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1、电子技术课程设计报告题目： 数显式扭矩测量仪的设计 姓名：_ _学号：_班级：_ _成 绩：_ _年月日目 录第一章 引言11.1选题的意义及目前国内外概况11.1.1扭矩测量仪国外发展状况11.1.2扭矩测量仪国内发展状况21.2电路设计的用途及实际应用情况41.3电路设计旨在解决的关键问题5第二章 总体方案设计52.1设计思路及框架52.2设计方法5第三章 电路的工作原理73.1电路原理图73.2电路元器件及其工作原理93.2.1 AKC-215系列扭矩传感器93.2.2 位AD 转换器MCl4433103.2.3 七路达林顿驱动器阵列MCl413133.3电路工作原理143.4电路参数计
2、算143.4.1放大电路参数计算143.4.2滤波电路的设计163.4.3数显电压表的设计163.4.4电路元器件一览表18第四章 仿真设计结果204.1信号放大电路仿真204.2滤波电路仿真214.3总体电路仿真22第五章 结论22第六章 课程设计的体会22参考文献23 数显式扭矩测量仪的设计 第一章 引言1.1选题的意义及目前国内外概况1.1.1扭矩测量仪国外发展状况美国阿克来克斯公司(Acurex co.)中的一个分公司WDC(无线数据传输公司)，自70年代起，生产“通用海上试验功率测试系统”(Universal Sea Trial Power Measurement System)，显
3、示板上可显示被测主机的扭矩、转速和功率。此类仪器的扭矩测量是采用卡环式应变传感器敏感被测轴的扭转变形角，变形量与扭矩成正比。量程范围为02106Nm，测量精度为1F.S.，转速测量是采用红外线测速法，精度为0.25F.S.，平均无故障时间MTBF为4200h。此外，美国的陶太克(TORODUCTOR)公司生产无接触式磁弹性扭矩仪；美国麻省理工学院研制成抗干扰性强的光纤扭矩传感器。这些都代表着世界新潮流。日本小野测试社擅长制造磁电式相位差扭矩测量仪，首期产品多半用于实验室，适用于精测扭矩。其量程范围较宽，小量程为0.210Nm，中大量程为1010106Nm，已成系列产品，精度可达0.51F.S.
4、。20世纪80年代初，小野测试社和赤版铁工所联合研制出船用主机扭矩测量仪MS25B，可测扭矩(5105 Nm，精度0.8%F.S.)、转速(214.7r/min，精度0.1r/min)和功率(1500ps)。德国马霍克(Mc.huk)公司历史悠久，生产的振弦式扭矩测量仪闻名世界。该仪器是利用轴扭转时致使传感器中的钢弦拉紧或放松，从而使钢弦自身频率变化测得扭矩；数据传输方式有滑环式和感应式。其生产的MDS820产品，被测轴颈范围为501000mm，已形成系列产品。此外，德国的HBM公司(Hoffinger Baldwin Mesefechmik Gmhm)生产电阻应变式扭矩测量仪，采用弧齿联轴节
5、，以消除不同轴度带来的测量误差，独具风格。生产电阻应变式扭矩仪的还有英国霍佛科公司(Hover-Krafe)和荷兰的A.V.D公司，它们在舰船监测上都已亮相。不久前，市场研究机构Darnell Group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
6、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23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
7、于扭矩测量 (Digital control)和数字管理 (digital management)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
8、。1.1.2 扭矩测量仪国内发展状况国内扭矩测量技术的研究和扭矩测量仪的生产已初具规模，从扭矩测量仪的类别、数量和质量来看，绝大部分式电阻应变式和磁电式扭矩仪。电阻应变式扭矩测量仪是拾取粘贴在受扭轴上的电阻应变片的阻值变化来测量扭矩的，故无须断开轴系，而且测量仪表也可采用通用的电阻应变仪。电阻应变式传感器的生产单位较多，如北京机床研究所、中国船舶工业总公司701研究所，上海通用机械研究所，成功的应用于机床和各种动力轴的扭矩测量。在舰船、货船主机扭矩测量上，中国船舶工业总公司上海704研究所生产的卡环型应变式扭矩传感器，测量时只要将卡环卡在轴上就可测量扭矩，测量仪表采用INTEL MCS-51单
9、片机作为核心的智能仪器，可同时测量扭矩转速、功率，并具有自诊断、数据处理、温度修正、越限报警等功能，集成度高，可靠性好。磁电式扭矩测量仪最早的研制单位是上海电器科学研究所，供应市场的是1000 Nm扭矩转速传感器和数字扭矩转速测盆仪。随后上海交通大学、中国船舶工业总公司上海704研究所、天津机械工程研究所、上海第二电表厂、湘西仪表元件厂、哈尔滨东安机器厂、沈阳机电学院相继研制成磁电式扭矩测量仪，这种类型的扭矩仪是目前国内应用最多的扭矩仪。例如中国船舶工业总公司上海704研究所制造的20 -20KNm扭矩转速传感器和数字扭矩转速测量仪，成功地应用在地质矿产部钻机上。现场的钻探表演，获得美国、俄罗
10、斯等31国参加联合国亚太地区钻机学术会议专家的好评。该所生产的磁电式扭矩测量仪也可与上述的智能化测量仪连用，系统精度为0 .596 F.S.。振弦式扭矩测量仪较先研制的单位是中国船舶工业总公司702研究所，此外还有中国船舶工业总公司上海708研究所、上海自动化仪表所、海通信工厂等。国内研制成磁弹性时扭矩测量仪的单位有哈尔滨科技大学、天津电气传动所、北京冶金设计院等。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
11、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
12、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
13、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。1.2电路设计的用途及实际应用情况扭矩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必不可少的内容。随着现代科学技术的迅猛发展，扭矩测量技术已充分引起人们的重视，成为测试技术的一个新分支。扭矩已成为众多机械量测量中的一个主要参数。近年来，世界各工业发达国家相继探讨出许多扭矩测试新技术，研制、生产出较多的新颖扭矩测量仪。改革开放以来，我们走技术引进、自主创新之路，极大的推动了扭矩测量技术的发展。在高新技术中，扭矩测量技术是综合应用机械、电子、物理、计算机等多方面知识的
14、一门学科。扭矩测量应用范围很广泛，主要用于: 1,电动机,发动机,内燃机等旋转动力设备输出扭矩及功率的检测; 2,风机,水泵,齿轮箱,扭力板手的扭矩及功率的检测; 3,铁路机车,汽车,拖拉机,飞机,船舶,矿山机械中的扭矩及功率的检测; 4,可用于污水处理系统中的扭矩及功率的检测; 5,可用于制造粘度计; 6,可用于过程工业和流程工业中。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向为：1.传感器
15、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。2.对新型扭矩传感器的研究的同时并对经典扭矩传感器加以改进。随着新原理、新材料的发现和微细加工、微机械加工技术的发展和应用，正在促进传统传感器的变革，新型磁弹性传感器和光纤扭矩传感器结构简单、使用方便，代表扭矩传感器的新动向。磁电型相位差传感器是一种比较成熟的传感器，现经改型成为不带辅助电机的磁电型传感器，不但减轻了重量、缩小了体积、降低了成本，而且耐振性能好。微扭矩测量传感器的研究。随着家用电器的迅速发展，如电风扇、微电机、缝纫机、剃须刀、电冰箱、洗衣机甚至开关都要测量扭矩，急待解决g ? cm级的扭矩测量，新传感器的研制将成为解决这一问题的关键。在信号传输方面，以往采用
