1、 基于环形空间阵列扭矩传感器测量系统的数据处理方法研究重庆大学硕士学位论文（专业学位）学生姓名：杨琛指导教师：喻洪麟教授学位类别：工程硕士（仪器仪表工程）重庆大学光电工程学院二 O一四年五月Research on The Method of Data ProcessingBased on Measurement system of Ring-Space Array Torque Sensor A Thesis Submitted to Chongqing Universityin Partial Fulfillment of the Requirement forProfessional De
2、greeByYang ChenSupervised by Prof. Yu HonglinSpecialty：ME(Instrumentation Engineering Field)College of Optoelectronic Engineering of Chongqing University, Chongqing, China May 2014重庆大学硕士学位论文 中文摘要摘 要扭矩测量技术作为研究大型机械传动系统在各种工作环境与负荷下的动态特性的重要测试方法之一，受到越来越多专家与工程技术人员的重视。近年来随着扭矩测量技术的发展，各种类型的扭矩传感器不断问世。但针对高温、振动、
3、电磁干扰等极端工作环境下的扭矩测量仍无有效方案，因此，国内外众多专家都致力于能用于极端环境下的新型的扭矩传感器及其测量系统的开发与研制。论文作为国家自然科学基金项目“基于球对称的交流电磁感应环型阵列器原理研究”和高等学校博士学科点专项科研基金项目“ 基于环型空间阵列的扭矩测量原理研究” 的研究内容，在分析研究极端 环境下工作的机械设备转轴动态扭矩测量国内外发展状况基础上，针对高温、高湿、强腐蚀、强振动等极端环境下能有效开展工作的环型空间阵列扭矩传感器的需要，结合环形空间阵列传感器的工作原理与输出信号特点，开展了基于环形空间阵列扭矩传感器测量系统的数据处理方法研究，构建了适用于极端环境下机械传动
4、主轴动态非接触式扭矩测量系统，对测量系统进行了硬件与软件优化设计，并重点针对测量系统输出信号的噪声的特点，提出了采用自适应滤波对信号噪声进行处理的方法。论文首先对环形空间扭矩传感器的基本结构与工作原理进行了较为深入的分析，在此基础上优化设计出了环形球栅扭矩测量系统的硬件部分，包括：信号调理电模块、电源模块、控制模块、A/D转换模块以及通信模 块等电路，并分析了各模块的软件设计流程。其次，论文着重分析了测量电路输出信号的处理方法，针对环形球栅扭矩传感器输出信号频率和噪声频率有部分重叠，使用普通数字滤波器进行滤波处理，信号输出效果不理想的问题，提出采用自适应滤波方法对信号进行滤波处理。设计了基于
5、LabVIEW平台的最小均方误差算法（least mean square ，LMS ）和变步长最小均方误差算法（variable step-size least mean square，VSSLMS）的自适应滤波器。最后在仿真的基础上，搭建了基于环形空间阵列扭矩传感器的扭矩实验测量平台。进行测试实验，采用 VSSLMS自适应滤波器对采集信号进行滤波。实验结果表明，VSSLMS自适应滤波器能有效去除环形阵列扭矩传感器测量信号噪声，使输出信号达到较理想的状态。关键词：环型空间阵列，扭矩测量系统，自适应滤波，数据处理，LABVIEWI重庆大学硕士学位论文 英文摘要ABSTRACT As an imp
6、ortant method to study large mechanical transmission systems dynamiccharacteristics under various loads and work environment, Torque measurement attachgreat importance to more experts and engineer technician. With the development oftorque measurement technology, though many torque sensors are develo
7、ped, but theresstill no effective detection scheme in the face of harsh work environments such as hightemperature, strong vibration, strong electromagnetic interference etc. Therefore, manyexperts and scholars commit themselves to develop a new torque sensor andmeasurement system both at home and ab
8、road.The paper is part of the research content of the NSFC project “Research on theprinciple of the ring-space array based on the spherically symmetric and the principal ofelectromagnetic induction” and the project of Natural Science Foundation of Chongqing“Research on dynamic characteristics of mec
9、hanical transmission system under extremeenvironment”. Based on the analytical investigation of actual domestic and internationaldevelopment condition of dynamic torque measurement of mechanical equipment underharsh environments, and according to working needs of the ring-space array sensorunder hig
10、h temperature, high humidity, strong corrosion, strong vibration and otherextreme environment, and combine with the sensors work principle and output signalcharacteristics, we carry out a research on the method of data processing based onmeasurement system of ring-space array torque sensor, the non-
11、contact torquemeasurement system can apply to mechanical transmission spindle under extremeenvironment dynamically, and carry on the design and optimize about hardware andsoftware of measurement system. We propose a method by using adaptive filtering todeal with the signal based on the feature of ou
12、tput signal for measuring system.Firstly, we analyze the basic structure and working principle about the annular ballgrid torque sensor intensively, and hardware of data acquisition system is designed andoptimized. It includes signal conditioning module, power supply module, controlmodule, A/D conve
13、rsion module and communication module. Each designment ofsoftware process of modules are analyzed.Secondly, this paper proposes the adaptive filtering method of processing signal,which aims at some overlap between annular ball grid torque sensor output signalfrequency and noise frequency while the a
14、verage digital filter output signal filteringII重庆大学硕士学位论文 英文摘要effect is not an ideal problem. We design the least mean square (LMS) error algorithmadaptive filter and variable step-size least mean square error algorithm (VSSLMS)adaptive filter based on the LabVIEW platform, and carry on the contrast
15、 simulationand test experiments that make the collected signal filtered by VSSLMS adaptive filter.Finally, we set up a torque experimental measurement platform which is based onring-space array torque sensor for system debugging and the experiment by thesimulation . We do test experiments that make
16、the collected signal filtered by VSSLMSadaptive filter. Experimental results show that VSSLMS adaptive filter can removenoise effectively for measuring in the ring-space array torque sensor torque sensor, andenables output signal to reach ideal state.Keywords: Ring-space Array, Torque Measurement Sy
17、stem, Adaptive Filtering,Data Processing, LABVIEWIII重庆大学硕士学位论文 目 录目 录中文摘要I英文摘要 II1绪论 11.1课题研究背景及意义 11.1.1课题研究背景. 11.1.2课题研究意义. 11.2国内外研究现状 21.2.1基于应力作用的扭矩测量. 21.2.2基于扭转角的扭矩测量. 61.3研究目的和研究内容 111.3.1研究目的. 111.3.2研究内容. 111.4论文结构 111.5本章小结 122环型空间阵列扭矩传感器的工作原理. 132.1扭矩测量的方法 132.1.1电量测量法. 132.1.2非电量测量法. 1
18、32.2环型空间阵列传感器的结构 142.2.1环型空间阵列. 142.2.2磁电式检测器. 152.2.3传感器的总体结构. 162.2.4传感器参数的确定. 162.3传感器的工作原理 182.3.1交流电磁感应原理分析. 182.3.2球对称特性分析. 192.4测量原理分析 212.5本章小结 233数据采集系统的设计 243.1数据采集系统的硬件设计 243.1.1信号调理模块. 25IV重庆大学硕士学位论文 目 录3.1.2电源供给模块. 253.1.3核心控制模块. 253.1.4 A/D转换模块. 263.1.5系统通讯模块. 273.2数据采集系统的软件设计 283.2.1数
19、据采集系统软件整体结构设计. 283.2.2基于微控制器的程序设计. 293.3本章小结 334自适应滤波技术在环形球栅扭矩测量系统中的应用 . 344.1自适应滤波原理 344.2自适应滤波器实现及仿真分析 364.3本章小结 415实验与结果分析. 425.1实验设计 425.1.1实验平台的搭建. 425.1.2扭矩测量实验参数的选择. 425.2实验结果分析 435.3本章小结 446总结与展望 . 456.1总结 456.2展望 46致 谢. 47参考文献. 48V重庆大学硕士学位论文 1 绪论1 绪 论1.1课题研究背景及意义1.1.1课题研究背景近些年来，电子技术、信号处理技术以
20、及计算机技术等各种新技术的迅猛发展加速了工业化的进程，使得越来越多的工业机械设备不断进步，逐步的实现了自动化、微型化、智能化与信息化。但工业机械的发展同样也伴随着一些安全隐患，随着人们对工业机械安全运行的日益关注，就要求我们对各种机械设备参数的掌握也要更加精确，这就对测量技术提出了更高的要求，这也促进了机械测量技术的快速发展。扭矩作为评价旋转机械动力输出的重要指标和反映旋转机械设备运行状况的关键参数之一1、2 ，越来越受到人们的高度重视。现代机械设备都具有运行速度高、功率大的特性。因此，对其运行情况进行实时动态的监测与故障的预报就显得尤为重要，尤其是对大型负载型的、关键性的、无存储性的设备，如
21、水下发电设备主轴、船舶主轴、长途载重卡车等，当其传动系统的主轴过载或受到强烈震动等干扰时，主轴设备可能就会受到严重破坏，造成意外停车或其它更严重的故障，危害性极大，甚至造成大量的人员伤亡 3 4。、因此，准确的测量旋转机械设备的扭矩，对相关产品的质量检验、故障排除及优化设计等具有重要的意义。所以，开展对扭矩测量技术的积极探索与研究是保障旋转机械设备正常运行的重要手段之一 4-7,同时也为提高整个旋转机械设备系统的工作效率提供必要保障和支持。论文针对在高温、高湿、强腐蚀、强振动等极端环境下的扭矩测量仍无有效方法的现状，在国家自然科学基金“基于球对称的交流电磁感应环型阵列器原理研究”和高等学校博士
22、学科点专项科研基金“ 基于环 型空间阵列的扭矩测量原理研究”等项目的 资助下，在分析研究极端 环境下工作的机械设备转轴动态扭矩测量国内外发展状况基础上，结合环形空间阵列传感器的工作原理与输出信号特点，开展了基于环形空间阵列扭矩传感器测量系统的数据处理方法研究，构建了适用于极端环境下机械传动主轴动态非接触式扭矩测量系统，对测量系统进行了硬件与软件优化设计，并重点对测量系统输出信号的噪声产生原因，进行了分析与研究，在此基础上提出了采用自适应滤波对信号噪声进行处理的方法。通过实验平台验证后的方法来提高系统的准确度与可靠性，达到了测量系统在速度、可靠性、精度等方面的要求。1.1.2课题研究意义扭矩切实
23、有效地反映了大型机械设备传动主轴系统的工作状态，而对该参数1重庆大学硕士学位论文 1 绪论的实时动态的测量可以为机械设备的正常运行与故障诊断提供保障和依据，虽然扭矩测量的方法由接触式发展为非接触式、从静态发展到动态，但是仍无法准确且实时显示瞬态扭矩，衡量扭矩传感器的动态性能也就存在很大困难，特别是极端环境下的扭矩测量更是面临着干扰源多、精度低、实时性差等众多的挑战。目前国内外具有代表性的扭矩测量系统都有各自的特点与应用环境，只能解决特定的工程问题，难以满足当前各种恶劣工作环境中在线动态测量的需求。为了使大型机械设备传动主轴的系统性能得到提高，使机械设备可以安全、可靠的运行，设计一种测量精度高、
24、可靠性强并且在极端环境下仍能正常工作的非接触式动态扭矩测量系统，是十分必要的。1.2国内外研究现状在日常生活、工业生产、科学研究中，扭矩测量的需求十分广泛，其中最常见到的就是对机械转轴进行的扭矩测试。目前，无论是从扭力扳手这种微小的工具，还是到较大型的测功机，在市场中，各种各样的扭矩测量装置都能获得并有用武之地。因此，通过对机械转轴上扭矩等参量的测量，就可以实现对机械转轴以及与其相连接装置的控制。扭矩测量不仅为旋转机械的设计提供了有效的科学依据，而且在作为自适应控制系统的信号源、节能指示器以及动力平衡指示器方面有着极其广泛的应用需求8。在市场经济竞争日趋激烈的情况下，扭矩测量由单功能、静态测量
25、逐渐向多功能、动态测量方向发展。随着扭矩测量技术的发展与扭矩测量领域的扩大，出现了各式各样的扭矩测量系统，针对不同的测量环境与测量需求，测量方法也不尽相同。按测量原理分类，扭矩测量方法可分为平衡力法、能量转换法和传递法三大类9，但是究其工作原理，扭矩测量方法可以分为两大类，即基于应力作用的扭矩测量法和基于扭转角式扭矩测量法。1.2.1基于应力作用的扭矩测量基于力传递 的扭矩测量此类扭矩传感器应用范围较广，其中最为常用的是电阻应变片式，该传感器主要是利用粘贴在转轴表面的电阻应变片受到作用于转轴上的应变，从而引起应变片桥路中电压或电流变化，通过对这些变化进行分析、标定就能得到作用在轴上的扭矩的大小
26、。由该传感器组成的测量系统一般包括弹性轴、测量电桥、导电滑环、接口电路等，其中弹性轴是敏感元件，由材料力学可知弹性轴在受到扭矩时，会在与轴线夹角为45方向上产生最大的剪应变，因此常将应变片采取特殊工艺沿上述方向粘贴，如图 1.1所示。通过测量电路确定应变片应变的大小等同于测定转轴应变的大小，进而根据机械知识确定旋转轴的扭矩值。2重庆大学硕士学位论文 1 绪论图 1.1 电阻应变式扭矩测量Fig. 1.1 Strain gauge torque sensor电阻应变式传感器被广泛使用在静态和低速旋转系统的扭矩测量上，测量精度可达0.1%FS10 ，其测量范围比较广，可以满足测量的量程需求。早期制
27、作应变片传感器时需要将应变片电源的输入输出导线接到电源和扭矩测试仪上才能测出扭矩，因此无法应用于旋转轴系的扭矩测量。目前尽管采用滑环等特殊结构可以解决了旋转轴系的扭矩测量问题，但是由于滑环结构比较复杂，因此使用寿命与测量精度较低 11 。随着无线传输技术的发展，基于应力传递的扭矩测量系统也开始使用无线传输 12 ，国内最具有代表性的研究就是利用环形变压器供电的应变式扭矩传感器，实现了能源与信号的非接触式传递，但是鉴于环形变压器庞大的结构与狭小的初、次级间隙，其应用范围有很大的限制。基于力磁效应的扭矩测 量根据磁性材料的伸缩效应来检测应力，即把高磁致伸缩非晶态合金层涂在旋转轴上作为应力感应元件，
28、当旋转轴受到扭矩时，就会导致非晶态合金层的磁导率发生变化，轴表面磁阻特性从而呈现各向异性，并导致磁力线重新分布，进而引起绕在铁心上的线圈产生感应电动势，根据感应电动势的大小就可获取轴受扭矩的大小，结构原理图如 1.2所示。3重庆大学硕士学位论文 1 绪论图 1.2 磁致伸缩式扭矩测量Fig. 1.2 Magnetostrictive sensor for torque measurement根据材料的力磁效应的原理，能加工成多种类型磁致伸缩式（磁弹式）扭矩传感器，如日本的山琦二郎，就在旋转轴表面反复喷涂具有强大粘附力的线爆喷涂膜而形成斜条形模，而后再利用获得的斜条形膜组成双磁芯多谐振荡器桥路而
29、制作扭矩传感器。日本的科学家 Sasada 等人将 Fe 基非晶薄带呈八字形粘贴在转轴表面，成功研制出螺线管式扭矩传感器 13 。美国麻省磁弹性器件公司依据霍耳效应也成功研制出一种磁弹式传感器，且无需激发线圈驱动。在上个世纪 80年代，我国国内已经在实验室开始了磁弹性扭矩传感器的研究和制造，以逆磁致伸缩效应为原理的双“” 型扭矩 传感器是其中的典型代表14大连理工大学以直流励磁以及元器件进行检磁的方法为基础研究设计了分叉型磁弹性扭矩检测器，为了提高测量准确性，必须对缺口气隙实现足够的补偿；一般通过可靠的控制电路可以使得磁通恒定，配合乘积电流，便能够使测量系统的运。行比较稳定，进而实现可靠的扭矩
30、测量 15 。此外，国内学者王荣等人根据等离子法将一种特制的软磁合金薄带粘贴在转轴的表面研制出一种能够改善 “角度依存性”逆磁致伸 缩扭矩传感器。文西芹等人在通 过利用粘在轴表面的两组铁基非晶薄带的磁导率变化会引起线圈中电压变化来测量扭矩16 。基于力磁效应的扭矩测量属于非接触式扭矩测量，主要是利用磁性耦合技术将磁场信息传递给测量仪器，其具有动态特性好、超载能力强、可靠性高等优点，比较适合大扭矩的测量。但由于传感器测量的是涂在轴上磁致伸缩层材料的应力，如何精确的转变成转轴本身的应力或扭矩值还需深入研究，同时这种传感器受外界电磁干扰影响大，使其测量精度不超过 1.5%，因此不适宜在恶劣的环境下长
31、期工作。基于力电效 应的扭矩测 量4重庆大学硕士学位论文 1 绪论此类扭矩测量主要是利用压电石英晶片扭转效应实现，当一个压电石英晶片的端面受到扭矩的作用时，其端面就会产生一定量的束缚电荷，电荷的密度与端面所受的扭矩呈严格线性关系，通过合理的方式将这些因受扭矩作用而产生的非线性束缚电荷引出检测，通过电荷的多少就获取扭矩的大小，实现了度量和应用石英晶片扭转效应。压电石英式扭矩传感器不但具有结构简单、成本低、刚度高、线性好等优点，其最显著的优点还是高绝缘阻抗与高稳定性，比较适合小扭矩测量17 ，对于高速、强震轴系或大扭矩轴系来说，难以实现测量。基于力电声的声表面波扭矩测量声表面波（SAW）技术是近些
32、年才发展起来的一种新技 术，SAW 传感器是利用器件本身的高频特性与基片的压电特性来实现扭矩测量的无线无源化。SAW 扭矩传感系统的天线和与其相连的叉指换能器（IDT）将接收的信号转换为 SAW 并沿压电基片表面传播，部分被反射回的 SAW携带 了旋转轴的扭矩信息，通过 IDT转换成电磁脉冲序列然后通过天线发出去并被雷达接收，该扭矩测量系统融合了SAW技术与雷达探测技术，较典型的无线声表面波式扭矩 测量系统如 1.3所示。(a) SAW扭矩传感器结构(b)遥 测 系统原理图图 1.3 无线声表面波式扭矩测量Fig.1.3 Torque measurement of wireless SAW无线
33、声表面波式扭矩测量法的优点是可以达到无源化测量和无线测量； SAW传感器几乎不老化，可以节约成本；能适应恶劣环境。利用 SAW 在固体表面传播5重庆大学硕士学位论文 1 绪论速度低、波长短的特点制作出的扭矩传感器，具测量精度高、量程宽、速度快且能无线传输等优点，国内的基于声电感应的无源无线 SAW 扭矩传感器在清华大学首次得到实现18，但是由于 SAW贴片制作困难且极易受到干 扰，目前仍有待进一步的完善19 。基于光弹效 应的扭矩测 量光弹效应就是指光照射受到应力作用的光弹性材料时产生双折射的现象，且折射率与应力的大小是相关的。而基于该效应的测量器件已在测量压力、振动等力学量上被使用，而对于应
34、用于扭矩测量则又是该效应应用范围的一个新的拓展。基于光弹效应而研发的扭矩测量系统充分利用了光弹性材料光的非接触特性和应力敏感性，P.Horvth与A.Nagy在其2009年的专著Recent Advances in Mechatronics中给出了详细说明，光弹效应扭矩测量装置如图 1.4所示。图 1.4 基于光弹效应的扭矩测量Fig. 1.4 Torque measurement based on photoelastic effect当转轴受到扭矩作用时，套在转轴外侧的光弹性材料套管就会感应到应力变化，当用一束偏振光照射到套管上，光线就会经过一次反射与两次透射后到达测量接收端，通过测量接收
35、端透过检偏镜的光强，就能间接测量出转轴上扭矩值。此类扭矩传感器的测量范围可达 0.001Nm，但是该扭矩传感器结构复杂，安装困难，对环境要求高，目前仍处停留在实验室研究阶段。1.2.2基于扭转角的扭矩测量当旋转轴在受到扭矩的作用时，会产生切应力，同时轴还会产生相应的扭转角。因此，通过对旋转轴的扭转角进行测量，也是测量转轴系统所受扭矩的一个重要途径，目前，基于扭转角的扭矩测量主要存在以下几种。6重庆大学硕士学位论文 1 绪论基于多普勒效应的激光扭矩 测量基于激光多普勒效应的扭矩传感器工作时的原理如图 1.5所示，同一个激光器发出的光束通过分光镜后分成两束完全相同的光并分别照射到两个截面，每一个截
36、面的光束又被分成了间距为 d且相同的两束光照射到转轴，转轴表面的散射光沿原路返回，通过折射镜后到达光电检测器上表面，然后与参考光束叠加形成多普勒差拍频率并被检测，其工作原理如图 1.5所示9图 1.5 激光扭矩测量光路结构Fig. 1.5 Light path for measuring torque by laser从图可知，只要确定了激光的入射位置、入射角及时间，就能测出转轴受到扭矩后的扭转角，进而计算出转轴所受扭矩。激光多普勒式扭矩测量法的优点是效率，灵敏度及准确度都很高，且为非接触测量不改变转轴运行状态和不受转轴形状影响；其缺点是成本高，结构复杂，安装及调试难度大，不适合大规模应用20
37、基于磁电感 应的扭矩测 量。基于磁电感应原理设计出的扭矩传感器称为磁电位差式扭矩传感器，如图 1.6所示。在被测的弹性转轴间隔一定距离的两端分别安装一个规格相同的齿轮，然后沿齿轮的径向方向固定一个电磁传感器，线圈与磁芯之前留出微小缝隙。当轴7重庆大学硕士学位论文 1 绪论旋转时，两端的电磁传感器由于磁电感应分别产生感应电动势。当无扭矩作用时，轴上安装的两齿轮处的电磁传感器的感应电压相位差相同，而当有扭矩作用时，两感应电压就会存在相位差，且与转轴所受扭矩成正比。图 1.6 磁电式相位差扭矩测量Fig. 1.6 Magnetoelectric torque measurement7此类扭矩传感器具
38、有结构简单、工作稳定可靠、不需要外部电供电以及信号输出传递环节，可对信号直接处理，适用范围广，同时根据信号频率还可以确定机械轴的转速等特点21 。但是由于其动态性能差，只能用于启动与低速转动或大扭转角的扭矩测量，无法用于高速转动中的扭矩测量21基于光电感 应的扭矩测 量。基于光电感应的扭矩测量系统主要由弹性轴、光电码盘、发光管以及光敏元件组成，如图 1.7所示。轴两端的相对位置分别固定沿环形均匀排列着透光区与不透光区的光电码盘，由发光管和光敏元件组成光电转换电路并固定在码盘的两侧。若转轴不受扭矩时，码盘 A的透光区与码盘 B的不透光区完全相 对，此时光敏元件无光照刺激，也无电信号输出。若转轴受
39、到扭矩作用时，码盘 A 和码盘 B 发生相对位移，形成一个透光口，光电感应元件便接收到光线照射，输出一定大小的光电流。当转轴受到的扭矩越大，两个圆盘间透光口开度越大，光电感应元件受光照的时间越长，因此光电流脉冲的宽度也越宽。由此可见，输出电流脉冲的宽度与扭矩成正比。这样转轴所受扭矩转化成码盘的相对信息被输出，就实现了扭矩的动态测量22 。8重庆大学硕士学位论文 1 绪论图 1.7 光电式扭矩测量Fig. 1.7 Optical torque sensor基于这种原理，在国外，LUCAS公司开发了一种新型的光电式扭矩测量系统，它被广泛用于汽车 EPS系 统中；日本研制也出应用于控制机器人手臂的新
40、型光 电式传感器。在国内，重庆大学也研制出一种新型的光电式扭矩传感器，利用 CCD取代光电池，成功解决了电池响应不足问题23。基于角度位移转换的扭矩 测量此类扭矩传感器把转轴形变所产生的扭转角转化为可以量化的位移，即基于螺管形差动变压器的扭矩传感器，主要由铁芯、衔铁、线圈组合及扭角转换位移装置等部分组成，结构如图 1.8所示。在转轴上安装一个装有轴承的凸块，转轴的外侧装有管状衔铁，内部有螺旋槽，凸块顶端便固定在此槽中，当轴受到扭矩时，凸块就会绕轴线发生扭转，进而带动衔铁套筒沿转轴轴向移动，这样套在衔铁外的线圈组就会产生感应电动势，且可以证明此电动势的大小与转轴所受扭矩的大小呈正比例关系，这样就
41、可以通过测量线圈的感应电动势实现扭矩的测量。该扭矩传感器对机械加工技术要求较高，测量精度较低，且容易受振动等因素影响，无法应用于恶劣环境下的扭矩测量24 。9重庆大学硕士学位论文 1 绪论图 1.8 螺管形差动变压器扭矩测量Fig. 1.8 Solenoid-type differential transformer sensor综上，基于电阻应变、磁电效应与光电效应等原理研制的扭矩传感器难以在高温、高湿、振动、腐蚀等极端环境下长期可靠地运行。磁电式与应变式扭矩传感器虽然应用范围比较广，但是对经常被粉尘水汽、和油污覆盖的转轴进行测量时，就难以保障其精度、稳定性及可靠性。由于机械设备的转轴一般不
42、允许被拆装或改造，所以传统的相位差式扭矩传感器也难以发挥其作用。此外，如何对处于高速旋转状态下轴系上的扭矩传感器进行可持续、非接触供能并将传感器获取的扭矩信号准确、快速地传递至监控装置也是亟待解决问题，因此，设计一个能够在极端环境下稳定运行的非接触式扭矩传感器势在必行。由国内外的研究发展概况可知，扭矩测量正逐渐由由静态测量转向动态在线监测，接触式测量转向非接触式测量，间接性的测应力转向直接测应力，尤其是新技术新材料的发展使得非接触式测量取得了突破性发展，并为高可靠性及不间断扭矩测量提供了至关重要的解决方法 25 。其次，数字化、微型化、智能化及虚拟化也是扭矩测量的新发展，微处理器的广泛应用与软
43、件持续开发使测量突破了传统的结构性限制，系统各种参数变化更具有自适应性，使得转速、扭矩及输出功率之间实现优化配置，保障机械设备稳定运行 26 。再次，扭矩测量产品抗干扰性、可靠性及稳定性不断增强，向着更适应恶劣的工业环境方向发展 27量速度与测量精度也大幅度得到提高。，同时测10重庆大学硕士学位论文 1 绪论1.3研究目的和研究内容1.3.1研究目的论文为国家自然科学基金“基于球对称的交流电磁感应环型阵列器原理研究”和高等学校博士学科点专项科研基金“基于环型空间阵列的扭矩测量原理研究”项目的部分研究内容。针对当前在高湿、高温、强冲击、强腐蚀等特殊工业环境下机械旋转轴动态扭矩的长时间在线测量仍然
44、没有找到一种高效、可靠的检测手段，基于环形空间扭矩传感器的基本原理，设计研制可实现实时动态检测的扭矩测量系统。该系统能够在极端环境下工作，从而降低系统维护频率与维护成本，提高了系统的测量精度与可靠性，而其实时在线监测的功能则为机械设备安全运行与故障排除提供理论依据。1.3.2研究内容论文针对之前研究中对环形空间阵列扭矩测量系统信号采集的质量和准确度等的优化的基础上，对其输出的数据进行研究与优化。首先，论文分析研究了环形空间阵列扭矩传感器结构构成与工作原理，总结了环形空间阵列扭矩传感器的现有研究成果。其次，从硬件和软件两方面简要的分析了扭矩测量系统。并通过分析选取合适的硬件来建立扭矩测量系统硬件
45、环节，分析了扭矩测量系统的各主要模块的程序流程图。从软件和硬件两方面优化输出系统。然后根据信号的输出特点，对自适应滤波算法进行了着重的分析与研究，并利用虚拟仪器软件 LabVIEW对此算法进行了进行分析设计。最后，将设计完成的自适应滤波信号处理系统进行模拟仿真，并在搭建的机械试验平台，对此系统进行实验验证。1.4论文结构论文是针对研究内容的具体展开，共分六章进行阐述。第一章主要介绍了本文所要研究的扭矩测量系统的研究背景及国内外发展现状，并阐述了国内外各种扭矩测量系统的发展并对其抗干扰性能进行了分析研究；第二章主要介绍了扭矩测量的原理，然后根据球对称性理论以及交流电磁感应的基本原理，设计了环型空
46、间阵列扭矩传感器，并在此基础上描述了传感器的工作原理、确定了传感器的参数，并介绍了基于环型空间阵列传感器的扭矩测量系统的测量原理；第三章从硬件和软件两方面简要的分析了扭矩测量系统。并通过分析来选取合适的硬件，优化了扭矩测量系统硬件环节，分析了扭矩测量系统的各主要模块的程序流程图。11重庆大学硕士学位论文 1 绪论第四章从输出信号的特点出发，着重介绍了自适应滤波去噪算法，并对其进行分析和研究。并在虚拟仪器软件 LabVIEW上进行软件设计分析。第五章为环型空间阵列传感器扭矩测量系统的实验部分，验证自适应滤波去噪算法可行性，并完成实验部分的误差分析；第六章对本论文进行总结和展望。论文针对研究内容的
47、具体展开，共分为六章进行阐述。1.5本章小结本章介绍了扭矩测量的历史现状与发展趋势，在比较各种类型的扭矩测量方法优缺点的基础上，引出了论文的研究内容，即“基于环形空间阵列扭矩传感器系统的数据处理的方法研究”。12重庆大学硕士学位论文 2 环型空间阵列扭矩传感器的工作原理2 环型空间阵列扭矩传感器的工作原理在实际工程中，尤其是拥有许多构件的机械系统，其主要的变形形式是来自于扭转。例如作为机械动力传输的传动轴，其靠近驱动源的一端会受到动力源传来的动力偶作用，而靠近负载的一端又会受到来自于负载的阻力偶的作用，这一对力偶大小相等、转向相反，二者的作用面与传动轴的轴线垂直，这样就会使传动轴产生扭转变形，
48、从而使各个截面绕轴线发生相对扭转。构件在扭转时，其横截面上的内力是一个位于截平面内的内力偶，其力偶矩称为扭矩，一般用 T表示。2.1扭矩测量的方法在机械传动轴的扭矩测量方法方面，其测量的方法众多，但是按照测量的基本原理可以将其分为两大类：电量测量法和非电量测量法 28 。这两种方法均属于间接测量法。2.1.1电量测量法通过对驱动传动轴的电机的电流（或功率）以及转速的测量，就可以推算的出扭矩的值。假设已经测量出电机的功率 P(KW)和 转速 n（r/min ），又测出了空载时的功率P 0和转速n0， 则电机传动轴的转矩T（Nm）为：= 9550 . 0 0/ (2.1)0(2.1)式中 电机的效
49、率，当功率为额定功率的（0.5 1.2 ）倍时， = 0.8 0.94 ；0空载时的效率，一般为0.4 0.5。利用电量这种测量扭矩的办法不需要使用其它额外的辅助设备，比较容易实现。但是这种方法测得的结果即扭矩值的误差较大，因此具有一定的局限性。2.1.2非电量测量法平衡力法假设传动机械构件处在匀速工作的状态，则当它的主轴受扭矩作用时，其机体和主轴上在同一时件一定存在一对大小相等、方向相反的扭矩 T和 T。通过测量机体上的 T来测量主轴上 T的方法称为平衡力法 9。设 F为作用在力臂上的力，L代表力臂的长度，则 = 。可见，只要知道 F 和 L，就可得出 T和 T。用这种方法测量扭矩是，不存在从旋转构件到静止构件的扭矩信号的传递问题，而在力臂上施加的力又很容易被测量仪器测出；但是这种测量方法仅适用于匀速工作状态，因此无法完成动态扭矩的测量。传递法13重庆大学硕士学位论文 2
