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1、传感器与测控电路课程设计说明书 设计题目 光电式转矩转速传感器的设计 专业班级 测控技术与仪器一班 姓 名 学 号 指导教师 目 录一、引言1二、设计任务22.1 设计题目22.2 设计要求2三、基本原理简述23.1 转矩测量原理33.1 转速测量原理4四、拟定设计总体方案43.1 传感器总体设计思路43.2 测控电路总体设计思路5五、传感器结构设计及计算55.1 扭轴的设计与计算5 5.2 传感器外形尺寸设计7六、测控电路设计与分析86.1 测量系统框图86.2 限幅电路的设计96.3 限压电路的设计96.4 低通滤波电路的设计96.5 综合设计10七、绘制相应的结构设计CAD图(见附图)1
2、1八、绘制相应的电路Protel图（见附图）11九、精度误差分析119.1铝箔粘贴不对称119.2机械安装误差119.3其它误差11十、参考文献12 一、引言 随着计算机辅助设计技术( CAD )、微机电系统(MEMS)技术、光纤技术、信息理论以及数据分析算法不断迈上新的台阶, 传感器系统正朝着微型化、智能化和多功能化的方向发展。转矩、转速测量是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。转矩是各种工作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。通过测量机械设备的转矩、转速, 可以分
3、析和研究零件、机构的受力状况和某些物理现象的机理。传感器作为转矩转速测量仪器的核心部分, 决定着仪器的主要性能指标。转矩传感器从最初的光学机械变形类发展到电磁感应类、相位差类, 到现在应用最广泛的应变测量类。随着低功耗微电子技术的发展, 各类转矩传感器被赋予了新的生命, 其性能也越来越好, 可测的精度与转速也越来越高。按测量原理, 转矩传感器可分为传递法(扭轴法)、平衡力法(反力法)及能量转换法3类。传递类转矩传感器应用十分广泛, 该类传感器按转矩信号的产生方式可分为光学式、光电式、磁电式、应变式、电容式、钢弦式及机械式。同时还可根据信号传输方法的不同而分为接触型和非接触型两种。一般每分钟几百
4、转以下的低转速场合采用接触式。每分钟几百转至1万转甚至更高的转速场合采用非接触式。传统的转矩传感器通常采用电阻应变桥来检测转矩信号, 并采用导电滑环来耦合桥压输入及应变信号输出, 但由于导电滑环属于磨擦接触, 因此不可避免的存在着磨损并发热, 因而限制了旋转轴的转速及导电滑环的使用寿命, 同时由于接触不可靠还会引起测量信号波动误差增加。另外, 磁栅式转矩转速传感器也常被应用, 但响应时间慢, 不能进行高速测量。综合考虑之后，在这里提出一种利用光电式反射原理、探测装置高灵敏度和较佳的响应时间, 在高速状态下对转速转矩进行测量的传感器设计方案。 1二、设计任务 2.1 设计题目 光电式转矩转速传感
5、器的设计 2.2 设计要求利用光电式反射原理设计一个测量转矩转速的传感器，同时设计一测控电路对传感器的输出量进行处理，使信号经处理后能得到自己想要的信号，从而进行一系列的测量与控制。三、 基本原理简述 因为光电式扭矩测量原理是把扭矩测量转换成弹性轴的扭转角测量, 弹性轴的扭转角与扭矩有下式关系：由公式( 1) 可知, 对于一定长度、直径和材料的弹性轴, 扭转角与扭矩M 成正比, 测得扭转角就可得到M。扭转角可用以下方法测得： 当弹性轴加负载时, 两个光源发出的光经各自铝箔反射后得到两路存在相位差的光信号,经光电转换(PD ) 后得电压信号E1和E2, 对El和E2进行整形放大得到U1 和U2,
6、 两者之间存在相位差，对U1和U2进行逻辑比较后可得如下：式中：Z为铝箔个数2 3.1 转矩测量原理光电式转矩传感器的结构如图1所示。由扭轴和两个发光二极管、两个光电二极管组成, 4片铝箔以一定的距离L 分隔并固定于扭轴两端的上下面(相距180度), 并与扭轴坚固。光源和光电元件安装在传感器支架上。 相位转矩测量技术是将传递法测转矩与相位差测量技术相结合。当扭轴转动时, 由发光二极管发出的光线, 经铝箔的反射, 光线被光电二极管接收到, 使光电二极管的电阻发生变化, 在检出元件的电路中产生一个脉冲电压。当扭轴空载旋转时, 检测电路输出的V1 和V2 两同频交变信号保持初始相位差不变(实际运用时
7、, 由于环境温度影响、安装误差等使得两个光电二极管的输出信号具有一定的初始相位差。所以, 实际测试时要将初始相位差值, 存放到单片机内, 作为补偿量)。在扭轴加上负荷时, 扭轴产生扭转变形, 使得图1中所示两光电二极管接收的信号有时间差,从而两输出信号V1 和V2 之间的相位差为: , 其中z 为轴上反射镜片数目, 为扭轴两端产生的扭转角。由此可见, 在相位转矩测量中, 扭矩的测量归结为测相位差。经测量电路, 将相位差转换成时间差, 就可测出扭矩值。 由于这种设计在检测扭轴的扭转变形时不必用任何接触方法, 因此测量精确度高, 而且可以使用于高速传动机械。3 3.2转速测量原理 光电二极管输出信
8、号的相移被转换为一定的脉冲数, 通过翻转放大整形电路进入计数器, 经单片机计算后, 显示被测转矩值。当电动机转动时, 带动扭轴和反射铝箔一起转动。反射铝箔与扭轴的转速是相同的。红外线发光二极管4和6发射出的红外线, 经反射铝箔反射后,被光电二极管5和7接收。此时, 光电二极管就输出一个脉冲信号, 当红外线没有照射在反射铝箔上时, 光电二极管就没有脉冲输出, 轴每转一周光电二极管就输出两个脉冲信号, 相位相差180度, 并相应有两个脉冲信号通过测量电路输出到单片机中, 单片机根据传来信号的矩形波, 用定时器定时一秒钟时间, 并用计数器记住脉冲个数, 即光电二极管探测器接收的脉冲的数目, 可以得到
9、轴的转速。 四、拟定设计总体方案 4.1传感器总体设计思路传感器有光电式、磁电感应式、电涡流式、霍尔式等类型, 其中光电式分为透射式和反射式。透射式是光通过光码盘射向光敏元件, 光码盘上的孔使光产生间断, 从而使光敏元件产生脉冲信号; 反射式是通过某种途径使光发生反射后照到光敏元件上，从而使光敏元件产生脉冲信号。透射式和反射式转矩转速传感器输出的脉冲信号经过放大整形等处理后, 即获得自己想要的信号时, 再经过相应的处理, 即可得被测转矩与转速 。由图一可知：它分别由扭轴和两个发光二极管、两个光电二极管组成, 4片铝箔以一定的距离L分隔并固定于扭轴两端的上下面(相距180度), 并与扭轴坚固。光
10、源和光电元件安装在传感器支架上。在给其配上适当的外壳，则可得到自己想要的光电式转矩转速传感器。4 4.2测控电路的总体设计思路该设计是对高速运转的转速和转矩进行测量,因此对测量电路的要求很高。由于光电二极管接收到的信号产生的脉冲是不规则的, 而且脉冲信号微弱, 因此必须经过整流放大和滤波后变成形状规则的矩形波才能输入给单片机, 其波形变换如图2所示。 因此，光信号经光电二极管转换为电信号后, 要进入放大整形电路, 再经脉冲计数、显示等转换输出转矩转速数值。其核心部分是由限幅限压电路、整形放大和滤波电路、脉冲发生电路等组成。 五、传感器的结构设计与计算 光电式分为透射式和反射式。透射式是光通过光
11、码盘射向光敏元件, 光码盘上的孔使光产生间断, 从而使光敏元件产生脉冲信号； 反射式是通过某种途径使光发生反射后照到光敏元件上，从而使光敏元件产生脉冲信号。由于透射式需要用到光刻技术，从而会造成成本的打打提高，故这里采用反射式。 5.1 扭轴的设计与计算对于等圆截面直杆，如图3所示： 图3 5图中的受力特征为外力偶矩的作用面与杆件的轴线相垂直，变形特征为纵向线倾斜一个角度，称为剪切角(切应变)；两个横截面之间绕杆轴线发生相对转动，称为扭转角。杆件的任意两个横截面都发生绕轴线的相对转动，以及使杆产生扭转变形的外力偶，称为扭力偶，其矩称为扭力偶矩（外力偶矩）且M=Fd。 对于一根圆轴在扭矩的作用下
12、，其表面剪切应力为 （3）式中为圆轴的抗扭断面模量。对于实心圆轴，其值；对于空心圆轴其值为。其中：d为实心圆的直径；为空心圆轴的外径；为空心圆轴的内径；在弹性范围内，对应剪应变 (4) 式中G为剪切弹性模量。同时相距为L的两个断面之间产生相对扭转角，其值可由下式确定： （5）式中为断面的极惯性矩。对于实心圆轴：；对于空心圆轴：； 从（4）和（5）式可见，只要轴的尺寸以及形状确定，材料的剪切弹性模量一定，转轴的剪应变和相距为L的两断面相对转角就只与扭矩有关，且成比列，即可表示为： （6）6其中，故可知，因此只要测量即可确定。 受扭圆轴失效的形式有两种，对于塑性材料：首先发生屈服，在试样表面的横向和纵向出现滑移线，最后沿横截面被剪断。对于脆性材料：变形很小，在与轴线约成45的面上断裂。因此： 对于塑性材料 t (0.5一0.6) 对于脆性材料， t (0.81.0)t而且:对于等截面圆轴扭转时的强度条件应满足
