光电式扭矩测量系统设计

1、光电式扭矩测量系统设计摘 要如今，各类机械传动系统中，转轴的扭矩和转速的测量是旋转机械设备的重要检测指标，尤其是对转轴扭矩的动态实时检测。通过扭矩的实时检测，不但可以减少机器事故，也可以快速对产生事故和故障原因进行分析，对提高生产效率和经济效益都有非常重要的意义。本设计使用光电码盘转换成光电信号,由于生成的电信号比较弱，会受到干扰等问题，因此要设计信号处理模块电路。设计中还运用到AT89C52单片机的内部时钟，脉冲时间差则通过内部定时器来读取，把读取的两组脉冲数据变成相位差，存储后用上位机来接收数据。上位机是基于LabVIEW建立虚拟仪器面板，反馈实时动态波形、数据的处理以及历史数据的调用等功

2、能。关键词：扭矩，光电码盘，AT89C52单片机，虚拟仪器The Design of Photoelectrictorque Measurement SystemABSTRACTNow, all kinds of mechanical transmission system, measure rotation shaft torque and speed is an important index of mechanical equipment, especially the dynamic real time detection of rotation shaft torque. Throu

3、gh the real-time detection of torque, not only can reduce the accident, also can rapid analysis of accident and fault reason, have very important significance to improve the production efficiency and economic benefits.The design of photoelectric encoder is converted into optical signal, the electric

4、 signal generated is relatively weak, will be subject to interference, so to design of signal processing module circuit. Design also use to AT89C52 internal clock, pulse time difference through the internal timer to read, the phase difference of two groups of pulse data is read into memory, with the

5、 host computer to receive data. The PC is established based on LabVIEW virtual panel, feedback real-time dynamic waveform, data processing and historical data calls and other functions.KEY WORDS: Torque,Photoelectric-encoder,AT89C52,Virtual-Instrument 目录前 言1第1章 扭矩测量系统概述11.1 选题的背景及意义11.2 国内外扭矩测量技术的发展

6、21.2.1 国外扭矩测量发展21.2.2 国内扭矩测量发展31.3 光电编码技术的现状31.4 离合器概述41.5 LabVIEW软件概述6第2章 扭矩测量系统的设计思路与传感器设计12.1 扭矩测量系统的设计思路12.2 传感器原理与光电码盘设计12.2.1 转角型扭矩传感器测量原理12.2.3 光电码盘测量原理与设计5第3章 扭矩测量系统信号处理设计103.1 光电信号转换电路103.2 系统抗干扰方法143.3 光电信号处理电路设计143.3.1 放大滤波电路设计143.3.2 比较触发电路设计153.4 单片机模块电路设计173.4.1 计数器锁存器电路设计193.4.2 单片机及外

7、围电路设计20第4章 扭矩测量系统软件设计234.1 单片机程序模块设计234.1.1 单片机程序流程设计234.1.2 单片机程序设计254.2 虚拟仪器LABVIEW软件程序设计27第5章 系统调试及结果分析335.1 系统调试335.2 结果分析35结 论38谢 辞40参考文献41附 录43外文资料翻译45IV前 言当今，工业发展速度非常快，工业上使用的机械也越来越智能化，机械运行系统也在扮演着重要的角色。而扭矩测量系统就是为旋转类机械量身定做的，让复杂的旋转机械在有步骤的旋转运作是扭矩测量系统的要解决的问题。设计一套性能精良的扭矩测量系统，不仅是传输数据这么简单，而是具有获得准确数却、

8、实时响应、整机协作等功能。机械转轴的扭矩与转速的测量是各种旋转机械的重要检测项目,特别是对扭矩的实时测量。国内外对各种扭矩测试系统的研制早已在科学研究和工程实践领域中应用，总体上，国外比国内先进一些，但国内发展速度要大于国外。伴随着科学技术与生产力的快速发展,旋转机械设备大体上都向着大功率、高转速、高效率的方向发展，所以扭矩测量系统也在面临升级的难题。扭矩的实时测量不仅可以大大减少机器发生事故,也能快速处理故障和分析事故原因，还能对提高工业生产效率促进经济效益都具有非常重要的意义。在这个快速发展的时代，汽车或拖拉机等交通生产工具早已成为我们生活中不可或缺的一部分，让其正常高效率的运转，是这个时

9、代对科技的要求。汽车或拖拉机离合器主轴扭矩测量正是本着安全、高效、自能化要求而设计。保证汽车或拖拉机离合器与变速箱和发动机之间有节奏的运作，是汽车平稳起步、便于换档、防止传动系统过载、降低扭振冲击的重要因素，也是保护生命财产的关键所在。本设计主要研究对象是汽车或拖拉机离合器主轴扭矩测量，本设计选择光电式动态扭矩测量方式，由扭矩传感器件，将扭轴在旋转过程中产生的光信号转换成周期性电信号，并通过硬件滤波整形电路将该电信号转化成脉冲信号，传送至单片机。通过单片机及外围处理电路测得所需的物理量并处理后传送至上位机，采用LabVIEW编写上位机虚拟面板显示动态扭矩和转速值。针对光电转换信号强度较弱而且容

10、易受到干扰等问题，设计了信号处理电路，使用高性能运算放大器对光电信号的放大处理，滤波和整形电路的设计，以单片机内部时钟为基准，通过内部定时器读取脉冲时间差，进而转换为两路脉冲的相位差，存储并发送得到数据至上位机。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单片机的数据，并实现了实时波形显示、历史数据调用和数据处理等功能。9 第1章 扭矩测量系统概述1.1 选题的背景及意义 在机械动力设备运行时，扭矩动态数据的获得是非常重要的，也是机械工作状况的实时了解和产品是否合格的标准的重要指标之一，更是提高生产效率的必要数据。动态扭矩实时控制在现代生产中运用很广泛，对生产加

11、工精度，效率，安全等起到关键作用。通过扭矩可以知晓机械部件是否正常工作，部件受力情况和其他物理现象分析。如今生产设备在生产过程中，机械因为扭矩异常而导致传动部件损坏并照成机械整体损坏的事故时常发生。扭矩过大后果很严重，轻则照成机器故障、生产中断、维修人员增加等过程损失，重则会对生产人员生命照成危害，造成巨大的经济损失。而且当控制系统相应频率接近或者等于传动轴系固有频率时，机电会发生耦合合拍共振，危害性非常大，电流震荡将照成严重的后果。所以，得到动态实时扭矩数据对减少非维护时间时的故障、降低生产事故、确保生产人员安全，提高生产效益有非常重要的意义。在伴随这电子器件技术、电子计算机科学，数字信号处

12、理技术，传感器运用技术的高速发展和不断完善。扭矩动态测量和计算机的结合运用也在快速发展。如今，传感器在机械中运用并不少见，扭矩测量同样离不开它。传感器在扭矩测量中的运用，会使扭矩测量系统更加智能化。伴随着科学技术的日新月异，扭矩测量系统发展有着广阔的发展空间。更多领域也需要扭矩测量的参与。在市场经济快速发展的今天，新型机械都在向着大功率、高速度、高效率，体积小的方向发展。扭矩测量在这些方面都有积极的作用，不仅能快速获取信号源，还能多主机互动。信号的交流使得扭矩测量系统灵活性大大提升，并且广泛运用在机械应用方面。扭矩测量在汽车工业中的运用非常广泛，伴随着汽车工业的快速发展，需要更加智能，更加稳定

13、的扭矩测量系统。所以动态扭矩测量系统运用于汽车领域也在拨开云雾见天日，动态扭矩测量系统的有点在于：一是能实时反馈动态扭矩变化，二是能提供动态扭矩的性能指标。目前，扭矩测量系统逐渐向着动态测量方面发展，传感器的广泛使用能够使测量方式发生了变化，非接触测量孕育而生。但是，非接触测量产生信号时容易被干扰，但是，电子器件能给我们带来便捷。也正是电子器件、微型计算机的加入，才能使扭矩测量系统向着数字化、小型化、智能化方向发展。目前，汽车或拖拉机离合器扭矩测量系统意义有以下5点。(1)动态扭矩测量为机离合器类设计开发提供科学数据；(2)动态扭矩测量为检验汽车或拖拉机输出动力是否合格的重要参数；(3)动态扭

14、矩测量为汽车或拖拉机提供运行监测与故障识别的信息源；(4)动态扭矩测量为自动控制系统提供信号源；(5)动态扭矩测量为汽车或拖拉机运行更加节能。1.2 国内外扭矩测量技术的发展1.2.1 国外扭矩测量发展从二十世纪五十年代末开始，美国和前苏联是最早对旋转机械扭矩进行测量和研究的国家，紧接着是日本和一些发达国家也开始了这项研究。美国BETHLEHEM钢铁公司在1964年实际测量了三架轧机对轧机传动轴扭矩，取得了初步进展。研究人员在实际测量中第一次运用电阻应变片、水银槽供电、无线发射机发射测量信号等技术，但是所得设备体积和重量，而没能在实际中得到发展。从七十年代开始，旋转机械扭矩测量系统中应用到了计

15、算机科学。1974年，美国联合钢铁公司第一次在生产线上应用扭矩在线监测系统。进入八十年代后，人们提出一些新型扭矩测量技术。1982年，日本福岗九州大学发明了一种磁头扭矩传感器。1985年，美国国家航空航天局，在就扭矩的测量中，利用旋转轴上安装两片圆形光栅码盘，在旋转轴受扭力作用下旋转，经过光敏传感器感应光栅明暗条纹改变，获得与扭矩成正比的光强信号。1988年，南安普顿大学机械工程系受英国福特汽车公司的委托，成功研制出了电容式扭矩传感器，其原理是在旋转轴上安装可变电容与不变电感，在旋转时发生电路振荡，利用振荡回路频率特性的变化来来获得扭矩变化。从九十年代后，扭矩测量技术走出了实验室，向市场化发展

16、，出现了很多新型扭矩传感器。1992年，韩国某研究室研制出一种非晶态线圈最大差分传感器，为扭矩扭矩测量研究开辟了一条新道路。同年，美国麻省磁弹性器件公司也对外宣布，其成功研制出了一种运用霍耳效应原理，来获得扭矩数据的传感器。1.2.2 国内扭矩测量发展相对于国外，国内对旋转扭矩测量技术的研究相对晚一些，主要是以临时检测为主。目前，国内旋转扭矩测量研究对应变式扭矩测量方法的研究比较多，一些新型扭矩测量系统也时有报道。1994年，苏州大学翁桂荣等人使用电池供电与无线发射扭矩的测量信号，成功研制出微型遥测扭矩系统，其适用于短期的扭矩试验检测。1996年，燕山大学刘宝华等人利用红外线传输扭矩测量信号的

17、方法，成功研制出红外遥测扭矩仪。1997年，重庆大学喻洪麟等人利用空间调制柱面光栅阵列和光空间积分滤波器复原理，成功研制一种非接触型光学扭矩测量传感器。2000年，北京冶金一局超硬材料研究所的李国林利用环形变压器供电的方式，成功研制出应变式扭矩传感器。2003年，燕山大学李群等人提出基于LabVIEW虚拟仪器下研究扭矩测量实验平台，为虚拟仪器软件与扭矩测量硬件相结合奠定了良好基础。应变型与磁弹性型扭矩测量传感器存在很大弊端，不仅摩擦阻力大，而且工作寿命短、信号误差大等缺点。但是，非接触型的扭矩测量传感器没有这些缺陷，其具有很大的发展潜力。研制光电式扭矩测量系统，解决扭矩测量中存在的难题，也是我

18、国研究人员致力发展的方向。1.3 光电编码技术的现状目前。研制与生产光电编码器的公司有：美国的Itek公司，德国Heidenhain公司，还有日本的尼康与佳能等众多公司。另外，一些发达国家也为光电编码技术作出了很大的贡献。在德国Heidenhain公司生产的众多优秀产品中，伽俐略望远镜控制系统使用27位光电轴角编码器，是目前世界上精度最高的光电编码器。1984年，美国Itek公司成功研制出21位光电轴角编码器，Itek对外宣称，他们也在研制27位光电轴角编码器，有重大突破，将在不久面世。1990年，日本的尼康公司成功研制出一种新型多圈绝对式编码器，其体积大大减小，多圈编码器向着小型化跨进了重要

19、的一步。另外，日本的佳能与索尼等等其它公司也研制出了性能优良、体积小的光电编码器。它们以自身优良的性能和价格低的优势，在世界光电编码器市场上独树一帜。国内于1960年左右对光电编码器开始进入研究，中国科学研究院首次研制光电轴角编码器。另外，国内很多高校如浙江大学、武汉大学、重庆大学等先后都进行了光电编码器的研制和开发，获得很大的进步。国内也有数十家生产企业生产光电编码器，主要以低位数编码器产品为主，高位数光电编码器还停留在实验阶段。但是，随着国内需求和科学技术的发展，我相信不久的将来，我们也会目睹国产的光电编码器。1.4 离合器概述汽车或者拖拉机的离合器是同螺钉固定在发动机与变速箱之间的飞轮壳

20、之中，离合器输出轴也就是图1-1的离合器主轴，其连接着变速箱输入轴。汽车在运行过程中，驾驶人员要依据速度与变动档位需要来踩下或者释放离合器的踏板，而变速箱和发动机也会因此分离或者接合，使发动机产生的动力传递到变速箱或者是切断发动机向变速器的传递动力。汽车或者拖拉机的离合器工作原理是主动部分与从动部分借接触面间的摩擦作用，或者是用液力偶合器与电磁离合器来传递转矩，总体上，就是使主动部份与从动部分暂时分离与接合， 汽车或者拖拉机的离合器在传递动力的同时又允许主动部分与从动部分相互转动。现在自动档的汽车逐渐代替了手动档汽车，其秘诀就是汽车内置的微型计算机代替了人工挂挡。图1-1 离合器装置当驾驶人员

21、踩下或者松开离合器的踏板时，使机件传递到膜片弹簧大端从而带动压盘前后移动，致使主动部分与从动部分的离合。如图1-2所示。图1-2 离合器接合与分离图汽车离合器主轴的扭矩测量就是为汽车内置微机提供数据，当汽车打到合适的扭矩和转速，内置微机在升降档位，实现了自动挂档汽车。所以，汽车或拖拉机扭矩和转速的测量有一下4点优势： （1）保证汽车平稳起步。 （2）实现自动换档。 （3）防止传动系统过载。 （4）降低扭振冲击。1.5 LabVIEW软件概述 1986年，美国国家仪器公司推出一种革命性的图形编程语言LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering

22、 Workbench)。LabVIEW是一种用图标来代替传统编程文本行创建应用程序的图形化编程语言(G语言)的开发环境。LabVIEW与C,Basic,Pascal等传统文本编程语言有很多相同的地方：数据流控制结构、相似的数据类型、调试工具模块化等特点。但是，它们也同样存在区别的地方：传统编程的语言是文本编程，但是LabVIEW是图形语言(即各种图标、图形符号、连线等)编程。LabVIEW比传统编程语言更加注重人性化，它不仅含有多种仪器设备驱动的程序，还拥有大量的数据处理函数集与人性化的界面编程工具。在编写程序时候，你只需要在前面板中放置控件模块加以排列美化，然后再到框图程序面板中用线条连接传

23、送变量或许要添加其他循环等模块即可。使用LabVIEW软件编制生成的程序称为虚拟仪器程序或者简称为VI。VI由三个部分构成：程序前面板、框图程序、图标/连接器。程序前面板用于模块组合、输入数值设定和输出量显示。框图程序是用于节点、端口和图框放置加以连线形成运行程序。图标/连接器是用于子VI被其它VI调用的接入端。VI软件作为专业的开发工具，其提供很多种设计VI时面临的困难解决方案，有效的简化了软件工程师们设计难度，工作效率明显提高。LabVIEW是一种能简单理解和掌握硬件和软件模块，并提供了一个理想而且严格定义概念的程序设计环境，无论是一个VI初学者还是编程专家都可以使用它，因此，VI也被工程

24、师们誉为科学家的语言。LabVIEW最基本的编程单元是以图形软件绘制的方框图，也就算程序设计所表达的基础模块，指令则传送给虚拟仪器。按原理讲，LabVIEW是建立在确定目标和程序数据流概念的基础上，这也就是LabVIEW方框图的基本方法论，而数据流也就是目标控件间的彼此连线。在程序数据流设计中，在单个目标的所有输入都有效时才能去运行程序；同样，只能是程序功能完整有效时才可以执行。将多个目标控件用数据流进行连线起来的过程也就是LabVIEW程序编写的过程，执行的顺序既可以是顺序执行也可以是同步执行。这与传统的编程软件有很大区别。所以，在LabVIEW方框图绘制时，编程人员只需要将应用目标控件在框

25、图程序面板内进行连线即可，不再受传统编程软件语法细节的限制。LabVIEW是一种拥有丰富扩展功能库及子程序库的编程系统，其提供180多种应用程序，内部存储有丰富函数功能库、开发工具库和硬件设备驱动，还具备多种语言识别的功能函数与大量生成图形界面的模板。美国国家仪器公司作为全球著名的软件开发公司，而LabVIEW是它生产旗舰产品，可谓是图形化编程开发软件的先驱。简单的概括，LabVIEW软件开发平台有以下几个特点及优点：(1)LabVIEW最基本编程单元是图形化的编程，不同的控件图标既有不一样的功能模块，将多个图标控件用连线的方式连接起来，形成完整有效的功能数据传递。被连接对象之间可以顺序执行也

26、可以是同步执行LabVIEW编程过程简单明了、容易上手、效率高，易为多数工程技术人员接受。(2)LabVIEW继承传统编程语言的结构化及模块化编程理念，可以创建一个测试程序为主程序，也能将其调用为子程序，这样就能轻松的将程序分成多层次的子任务，方便后期修改。(3)LabVIEW内含有扩展功能库及子程序库的常用数据，能够实现丰富的功能模块。例如：信号采集、信号输出、数据存取、算术运算、函数运算、信号分析处理、数据通信等，用户只要简单连线和排版，就能快速实现高效而且实用的测试软件。(4) LabVIEW拥有丰富的仪器驱动程序，支持的仪器及硬件驱动非常多。例如：PXI,VXI,DAQ,GPIB(IE

27、EE488),RS-232等等。用户还能根据需要在LabVIEW中自己研究开发所需功能硬件驱动程序。 (5)LabVIEW具有非常强大的查错、调试功能。只要编程有误，系统会自行的给用户显示错误原因、错误位置、错误类型。其还拥有多种工具给用户体用查错辅助，如数据探针，放大镜等。在可能出现错误的位置插入数据探针，待程序运行时，LabVIEW会显示探针所采集的数值，通过数据寻找错误和判断原因，大大缩短程序人员的调试时间。(6)LabVIEW支持多种操作系统，其开发的应用程序均能支持其他系统平台，兼容性高。(7)LabVIEW能够支持多种网络协议，最常用的莫过于用户数据报协议(UDP)及传输控制协议(

28、TCP/IP)，方便远程测控系统和远程支持技术的开发。(8)LabVIEW是一种开放的开发系统，开放性强。能够与常用应用程序、ActiveX,DLL,.NET等组件进行连接。目前，LabVIEW广泛应用在电力、石油勘探、航空、航天、通信、医疗、铁路等众多行业。据2002美国的测试、测量市场调查的数据显示，LabVIEW拥有42.9%的份额。目前，全球大约有三万的客户在使用NI的产品，还有很多像Nokia，Siemens等大集团公司在使用。在美国，LabVIEW虚拟仪器系统编程语言早已是各著名大学的一门必修课程。数千家大型公司开始注重发展虚拟仪器技术，并成立专门的研究开发团队。像Motorola

29、,Phillips,Delphi等，很多龙头企业己在关键性项目中使用虚拟仪器技术的硬件和软件。在先进工业发展领域中，虚拟仪器技术用于自动测控石油钻探及提炼、控制生产中的机械、甚至是核反应堆的测控等。目前，国内虚拟仪器的应用、开发和研究也逐渐发展。国内很多著名的高校和研究都已成立了虚拟仪器实验研究中心，例如：重庆大学虚拟仪器研究中心研制的噪声振动测试分析仪、东方振动和噪声技术研究所研制的噪声测试分析仪、清华大学研究开发的汽车发动机性能出厂检测系统、哈尔滨工业大学研制基于虚拟仪器的“仪器王”系统。另外，还有上海仪器仪表所、上海同济大学、浙江大学、上海交通大学等，都有自己的专门研究团队在不断进行虚拟

30、仪器的研究开发。根据市场专家预测，到2020年我国将有60%的仪器为虚拟仪器。第2章 扭矩测量系统的设计思路与传感器设计2.1 扭矩测量系统的设计思路本设计在转角型扭矩测量的基础原理上，使用光电码盘转换成光电信号，而设计了光电式动态实时扭矩检测系统。依据物理学原理，算出扭矩与扭角之间的关系，把光电码盘上的发射端和接收端元件组安装在转轴两端构成光电传感器件，会把转轴在旋转的过程中会产生光信号转换生成周期性的电信号。由于生成的电信号比较弱，会受到干扰等问题，因此要设计信号处理模块电路，在滤波和整形电路的设计中，我使用性能高的运算放大器对生成光电信号进行信号放大处理，有效的减少外界因素对信号脉冲的干

31、扰，保障了结果数据的准确性。设计中还运用到AT89C52单片机，根据AT89C52单片机的内部时钟为标准，脉冲时间差则通过内部定时器来读取，把读取的两组脉冲数据变成相位差，存储后用上位机来接收数据。上位机的设计是基于LabVIEW软件建立虚拟软面板，单片机生成的数据发送到串口通信程序，反馈实时动态波形、数据的处理以及历史数据的调用等功能，降低了设计硬件成本的同时也有效提升了系统的智能性。扭矩测量系统的总体设计思路如图2-1所示。2.2 传感器原理与光电码盘设计2.2.1 转角型扭矩传感器测量原理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都会产生某种程度的扭转变形，

32、因此，习惯上又常把转动力矩叫做扭转力矩，简称扭矩。 首先，先从圆轴几何关系、物理关系和静力学关系等方面来了解扭矩与其他一些物理量的关系。光电式扭矩测量系统信号处理电路模块设计单片机AT89C52模块设计上位机LabVIEW软件模块设计传感器模块设计图2-1总体设计思路图以下图为例，在图2-2所示圆轴中取出一微小段来进行研究。图2-2圆轴扭矩形变中的几何关系假设截面固定不动，按平面假设，圆轴在扭转变形后，截面像刚性平面一样对截面转动一个角度，这个角度称为扭转角。此时位于圆轴的表面的矩形变成了平行四边形，原来矩形的直角改变了一个微小角度的剪应变。在小变形情况下，由几何关系可得 (2-1)而，所以

33、(2-2) 在上任一点的剪应变为 (2-3)式中是点到圆心的距离扭转角沿轴线的变化率由式(2-3)可知，圆轴横截面上某一点的剪应变与该点到圆心的距离成正比，圆心处为零，圆轴表面处最大。根据剪切虎克定律，当剪应力不超过材料的剪切比例极限时，圆轴横截面上点处的剪应力与该点处的剪应变成正比，即 (2-4)式中材料的剪切弹性模量，是一常量由式(2-4)可知，圆轴横截面上某点的剪应力的大小与该点到圆心的距离成正比，圆心处为零，圆轴表面最大，方向与半径相垂直。式(2-4)中是一未知量，因此还无法计算剪应力的数值，必须借助静力学的关系来解决这一问题。圆周扭转变形中的物理、静力学关系，横截面剪应力如图2-3(

34、a)所示。在图2-3(b)中，在圆轴横截面上离圆心为处，取一微面积，此微面积上内力的合力为。对圆心的微力矩为。截面上所有这些微力矩的总和就等于横截面上的转矩，即 (2-5)式中整个横截面积将公式(2-4)代入式(2-5)，得到 (2-6) 式中是仅与截面形状和尺寸有关的几何量，称为横截面对点的级惯性矩，用符号表示，其单位为或。 图2-3圆轴扭转变形中的物理、静力学关系对于直径为的圆截面，由积分式可得 (2-7)对于内径为，外径为的空心圆截面 (2-8)于是，的计算式可改写成 (2-9)当时，则扭矩与扭转角之间的关系表示为 (2-10)式中扭轴工作长度，单位由式(2-10)可以看出，当扭轴工作长

35、度固定时，扭矩与扭转角之间成正比关系，因此，可以利用测量扭转角来求得扭矩。2.2.3 光电码盘测量原理与设计光电轴角编码盘也称为光电角位置传感器。它以高精度计量圆光栅为检测元件，将输入的角位置信息转换成相应的数字代码，因而把光信号转变成电信号，它比其他传感器相比有准确性高、运用范围广、体积质量小、可靠性高、容易维护、性价比高等特点。因此，光电轴角编码盘在雷达技术、机器人技术、数字控制机床技术、闭环调速技术等众多领域广泛应用。光电编码技术的发展趋势是精度高、频响快、分辨率大、体积小、智能化、量产化、适应性强。根据检测原理，编码器可分为光学式、磁式、感应式和电容式。根据其刻度方法及信号输出形式，可

36、分为增量式和绝对式，其中增量式为直接计数式，绝对式编码盘为直接编码式，增量式较绝对式具有结构简单，容易实现，体积小，价钱低等众多优点，本系统采用的就是增量式光电码盘。光电式编码器的原理是利用光电转换理论。对三组方波脉冲A、B、Z相输出，A组与B组输出相差90°的脉冲相位差。光电编码器与离合器的主轴直接联接，所以码器转速跟离合器主轴部份转速相同。其工作的原理是：光电编码器随离合器主轴旋转，在旋转时产生正交编码脉冲跟转速成正比的两相(A相、B相)相差90°相位差。如果A相脉冲比B相脉冲超前则光电编码器为正转，如果A相脉冲比B相脉冲滞后则为反转，如图2-4所示。图2-4码盘的脉冲

37、输出增量式编码器的光学码分为循环码道及索引码道。由一系列均匀交错的遮光和透光的光栅线条组成的是循环码道，由几个位置彼此分立的零位光栅图案组成的索引码道。增量式光学编码器的光学图案，如图2-5所示。图2-5增量式编码器光学图案常用增量式编码器工作的原理是：利用双光栅条纹编码的技术和光电感应器件，把循环码道上的光电感应器件所得A、B相差90°正弦信号输出，经过电子电路处理便可以得到任一位置的计数值N，在经过硬件电子电路定位，就能得到该位置的编码。如果光栅节的距角是，那么该角度测量值。索引码道由于零位图案特殊的光栅结构，每个零位每转输出只有一个尖峰的脉冲信号，其主峰指示出光栅码盘上的绝对零

38、位置，由于绝对零位信号与循环码道输出的两路正弦信号有确定的相位关系，经电子电路处理后作为启动可逆计数器的信号，这样也就指定了一个起始计量位置，使角度测量结果成为相对该位置的绝对测量值。编码原理是将弹性轴的两端分别加上一个完全一样结构的光电码盘，其中多码道码盘有两个轴承固定在轴上，与轴一起转动，而码盘两侧固定安装位置相对不变的发光二极管和光敏二极管。多码道是指光电元件组不在同一个码道上，并且在设计时采用相位分开的方式并使产生的脉冲均分圆周。该发光二极管和光敏二极管每对相对，当码盘随轴一起转动的时候，发光二极管通过电路供电，发出的光经过透光孔的明暗交替出现，在光敏二极管部分产生了交变电流，实现了对

39、脉冲的计数。光电多码道码盘在轴转动过程中产生脉冲计数用于动态测量扭矩，当没有扭矩产生的时候，在相同的时间内转过的脉冲数是相等的，当有扭矩产生的时候，在相同的时间内转过的脉冲数不相等，用脉冲差转换成角度，该角度正比于扭矩，从而实现扭矩的动态测量。如图2-6所示左图为原理图，在主轴的两端分别装上光电多码道扭矩传感器。该多码道码盘采用的是金属码盘，比光栅的码盘优点在于其加工工艺简单，易于实现，并抗干扰能力较强，对温度、湿度、振动等较恶劣的工厂环境较为适用。右图为某公司生产的多通道码盘。图2-6传感器原理图和多码道码盘下面研究扭矩与脉冲差之间的关系，假设多码道为E条码道，各码道上分别开F个透光孔，各码

40、道上各安装一对光电发射和接收装置。则码盘每旋转一周得到的脉冲个数为 (2-11)当码盘旋转时，在固定的时间内轴两端得到的脉冲个数分别为和，则采用差动方式测得的扭转角为 (2-12)将式(2-16)代入式(2-10)得到扭矩和脉冲差之间的关系式为 (2-13)其中,可以看出扭矩测量转换成对脉冲的测量，差动的测量使得误差得以消除，如两个码盘分别进行的有周期性的振动等造成的环境误差。对于只有一个码道，开个透光孔的码盘，它的分辨率为(每个孔所对应的角度) (2-14)对于E条码道，其分辨率为 (2-15)对于两个情况的比较可得到分辨率的比较 (2-16)多码道的分辨率是单码道的，也就是说每个孔所对应的

41、角度，多码道每个透光孔所对应的角度是单码道的，也就是说精度是单码道的倍，精度提高了倍，可见多码道的设计使得系统的精度有了很大的提高。根据光电编码器测速原理，通过测量时间和在时间内计数器对被测脉冲信号的计数值，计算后就可以确定转轴的转速。常用的测速方法有3种：分别为法、法和法。法是通过计量编码器两个相邻脉冲的时间间隔来确定转速，该方法在转速高时准确性较差，一般适用于速度比较低的场合。法是通过测量一段固定时间内编码器的脉冲数来确定转速，适合于高速场合。而法则是前两种方法的结合，在整个速度范围内都有较好的准确性。本系统采用的是在规定的时间内读取信号的脉冲数，计算转速值，用的是法，在相同的时间内计算脉

42、冲数，该法简单，适合动态转速的测量。两个码盘被固定安装在同一个轴上，所以两端信号转速相同，转速可表示为 (2-17)式中 转速，单位 转过1N个光电脉冲所用的时间，单位洛阳理工学院毕业设计（论文）第3章 扭矩测量系统信号处理设计3.1 光电信号转换电路在光线照射时，物体的导电性能发生改变的现象称为内光电效应。如光敏二极管、光敏电阻等都属于此类光电器件。光电效应分为内光电效应和外光电效应。在光线照射时，物体内的电子逸出物体表面的现象称为外光电效应，或称光电发射，如光电管、光电倍增管就属于这类光电器件。光电器件是将光能转换为电能的一种传感器件。它是构成光电式传感器最主要的部件。光电器件工作的基础是

43、光电效应。光电器件有响应快、结构简单、使用方便、性能可靠、能完成非接触测量等优点，因此在自动检测、计算机和控制领域中，应用非常广泛。光电二极管的结构与一般二极管相似，它装在透明玻璃外壳中，其则结装在管的顶端，可以直接受到光线照射，在没有光照射时，其电阻很大，反向电流很小一般为nA级。这反向电流称为暗电流。当有光照射在PN结上时，PN结区产生光生电子空穴对。它们在内电场作用下做定向运动，形成光电流，方向与反向电流一致，光的照射强度越大、光电流越大。因此光电二极管在不受光照射时，处于截止状态，受光照射时处于导通状态。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，发热量要小，寿命要长。

44、本系统采用发光二极管LED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），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LED为LTE-4206，它体积小，仅为3mm，便于安装；发散角仅为10°，不会被旁路信号孔接收，主要性能如表3-1所示。在以信息检测和信号传送为目的的光电系统中，光电检测器件的作用是将载有被测信息的光辐射能量变换为电能，并在实现这种变换的过程中完成信息的传递。检测器件是沟通光学和电子系统的接口环节，它既是光路元件又是电路元件，有着光学和电子学的双重属性。作为光路元件，它是光信号接收器，是前级光学系统的输出端口；作

45、为电路元件，它是信号发生器，是后续电子系统的输入端口。正是由于利用了光电检测器件的双重属性，才建立了光路和电路的联系，使彼此间得以连通。表3-1 LED红外发光二极管技术指标主要技术指标名称技术指标值发光光谱范围（nm）8401049光谱峰值（nm）940光敏面直径（mm）3发光强度（mW/sr）5.26最大工作电流（mA）60发散角（°）<10功耗（mW）90工作温度（）-4085在实际应用中，光电检测器的特性参数直接影响着光电系统的性能。因此，无论是设计还是使用光电系统，深入了解光电检测器的性能参数都是很重要的。下面简单介绍几个重要的参数。(1) 响应率(灵敏度)响应率用以

46、表征检测器将入射光信号转换为电信号的能力。响应率定义为在入射调制垂直辐射到探测器响应平面的情况下，探测器开路输出的基频电压均方根值SV或等效短路输出的基频电流SI均方根值与入射辐射功率均方根值SP之比，分别以和表示，即 (3-1) (3-2)(2) 光谱响应电探测器的光谱响应用于表征探测器对不同波长辐射的响应能力。它定义为在一定的响应率下光电探测器所能响应的波长范围。(3) 响应速度(响应时间)响应速度是描述探测器对入射辐射响应快慢的一个特性参数。当照射探测器的光功率突然从零增加到某一值时，给予阶跃输入，光电探测器的瞬间输出电流总不能完全跟踪输入辐射的变化，同样在光照突然停止时输出电流也不能突

47、然停止，这种惰性时间就称为检测器的响应时间。(4) 此光电信号处理系统中对光电探测器的要求，主要表现在以下几个方面。 在工作波段内的响应率或灵敏度要求高；响应时间要快，一般应为ns级；由光电探测器引入的附加噪声应尽量低，其暗电流和漏电流要小；光电探测器的工作特性对环境条件的敏感性要低。根据以上原则，光伏探测器的PIN光电二级管从各个方面比较适用，因此本系统选用PD204型PIN光电二级管作为光电转换器件，具体参数如表3-2所示。表3-2 PIN光电二极管技术指标主要技术指标技术指标值光敏面直径（mm）3光谱响应范围（mm）8401200响应度（uA/uw）0.3工作电压（V）5工作温度-257

48、0结电容（pF）5暗电流（nA）10光电流（uA）15上升/下降时间（ns）<5最大反向偏压（V）32 本系统使用的是红外的发光二极管和光敏二极管用于光电转换。采用红外的发光二极管也是为了减少可见光对信号的干扰，如太阳光、灯光等信号的干扰。发光二极管和光敏二极管的实物图照片如图3-1所示，其中透明的为发光二极管，黑色的为光敏二极管。图3-1发光二极管和光敏二极管发光二极管的供电电路如图3-2所示，图中的LM317芯片是稳压芯片，为发光二极管产生恒定电压，使其能够发光。电容C为消除电源产生的干扰而设计的，5个LED为安装在码盘上的发光二极管，相互串联，简单易于实现。LM317的3脚接+12

49、V进行供电，1脚接发光二极管。图3-2发光二极管的供电电路3.2 系统抗干扰方法在现实环境中难免会出现一些电磁干扰、振动等因素引起的干扰。在开发扭矩测量系统的过程中，系统抗干扰设计有着举足轻重的地位。为了提高系统稳定性及测试精确度，对光电式动态扭矩测量系统抗干扰性进行了研究。首先是降低电磁干扰，传输导线的干扰。降低电磁干扰噪声的两个基本方法是屏蔽与接地。屏蔽与接地的关系相当密切，一般来说，作为屏蔽电磁干扰的金属导体都需要接地。为解决电磁干扰，光电式动态扭矩测量系统中采用的屏蔽电磁干扰的措施是用锡包裹传感器到仪器盒的传导信号线然后将锡纸接地，达到了屏蔽电磁干扰的目的。其次是电路中的设计，为防止温

50、度、湿度、振动等造成的影响，在电路中的设计，采用的是滤波的设计和迟滞比较器。滤波是采用RC滤波前面章节也有介绍，该滤波器是低通滤波器，将高频的杂波信号滤除。迟滞比较器的设计也是为了消除杂波将毛刺去掉。单片机的设计中看门狗的设计也是为了防止单片机由于干扰导致了不能正常工作。3.3 光电信号处理电路设计3.3.1 放大滤波电路设计放大滤波电路图如图3-3所示。由于光电转换后的信号比较微弱，为达到检测信号的效果，需对其进行信号放大。选用的芯片为OP07，该芯片2、3脚接光敏二极管输出信号并且3脚接地，二极管D1起保护作用，反馈电阻R1为放大倍数的控制，可以通过对R1阻值的改变来提高或降低放大倍数。4

51、脚接-12V，7脚接+12V，为芯片提供合理电压。AB表示A和B两个码盘分别都用相同的电路。滤波电路选用的是RC滤波器，电路连接如图3-4所示，电阻R2为400，电容选用的是0.1，滤波的目的是为了使高频的干扰信号被滤除，为后续电路处理提供很好的波形信号。若不滤除则可能会对后续的电路整形触发造成难以意料的后果，如计数脉冲不准确等问题，所以前端的信号必须做到滤波处理。滤波还需要考虑的问题是关于转速和脉冲的关系，当转速越高，相对来说脉冲就越窄，脉冲越窄对于后面信号处理就图3-3信号放大电路越困难，需协调好它们之间的关系，计算出最佳参数，并加以调适，选择最佳的测量参数。图3-4信号滤波电路3.3.2

52、 比较触发电路设计比较电路的设计比较电路的目的是为了产生方波信号，产生方波信号是为了产生触发信号的时候没有限制并准确转化。如图3-5所示，MC1403为产生稳定电压的芯片，为了使用于比较的电压符合要求，添加了电位器，即图3-5中的R8，使得比较电压的大小可以调节和控制，MC1403芯片的1脚接+5V而3脚接地，保证了芯片的正常工作。图3-5信号迟滞比较电路设计时为了保证信号的正常，信号难免在比较信号位置处发生抖动，若有抖动产生，则会使比较信号也发生抖动，对后续触发电路会造成比较严重的影响，这些抖动会影响到脉冲个数多少的产生，抖动越频繁，产生的脉冲干扰越多，会导致整个系统无法正常计数，甚至系统瘫

53、痪。为防止上述情况发生，设计了迟滞比较器。迟滞比较的原理是该比较器在比较电压附近划分两个比较限电压，即比较电压高限和比较电压低限。当信号达到比较信号的高限时，输出信号为高电平，当信号下降到达比较信号高限时，信号并不输出低电平而还继续保持高电平，当信号下降到比较信号低限时，输出低电平，当信号再次升高，升高到比较信号低限时并不发生反转，还是继续保持低电平，当升高到比较信号高限时，信号才输出高电平，这样有效地消除了由于振动等环境因素引起的抖动。信号触发电路如3-6所示，由迟滞比较信号的输出信号，传送到触发芯片74LS123的2脚，该芯片用+5V供电，作用是在方波信号下降沿的时候，产生一个脉冲信号，并

54、将该脉冲信号传输至单片机外围电路，至此，脉冲信号形成，前面的传感器设计就是为了得到等分圆周的脉冲信号。图3-6信号触发电路由于两个码盘前面处理的所有步骤都相同，就以一个为例，并在图的标注过程中统一选用了A、B同时标注的方法，目的是在单片机外围电路的设计中予以区别。触发器74LS123的1脚和8脚接地，16脚接+5V供电，其中14脚接一个电容C2，电容的另一端接15脚和电阻R9，13脚为触发的输出，同时该触发器能同时触发两路脉冲，分别为13脚和5脚为脉冲触发的输出，且脉冲宽度可以由R9的大小进行调节。当需要的脉冲宽度较宽或较窄时均利用该电阻进行调节，同时若脉冲过宽可能分辨的脉冲个数就会显得尤为有

55、限，使得难以达到理想的精度测量，并不能达到理想的测量要求，当脉冲宽度过窄又会给后续计数器的辨别造成一些困难，选用的计数器往往反应时间非常短暂，一般还是可以达到辨认要求的。3.4 单片机模块电路设计近年来，计算机技术发展速度很快，而单片微型机简称单片机作为微型计算机的一个重要分支，其发展更为突出。目前单片机已广泛用于智能仪器仪表、机电设备、过程控制、数据处理、自动监测和家用电器各个领域。由于单片机体积小，重量轻，抗干扰能力强，对环境要求不高，有很高的性价比，开发较为容易，一次深受广大工程技术人员的青睐。单片机亦称单片微型电脑或单片微型计算机，国际上统称为微控制器，就是把中央处理器CPU、随机存取存储器RAM、只读存储器ROM、输入/输出端口I/O等主要的计算机功能部件，都集成在一块集成电路芯片上，从而形成一部完整的微型计算机。换言之，把微型计算机的所有功能部件都集成并封装在一块芯片内而构成一部超微型计算机，就称其为单片机。单片机是大规模集成电路技术发展的结晶。单片机具有性能高、速度快、体积小、价格低、稳定可靠、应用广泛、通用性强等突出优点。单片机的设计目标主要是增强控制能力，既满足实时控制方面的需要。因此在硬件结构、指令系统、I/O端口、功率消耗及可靠性等方面均有其独特之处，它最显著