扭矩测量仪检测通道设计.docx

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扭矩测量仪检测通道设计

辽宁工业大学

传感器与检测技术课程设计（论文）

题目：

扭矩测量仪检测通道设计

院（系）：

专业班级：

学号：

学生姓名：

指导教师：

教师职称：

起止时间：

课程设计（论文）任务及评语

院（系）：

　　　　　　　　　　　教研室：

学号

学生姓名

专业班级

课程设计（论文）题目

扭矩测量仪检测通道设计

课程设计（论文）任务

设计一个扭矩测量系统，可测量静止扭矩或静态扭矩。

传感器采用桥式电阻应变片扭矩传感器；设计放大滤波等信号处理电路（桥式电路应采用三运放高共模抑制比放大电路）；输出一定的电压值即可。

电路板焊接后，采用万用表等检测继电器输出，代替电磁阀即可。

电路板性能测量可在实验室试验台上进行测量。

（1）技术要求:

环境温度：

-30～+40C；

控制电路可使用电源供电，采用较小电流继电器可以驱动发光二极管即可。

传感器（敏感元件）：

自行选择传感器类型，自己设计放大电路

（2）说明书要求:

1.格式规范，符合学校要求；

2.说明书中应有方法比较与方案论证，光电测量原理（公式）及具体的实现方案、电路器件型号、参数等；

硬件电路应用protel绘制，并且进行电路板焊接、调试。

指导教师评语及成绩

平时：

论文质量：

答辩：

成绩：

指导教师签字：

年月日

目录

第1章绪论1

1.1扭矩测量仪国外发展状况1

1.2扭矩测量仪国内发展状况2

第2章设计方案3

2.1设计总体框图3

2.2主要部分电路论证3

第3章硬件电路设计5

3.1扭矩传感器的选择5

3.2放大电路的设计5

3.3滤波电路的设计7

第4章设计总结8

参考文献9

附录110

第1章绪论

1.1扭矩测量仪国外发展状况

不久前，市场研究机构DarnellGroup在一份报告中指出，2010年扭矩测量仪价格预计将与现有模拟产品持平。

扭矩测量仪的平均价格已经从几年前的6美元降到了目前的3美元以下，预计2010年将跌破2美元。

Darnell表示，随着数字与模拟控制器解决方案价格趋同，更多、更符合具体应用的第二代扭矩测量仪推出，软件开发环境持续改善，以及市场更加了解扭矩测量技术等因素的推动，扭矩测量产品生命周期的“引入”阶段接近结束，扭矩测量仪市场将迎来加速增长。

图1.1扭矩测量仪市场引入期将结束，即将引来快速增长期

这对扭矩测量产业无疑是一个非常好的消息。

虽然扭矩测量技术被炒了很多年，但市场状况却是概念混乱，供应商的产品五花八门鲜有大批量产出货的成功案例，客户大多处于疑惑和观望之中，市场规模一直很小。

不过，供应商们纷纷表示，随着市场对扭矩测量仪的需求更加强烈、对成本和复杂性误解的消除，以及更多更好扭矩测量产品的推出，未来2~3年内扭矩测量市场将有望起飞。

就像所有的新技术一样，扭矩测量概念也充满了混淆和噪声，这主要是缘于不同的人对扭矩测量有不同的理解，不同的供应商有不同的技术路线。

iWatt公司系统设计和技术总监郑俊杰表示，谈到扭矩测量，最大的混淆在于扭矩测量（Digitalcontrol）和数字管理（digitalmanagement）的不同，“管理”指的是对于开关时序、保护切断及自我诊断等，扭矩测量在这里不仅指“管理”，也是指“控制”，其中控制时核心。

郑俊杰指出，通俗地讲，数字电源就是利用数字化的方法对输入输出进行控制，以实现电路工作于最佳状态，扭矩测量中的“数字”只是一种控制方法而已。

他强调说，扭矩测量和模拟控制主要区别在于如何处理反馈信号，扭矩测量是基于时钟的离散数字信号频域控制，扭矩测量平台包括常见的DSP处理器、单片机、PAL、GAL和FPGA等，实现方式大致分为用户可编程控制和预固化两大类，模拟控制完全是在时域控制。

1.2扭矩测量仪国内发展状况

现在，中国已成为全球最大的数字式控制产品应用市场。

在这一市场里，什么样的产品正在成为主流，未来还会有怎样的变化？

为此，《科学时报》记者采访了在中国市场占有率第一的日本瑞萨科技公司的相关人士。

武部秀治和邱荣丰都认为，以中国为中心的亚洲市场已成为全球增长最强劲的扭矩测量仪产品应用市场。

汽车电子和工业电子成为维持中国数字是控制器市场增长的关键推动因素。

此外，监控、马达控制和测量仪器市场的增长也对中国市场有较大贡献，特别是安全系统、马达控制、电力机车、安全与控制以及车载娱乐系统将成为扭矩测量仪的新驱动力。

据市场研究公司iSuppli预测，2005年到2010年，中国扭矩测量产品市场将分别达到11%和20%的复合年增长率。

“从2008年开始，中国市场会进入一个新的时代，对扭矩测量仪的市场需求会迅速增加，所以瑞萨计划从明年开始推出更多产品。

”武部秀治表示。

供应商为了提供更高性能的产品，无可避免地要面对功耗挑战。

目前，随着市场的发展，单纯通过提高时钟速率提升性能的方式，将带来极大的功耗问题。

此外，对厂商来说，未来在汽车应用中对系统安全性的要求会越来越高，特别是发动机管理、安全等直接关系到乘客生命安全的系统，在这些系统中往往会使用更高级扭矩测量技术。

为此，各厂商正努力以新的方式寻求突破。

现在，国内扭矩测量仪市场基本被国外厂商所垄断。

华润矽科、上海海尔集成等国内生产设计公司正在奋起直追。

不过，由于中国的应用市场非常分散，从低端电子玩具到高级移动电话基站，对国际供应商来说，继续在中国发展业务也面临很大的挑战。

与全球其他区域相比，邱荣丰认为，中国市场的特点是，企业在推出产品的时候，要考虑到整体解决方案。

其次，产品一定要在成本方面有竞争力。

此外，服务要周到。

据他透露，瑞萨目前在中国已经有100多个专门从事技术支持的工程师。

第2章设计方案

2.1设计总体框图

本设计由三部分构成。

首先拉压力传感器将压力大小转化成毫安电级信号，之后微小的电压信号经放大器放大成标准的电信号，最后电信号经滤波器滤波输出，共给电压表检测。

总体框图如图2.1。

图2.1总体框图

2.2主要部分电路论证

方案1反相串联结构型双运放高共模抑制比放大电路

图2.2为反相输入高共模抑制比差动放大电路。

图2.2反相串联结构型

其输出电压Uo为

当

时，输出电压为零，共模信号得到了抑制。

通常，为了

，

负载相同，取

。

由此可见，这种电路的抑制能力只与外接电阻对称精度有关。

但该电路外接电阻对称精度很难提高，而且电路的输出阻抗低，所以该电路应用范围狭窄。

方案2三运放高共模抑制比放大电路

图2.3所示电路是目前广泛应用的高共模抑制比放大电路。

图2.3三运放高共模抑制比放大电路

该电路由三个集成运算放大器组成，其中U1,U2为两个性能一致（只要是指输入阻抗、共模抑制比和增益）的同向输入通用集成运算放大器，构成平衡对称（或称同向并联型）差动放大输出级，U3构成双端输入单端输出的输出级，用来进一步抑制U1,U2的共模信号，并适应接地负载的需要。

这种电路由于U1,U2的隔离作用，输出级的外部电阻可以取得较小，有利于提高电阻的匹配精度，提高整个电路的共模抑制比。

电路中在U3的两输入端接入

和

共模补偿电路，通过调节

，则可补偿电阻的不对称，获得更高的共模抑制比。

综合以上文字的比较，本设计采用方案2。

第3章硬件电路设计

3.1扭矩传感器的选择

本设计中扭矩传感器采用701研究所制造的AKC型应变式扭矩传感器，传感器把扭转力矩产生的应变转换成与其成线性关系的电信号。

基本参数：

●额定负荷：

1000Nm；

●准确度等级：

0.5级；

●额定输出：

1mV/V；

●非线性：

≤0.5%FS；

●滞后：

≤0.5%FS；

●重复性：

≤0.5%FS；

3.2放大电路的设计

放大电路采用三运放高共模抑制比放大电路，电路如图3.1所示。

图3.1三运放高共模抑制比放大电路

该电路由三个集成运算放大器组成，其中U1,U2为两个性能一致（只要是指输入阻抗、共模抑制比和增益）的同向输入通用集成运算放大器，构成平衡对称（或称同向并联型）差动放大输出级，U3构成双端输入单端输出的输出级，用来进一步抑制U1,U2的共模信号，并适应接地负载的需要。

由于扭矩传感器输出的是毫伏级的电压信号，所以放大电路放大倍数要达到1000倍，才能将电压信号转换成用于测量的标准信号。

由于输入级电路可写出流过

，

和

得电流

为

由此求得

，

于是输入级的输出电压，即运算放大器U2与U1输出之差为

其差模电压增益

为

输出级放大器U3的差模增益

为

所以整个电路的增益

，由前面分析

，顾令

，

，得电路参数为：

；

；

；

U1,U2和U3选用高精度，低飘逸的集成运算放大器4E325，电路能够获得相当优良的性能。

3.3滤波电路的设计

本设计的电压信号是直流信号，频率比较低，只有几到几十赫兹，而干扰主要是外界的高频干扰信号，所以滤波电路采用两级的无源RC低通滤波电路。

电路图如图3.2所示。

图3.2滤波电路

RC低通滤波电路的回路电压为

增益为

截止频率

电路中取第一级滤波电路截止频率为

，根据公式取

，

；

取第二级滤波电路截止频率为

，根据公式取

，

。

第4章设计总结

传感器课程设计是一门很实用，很难的设计。

这个设计用到了传感器，电路等方面的知识，通过这次课程设计，本人对传感器及其附属电路有了一定的了解，对课本上的知识有了近一步的掌握，也深刻明白了自己的不足。

　　完成本次课程设计的过程，是一个从无到有的过程，经历了兴奋、自信、失落、奋发、所悟、完成几个过程。

刚做做课程设计时，仔细阅读设计的题目和要求，以为没什么困难的，所用的知识书上都有。

可是动手做的时候，才发现其中的算法，设计是那么繁琐。

经过一天的努力，毫无结果。

失落的心情油然而生。

于是，再到图书馆和网上查找资料，在经过借鉴很多类似的资料，文献后，总算是有点眉目了。

埋头苦干的过程是痛苦的，尤其是在思考算法和程序框架时，迷茫，烦躁，特别是当苦思出来一个结果，又被自己推翻，心痛的无法言绘。

在痛苦中挣扎，建立，推翻，参考别人的思路，建立，再次在推翻，在这不断循环中，终于最后完善了程序。

其中的煎熬是很痛苦的，深刻明白攻克自己“未知领域”的困难。

但当课程设计完成时，那感觉是甜蜜的，没有耕耘，哪来得收获的喜悦，不懂付出怎么能知道回报的快乐，一分耕耘一分收获，有付出才会有回报，就在这样的痛与快乐的交换中，学到了知识，学到了做人的道理。

　　通过这短短一周的实践，感觉到自己从课本上学到的理论知识和实践仍有很大的差距。

最少很多元器件根本不知道有什么功效，在仿真仪器中是什么代码。

有的知识，自己感觉已经掌握得差不多了，但是实际操作起来就有问题出现了。

遇到了不少问题，花费了很多的时间。

这让本人重新反思自己的学习，深刻领悟到这个专业动手，实践的重要性。

理论不经过实践考验，是没法实施的，就像编程序，很多方面考虑的都不够，几乎没有涉及到实际应用时的防范方法措施。

这次的课程设计，学到了很多书本上学不到的东西，学到了实际应用时，是取用成本的最小化，做设计不仅要考虑大的方面，小的方面也必须做到完美。

参考文献

[1]梅丽凤，王艳秋，汪毓铎，张军.单片机原理及接口技术.清华大学出版社，2008

[2]李光飞，楼然苗，胡佳文，谢象左.单片机课程设计实例指导.北京航空航天大学出版社.2004年

[3]南寿松.电子实验与电子实践.中国标准出版社.2004.

[4]杨碧石.电子技术实训教程.电子工业出版社.2005.

[5]中国现代教育装备.2006年第10期

[6]电子制作合订本下册2005.

[7]李建忠,单片机原理及应用,西安电子科技大学出版社,2004年

[8]W.Simpson,Editor.ThePoint-to-PointProtocol,RFC1661[EB/OL].July2007

[9]WAVECOM.ATCommandInterfaceGuide,Revision002[EB/OL].6thNovember2004

[10]AndrowS.Tanenbaum.计算机网络（第4版）[M].Pearson，2004

附录1

整体电路图：