器 抛在了后面，高分辨率的图形显示与几十千兆的硬盘也已经成为了标准配 置。同时，计算机生产厂商之间的激烈竞争保证了计算机在显示、存储能 力与处理性能等方面仍将高速发展。由于计算机技术，特别是计算机总线 标准的发展导致在p x i 和v x i 两个领域中得到了飞速的发展，它们将 成为未来仪器行业的两大主流产品。具有上g h z 采样率，高达2 4b i t s 精度 的d a q 板已经面世。a d 转换技术、仪器放大器、抗混叠滤波器与信号调 理技术的进一步发展使d a q 板成为最具吸引力的选件之一。 虚拟仪器技术经过十余年的发展，正沿着总线与驱动程序的标准化、 软件的模块化、编程平台的图形化和硬件模块的即插即用化等方向发展。 虚拟仪器系统作为本世纪内电子测量仪器发展过程中出现的最新高峰，有 着极其广阔的发展前景。它的出现为国家各个行业科研的发展提供了更新 式的测试手段，它所具有的得天独厚的优势，是目前任何仪器都不能替代 的。有理由相信，随着我国科技水平的不断提高，虚拟仪器必将以其卓越 的性能在我国的测试行业及高等工科院校实验室教学及科研中得到更为广 泛的应用。 2 2 光电法扭矩测量原理 2 2 1 扭矩测量原理 当长度为三的弹性轴在受到大小为t 的扭矩时 3 ”，弹性轴将产生变形， 任意两个横截面绕中心轴发生相对转动，产生一个扭转角，如图2 2 所示。 a r d 生专； 图2 - 2 扭矩测量原理图 f i g 2 - 2p r i n c i p l eo f t o r q u e1 t l e a s l l i 曲g 1 2 第2 章基于虚拟仪器的测试系统总体方案设计 若应力不超过材料的剪切极限【3 2 】，在横截面上距圆心r 的任一点c 处 的切应力公式为： f = 华( 2 1 ) p 横截面上的最大切应力( 在圆周各点上) 为： 。一：掣( 2 - 2 ) f 。：_ 一 p 式中f 及r 一分别为横截面上c 点和d 点处的切应力，f 一也是横截面上 的最大切应力；r 为c 点至圆心的距离；r 为横截面的半径；昂为横截面对 圆心的极惯性矩。 在弹性范围内，相距为三的两横截面问的相对扭转角西为： = 品 ( 2 3 ) 式中g 是材料的剪切弹性模量。 弹性轴的单位长度扭转角0 为： 日= ( 2 - 4 ) g ， 弹性轴表面的最大切应变，为： 例扯篇 ( 2 - 5 ) 式中r 为轴的半径。 根据式( 2 - 4 ) 和式( 2 - 5 ) 可以推出以下两式： t = g i 。p t ：g l p 7 r ( 2 - 6 ) ( 2 7 ) 因此扭矩值r 的大小可以分别由弹性轴上的切应变y 或单位扭转角0 的值计算得出。实际上扭矩传感器直接测量的就是这两个参数中的一个。 当根据式( 2 6 ) 来进行测量，即通过直接测量扭转角来计算出扭矩r 时，这 种测量类型称为扭转角型扭矩测量。当根据式( 2 - 7 ) 来进行测量，即直接测 量主应变来计算出扭矩r 时，这种测量类型称为应变型扭矩测量。 1 3 燕山大学工学硕士学位论文 2 2 2 多通道光电法测量原理 论文根据扭转角型扭矩测量原理开发了多通道光电扭矩传感器。将扭 转角测量问题转换为脉冲差测量，简化了测量程序。此光电传感器将发光 元件、受光元件和信号盘装配成一体，特点是结构简单，体积小，便于测 量扭矩值。其结构示意图如图2 3 所示。 1 机座2 弹性轴3 发光元件盘4 信号盘5 接收元件盘 图2 - 3 扭矩传感器结构示意图 f i g 2 - 3s t r u c t u r eo f t o r q u es e n s o l 弹性轴两端各装一个规格相同的多通道光电编码系统，它由固定在弹 性轴上的信号盘及其发光、接收盘组成。当弹性轴受扭矩作用发生变形时， 两个信号盘产生相对转角，致使两个光电编码系统输出的脉冲数不同，其 差值与扭矩值成正比。信号盘设置n ( n 1 0 ) 个同心圆周，每个圆周上设置 了( n 2 0 0 ) 个光通道孔。发光、接收元件上分别对应设置直径、个数相 同的同心圆周，每个圆周上设置p 个信号发射、读取元件，信号盘相对发 光、接收盘每转过一个角度就产生一个脉冲信号。这样信号盘相对发光接 收盘每转动一周读取的全部脉冲信号为刀n x p 。信号盘示意图如图2 - 4 所示，信号盘上有4 个同心圆周，每个圆周上设置了2 0 0 个光通道孔，在 每个圆周上对应放置了9 个信号发射、读取元件。 1 4 第2 章基于虚拟仪器的测试系统总体方案设计 趱1 1 。，链2 兹 铬= - g 、 、 图2 - 4 信号盘示意图 f 蟾2 - 4s k e t c hf o ra d u e r t i s e r 2 3 系统总体设计方案 采用光电扭矩传感器进行主轴的扭矩测量，其系统总体框图如图2 5 所示。整个测量系统可分为三个大部分：系统实验平台部分，光电扭矩检 测及信号调理部分，基于虚拟仪器的信号采集、处理部分。系统的实验平 台是扭矩测量的基础，提供了实验环境，包括电动机、扭矩测量装置、扭 矩加载器( 负载) 及其所需的连接装置。此部分可以提供不同转速、不同大小 的扭矩，便于后续的扭矩校准、误差分析补偿等。 扭矩测量利用光电扭矩传感器，非接触地将转轴所受扭矩交换成光信 号，再将其变为电信号，送给信号调理电路进行处理。信号调理电路对转 r 一；荔孬；j 7 一一 图2 - 5 扭矩测量系统总框图 f i g 2 - 5b l o c kd i a g r a mf o rs y s t e mo v e r a l ld e s i g n i n g 1 5 燕山大学工学硕士学位论文 换后的电信号进行放大、整形，转换成标准的的方波脉冲信号，以送给后 续电路处理。这一部分是对信号的变换及预处理，关系到整个测量系统的 精度和复杂度，所以是本系统设计的关键。 信号采集、处理部分通过虚拟仪器编程实现，采用图形化编程语言 ia b v m w 完成。 2 4 本章小结 本章首先介绍了所采用的虚拟仪器技术，其次对光电法测量扭矩原理 进行了分析，设计一个集光、机、电一体化的动态扭矩实时测试系统，然 后对该系统进行总体规划和分块，确定各部分的主要功能，各部分之间的 关系等。 1 6 第3 章测试系统硬件电路设计 第3 章测试系统硬件电路设计 3 1 扭矩传感器的设计 3 1 1 弹性轴设计 弹性轴是组成机器的主要零件之一，一切作回转运动的传动零件，都 必须安装在轴上才能进行运动及传递动力。因此轴的主要功用是支撑回转 零件、传递运动和动力。在此系统的设计中，研究目的是检测当轴受到不 平衡的载荷时，传动轴所受到的扭矩的大小究竟是多少，因此弹性轴设计 有其特殊的要求【捌。 被测量弹性轴是整个系统研究的基础，主要就是通过测量得到的数据 来分析研究其受扭特性。本系统的研究方案中，主轴的旋转速度一般是在 0 - 3 0 0 0r r a i n ，所以设计时除了考虑主轴的安装位置外，还必须考虑主轴的 强度、刚性等。 3 1 1 1 轴的结构形式对于轴的结构进行设计，主要取决于以下几个因 素：轴在机器中的安装位置及形式；轴上安装的零件的类型、尺寸、数量 以及轴连接的方法；载荷的性质、大小、方向以及分布情况；还有就是轴 的加工工艺。本系统中，主轴主要满足添加扭矩载荷和安装光电盘、信号 盘，故可以只考虑扭转强度和信号盘的装配尺寸。轴的安装使用两个键与 连轴器连接，并且是左右完全对称的，其最小直径为2 8m l f l 。 3 1 1 2 轴材料的选择轴的材料一般是碳钢或合金钢。钢轴的毛坯多数用 轧制圆钢或锻件，有的则直接用圆钢。由于碳钢比合金钢价廉，对应力集 中的敏感性较低，而且也可以用热处理或化学热处理的办法提高其耐磨性 和抗疲劳强度，故采用碳钢制造轴得到了广泛应用，在这里选用的是4 0 c r 钢【3 5 j 。 3 1 1 3 轴的强度校核由于此系统的轴主要承受扭矩，所以只按照扭转强 度条件计算。为保证受扭轴能正常工作，要求轴内最大剪应力必须小于材 料的许用扭转剪应力口矾。因此轴扭转时的强度条件为： 1 7 垫生奎兰三兰堡圭兰垡丝茎 f 一2 亩2 击州( 3 q ) 式中f 一为扭轴横截面上的最大剪应：0 ( n r a m 2 ) ；骄为转轴横截面的抗扭极 矩( m m 3 ) ；t 为轴所受最大扭矩( n m ) ；d 为实心扭轴直径( m m ) ；【f 】为许 用扭转剪蚴( n m m 2 ) 。 许用扭转剪应力【f 】的取值范围为： 【r 】= ( o 8 1 ) d = ( o 8 1 ) a ，( 3 2 ) 式中口为许用应力( y m m 2 ) ；为极限应力( n m m 2 ) ，即材料发生破坏时的 应力；”。是安全系数。 一般情况下，静载时的安全系数= 1 2 2 5 ，根据式( 3 - 1 ) 和式( 3 2 ) 可以得到轴的扭矩： r 旦：! ! 旦：塾：2 ( 3 - 3 ) 疗j 轴在使用4 0 c r 钢的情况下，查得其极限应力仃。为7 8 5n r a m 2 ，代入式 ( 3 - 3 ) n 可得到轴受到的最大扭矩为11 0 3n m 2 2 9 8n m 。实际的应用中需 要考虑安全系数，所以一般情况下加载扭矩不超过5 0 0n m 比较合理。 3 1 1 4 确定轴的长度考虑到轴上需要安装轴承、信号盘，同时又要尽量 减小传感器的体积，因此选取轴长要适当。对于高度旋转的弹性轴，当轴 的转速接近转轴的固有频率时，轴将产生强烈的振动现象，严重影响系统 的动态平衡状态，因此应尽量使转轴所适用的转速范围远离转轴的固有频 率i 翊。扭轴的固有频率五的计算公式为： f o o 2 4 _ _ _ 9 91 厚( 3 - 4 ) yp 式中，为扭轴长( m m ) ；g 是钢轴的弹性模量( y m m 2 ) ；p 是钢的密度( g c m 3 ) 。 加工的传感器的扭轴长为5 2 8m m ，刚的密度p 为7 8g c m ，弹性模量 g 为8 1 1 0 4n m m 2 ，则代入式( 3 - 4 ) 得： 兀= 0 2 ，4 9 伊等摆器= 4 8 9 7 3 h z ( 3 - 5 ) ，o 2 ，、p5 西丽2 比) 扭矩传感器工作转速的设定范围为o 30 0 0r m i n ，即0 - - 5 0r s ，远离了 第3 章测试系统硬件电路设计 转轴的固有频率。 3 1 2 键的设计 键通常用于连接轴和轴上的零件【3 鄹，起到轴向固定并传递扭矩的作用， 有些键还可以实现轴上零件的轴向固定和移动。键联结一般有平键联结、 花键联结两种。 平键的两个侧面是工作面并且用于传递扭矩。键的上面与轮毂槽底之 间留有间隙，为非工作面。此种键联结具有结构简单、对中性好、装拆方 便等优点，因而得到广泛应用，但此种键联结对轴上零件不能起到轴向固 定的作用。平键联结按用途分为三种：普通平键、导向平键和滑键。普通 平键用于静联结，即轴与轮毂之间无相对移动。按键的端部形状可分为a 型( 圆头) 、b 型( 方头) 和c 型( 单圆头) 三种。圆头键的轴向固定较好；方头 键避免键槽端部对轴引起的应力集中；单圆头平键常用于轴端与轴上的零 件的联结。导向平键和滑键用于动联结，即轴与轮毂之间有轴向相对移动 的联结。一般导向平键用于轴上零件滑移距离不大的场合，当轴上零件滑 移距离较长时可用滑键。滑键固定在轮毂上，在轴槽中随轮毂一起作轴向 滑移，轴上铣出较长的键槽。 花键联结由多个键齿和键槽构成，均布在轴和轮毂孔的圆周上，其齿 侧面为工作面。花键联结适用于静、动联结，其优点是受力均匀、承载力 高、齿根应力集中小、对轴和轮毂的强度消弱较轻、轴上零件与轴的对称 性较好、导向性好；缺点是加工需要专用设备，成本较高。 平键联结能够满足此系统的性能要求，且经济性好，故选用平键联结。 由于实验装置要求轴不能左右滑动，传递的扭矩不太大，键在轴的两端， 故选择普通平键中的圆头平键。 3 1 3 光源及光电检测器件的选择 3 1 3 1光源的选择对光源的要求是，应能提供稳定的光能量，光效率要 高，发散角小，发热量要低，寿命要长。本系统采用发光二极管l e d 作为 光源。与其它光源相比，具有如下优点：体积小，寿命长( 几万小时以上) ， 1 9 鎏坐奎兰三兰堡主兰堡丝塞 耗电量小，发热量低，响应速度快，峰值波长易与光电接收元件相匹配。 在此选用的l e d 为l t e - 4 2 0 6 ，它体积小，直径仅为3m m ，便于安装 发散角仅为1 0 0 ，不会被旁路信号孔接收。主要性能如表3 - 1 所示。 表3 - 1l e d 红外发光二极管技术指标 t a b l e3 1p e r f o r m a n c ep a r a m e t e ro f i n f r a r e dl e d 主要技术指标名称 技术指标值 光谱响应范围n m 8 4 0 - - l0 4 0 光谱峰i n m 9 4 0 光敏面直径m m 3 发光强度m w s r 5 2 6 最大工作电流m a 6 0 发散角，。 1 0 功耗m w 9 0 工作温度 4 0 8 5 3 1 3 2 光电检测器件的选择在以信息检测和信号传送为目的的光电系