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转 矩 变 化 测 试 仪
指导老师:张永俊
起稿人 : 钟海文(01 机自5班) 林晓宏(01机自5班) 唐国强(01机自6班) 朱志平(01机自6班)

工业上常用到对旋转体的动平衡的检测,可以由转矩的变化来衡量,.目前市面上的转矩变化探测仪属于较少的一类,而价格、体积等都不太理想。为了改善这种情况,我们设计了该转矩变量的探测仪。

一、 构思来源

对于平衡的旋转体,其实转矩的变化会引起内力的形成,会对同轴旋转体产生加速度,我们可以通过测试同轴旋转体的所 产生的力来反映转矩的变化值。


二、 原理

△ 机械原理部分

利用同轴旋转的两个自由体。一个与轴相接,并通过弹簧与另一个相接,在转矩发生变化时,就会产生相对移动,理想情况下,其转矩变化量则同位移变化成正比。

本测试仪的整体结构图如下:

装配剖视图如下:

外套筒可绕轴自由旋转,假设旋转部分等效质量为M,等效半径为R,受力为F,(由主弹簧传递).主弹簧弹性系数为K,如变化的转矩为△M,则有:

△ M =F ×R

而由外套筒旋转与轴产生的相对位移为△S,由力学理论可知

F∝△S

假设K=F/△S为定值,则有
△ M∝△S

而△S则同弹簧的弹性系数K,相对旋转所带来的摩擦力f,还有旋转部分的等效质量相关,这些量会引出一个非线性系数,可以由仪器做出后测试用MATLAB来产生非线性曲线来修正误差.

△ S为外套筒同轴产生的相对位移,由于内表面有黑白相间的条纹(如图),白的会反射光线为接收管接收到,而黑的就不会.所以会形成脉冲信号,经放大后由无线系统发射出去,最后由接收部分,经信号处理系统而最终由LED显示出来.

外套筒内部视图

2.探测原理

光线由LED1发出.LED2,LED2、LED3为接收管。

.
其中Ao为主信号,Bo为判断信号,可以判断Ao的输出一个信号为+1或-1。其实现过程由89C51编程实现。其中LAB《0.5倍黑纹或白纹宽度。

3.电路原理部分

主要参数:内部供电:3V
外部供电:9V
传送频率:120MHz;200MHZ
传送距离:≤20M
精度:待定

1. 仪器内部框图


2. 接收处理部分

本电路为了缩小全体积同保证测试精度,采用了无线传输方式,只保留很少的硬件在仪器上,可以利用AG13的小型电池供电,手持部分用叠层电池,同时读数方便.


A.内部原理(电路原理见附图)

本部分采用低电压供电,主要部分有:光讯号发生部分,光接收部分;放大部分;高频发射部分.全部用贴片封装元件,装在一块20mm×100mm的电路板上.
本部分采用了两个完全一样的电路,作为两路不同频率的信号发射出去.由于是数字方式,所以Ao出来的信号经A1作开环放大,输出接近Vcc,可以直接调频后发出。
Q1接成电容三点式高频振荡,其频率主要由C1、L1决定,

___ 
f = 1/ 2 ∏√ LC  


U1A输出的信号直接加到Q1的BE极PN结,其两端电压的变化使f发生变化,实现调频输出,功率大概10mW,传输距离不小于30M(室内且有大部分机器)。
为了实现频率不干涉或倍频不干涉,采用自然数式比例,本文字中采用3:5,并利用业余调频频段传输。

B.外部原理(电路原理图见附图)

外部部分分为高频接收、杂波滤除、信号放大、数字信号处理、LED显示四部分。

1) 高频接收

高频接收用自激式调频接收。由Q1及其外围电路组成,高频信号由ANT接收后经CAP耦合送入L1、C1进行选频。其接收频率f由C1、L1决定,其
  ___ 
f = 1/ 2 ∏√ LC  

级简单放大后由C4输出,其信号包括微小杂波同近似方波的信号,为了防止误触发,要对信号作杂波滤除处理。

2) 杂波滤除

由U1及外围电路组成,假设其波形中带有微小杂波,其ΔV为0.05V,
我们可以调节R12使运放NE5532的反相输入端的电位大于0.05V,由于为开环放大,则可以认为只有大于0.05V才使运放输出为1,小于则为0,则起到滤除杂波的效果。

3) 信号放大

由杂波滤除可以知>0.05V则输出为1,则是接近Vcc,从而起到数字信号的放大作用。

4)数字信号处理

数字信号处理我们分为计数处理同非线性处理两部分,都是通过对AT89C51的编程实现。

计数处理如下:

A(P2.1) B(P2.0)
初始时,A、B=0,02H=0
当B=1, 02H取反

A=1,02H=1,内部计数器+1
A=1,02H=0,内部计数器-1

非线性处理

我们有初始阶段会作很多实验,测出整个系统的非线性失真(包括弹簧的非线性,各种摩擦引起的非线性失真,还有要进行必要的单位制转换等),我们通过数学软件MATLAB进行线性校正,得出其ΔM同ΔS的二

次线性等效式,我们在编程中将计数结果经过二次非线性等效处理而得出最终显示结果。

(具体过程见程序注释,由于篇幅问题,不列出程序。)

5)LED显示
LED显示我们一样是通过对AT89C51的编程来实现,过程就不说,我们采用的是共阳极的LED数码管来显示。可显示3位有效数字,如果有必要,我们可以增加其数字的显示位数。

三、用法同说明

一、用法

1.本品要同旋转体连接在一起使用,其底座可以根据需要而设计,以适应不同的被测旋转体。如小直径的用三爪卡盘方式,通过沉头六角螺钉可以同轴连接。
2.我们可以通过更改主弹簧以适应不同的测试范围,样品暂定为±99. 9 N?m
3.装配仪器同被测旋转体时要注意同轴度,以减小误差。
4.仪器要同被测旋转体固定。
5.机器加速时最好缓慢加速。
6.读数单位暂定N?m,如有需要可以更改为N?mm或KN?m。读数可以直
接从LED读出。其值越小表明旋转体的稳定性就越好。

二、说明

1.本作品属于市面上少有的一类,且成本低廉。
2.具有安装简单、方便的优点(一般的光电探测器要安装同对焦),且易于携带。(成品为80mm×80mm×150mm+ 60mm×15mm×30mm)
3.读数方便,明了。
4.操作简单,不用培训即可马上操作。
5.应用范围广(凡旋转体都可以用上)。
6.移动进请注意不要受过大的震动,以免影响精度。

参考文献:

1.《机械设计》 濮良贵 纪名钢 高等教育出版社 2003

2.《机械设计手册 (软件版)》 数字化手册编委会 机械工业出版社 2002

3.《MCS一51单片微型计算机原理.接口技术.应用实例》
吕能元,孙育才,杨峰 科学出版社 1993

4.《无线电》 人民邮电出版社 1993.9


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