扭矩-壓力復(fù)合檢測傳感器試驗性設(shè)計-畢業(yè)論文開題報告

畢業(yè)設(shè)計畢業(yè)設(shè)計/ /論文論文 開開題題報報告告 課 題 名 稱扭矩-壓力復(fù)合檢測 傳感器試驗性設(shè)計 院系機電與自動化學(xué)院 專業(yè)班機械電子工程 1006 班 姓名鄭 世 昌 評分 指 導(dǎo) 教 師 華中科技大學(xué)武昌分校 畢業(yè)設(shè)計開題報告撰寫要求畢業(yè)設(shè)計開題報告撰寫要求 1. 開題報告主要內(nèi)容 1）課題設(shè)計的目的和意義； 2）課題設(shè)計的主要內(nèi)容； 3）設(shè)計方案； 4）實施計劃。 5）主要參考文獻：不少于 5 篇，其中外文文獻不少于 1 篇。 2撰寫開題報告時，所選課題的課題名稱也不得多于 25 個漢字，課題設(shè) 計份量要適當， 設(shè)計中必須是自己的設(shè)計內(nèi)容。 3. 開題報告的字數(shù)不少于 2000 字（藝術(shù)類專業(yè)不少于 1000 字），格式按 華中科技大學(xué)武昌分校本科畢業(yè)設(shè)計/論文撰寫規(guī)范的要求撰寫。 4. 指導(dǎo)教師和責任單位必須審查簽字。 5開題報告單獨裝訂，本附件為封面，后續(xù)表格請從網(wǎng)上下載并用 A4 紙 打印后填寫。 1 華中科技大學(xué)武昌分校學(xué)生畢業(yè)設(shè)計開題報告 學(xué) 生 姓 名鄭世昌學(xué)號20101100364專業(yè)班級機電 1006 班 系別機電與自動化學(xué)院指導(dǎo)教師劉海職稱講師 課題名稱扭矩-壓力復(fù)合檢測器的試驗性設(shè)計 1 課題設(shè)計的目的和意義 1.1 課題設(shè)計的現(xiàn)狀 復(fù)合型傳感器本身是一個組合體可以理解為一個整體，在這個組合體中，集成了 2 個及以上的檢測不同物理量的傳感器單元。 這些傳感器單元信號可以各自單獨輸出通常 為模擬信號， 高級的則由組合體中嵌入的處理器測量后按照規(guī)定的格式集中輸出。 例如， 用于水質(zhì)檢測的復(fù)合傳感器，一個探頭置于水中，可以檢測多種水中化學(xué)物質(zhì)的含量。 軸承用復(fù)合傳感器通常集成有溫度、振動加速度、承重等參數(shù)測量用傳感器。這樣比單 獨的溫度傳感器，振動加速度等分開來測量方便很多。由于軸承類型眾多，使用環(huán)境和 條件更多，所以，目前固定型號的軸承故障診斷復(fù)合傳感器還不多見，通常是針對具體 應(yīng)用場合設(shè)計的專用復(fù)合傳感器。 軸承用復(fù)合傳感器的設(shè)計難點在于結(jié)構(gòu)設(shè)計， 如何在 狹小而特殊的結(jié)構(gòu)體中合理布置傳感器單元。傳感器和處理單元本身技術(shù)比較成熟。 復(fù)合型傳感器近幾年非常熱門尤其是在軸承和自動化行業(yè)， 現(xiàn)在復(fù)合傳感器已經(jīng)站 到了傳感器市場的很多份額， 相信隨著時間的推移復(fù)合傳感器傳感器的種類會進一步增 多，性能也會更加優(yōu)越。 1.2 課題設(shè)計的意義 新技術(shù)革命的到來，世界開始進入信息時代。在利用信息的過程中，首先要解決的 就是要獲取準確可靠的信息，而傳感器是獲取自然和生產(chǎn)領(lǐng)域中信息的主要途徑與手 段。 在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)尤其是自動化生產(chǎn)過程中， 要用各種傳感器來監(jiān)視和控制生產(chǎn)過程 中的各個參數(shù)，使設(shè)備工作在正常狀態(tài)或最佳狀態(tài)，并使產(chǎn)品達到最好的質(zhì)量。因此可 以說，沒有眾多的優(yōu)良的傳感器，現(xiàn)代化生產(chǎn)也就失去了基礎(chǔ)。 傳感器早已滲透到諸如工業(yè)生產(chǎn)、宇宙開發(fā)、海洋探測、環(huán)境保護、資源調(diào)查、醫(yī) 學(xué)診斷、生物工程、甚至文物保護等等極其之泛的領(lǐng)域?？梢院敛豢鋸埖卣f，從茫茫的 太空，到浩瀚的海洋，以至各種復(fù)雜的工程系統(tǒng)，幾乎每一個現(xiàn)代化項目，都離不開各 種各樣的傳感器。 由此可見，傳感器技術(shù)在發(fā)展經(jīng)濟、推動社會進步方面的重要作用是十分明顯的。 2 1.3 課題設(shè)計的目的 本課題提出一種“扭矩-壓力復(fù)合檢測傳感器”的試驗性設(shè)計任務(wù)，主要是集成扭 矩-壓力檢測于一體，通過一個傳感器檢測出兩種軸類參數(shù)指標，該傳感器安裝方便， 檢測數(shù)據(jù)可靠。 2 課題設(shè)計的主要內(nèi)容 根據(jù)課題設(shè)計的目標分析可知，需要開發(fā)一種扭矩-壓力復(fù)合傳感器，那么課題設(shè) 計的主要內(nèi)容有如下幾點： （1） 機械結(jié)構(gòu)方案的擬定； （2） 機械設(shè)計； （3） 結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵零部件的剛度計算與校核； （4） 電子系統(tǒng)的設(shè)計和安裝及布線設(shè)計； （5） 各類傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理研究及信號傳輸，查閱相關(guān)文獻和產(chǎn)品樣本； （6） 放大器的選型及設(shè)計研究； （7） 測量系統(tǒng)供電電源的研究。 3 3 設(shè)計方案 3.1 任務(wù)分析 在通常情況下， 扭矩和壓力可以單獨測量的， 但如果被測軸本身的力學(xué)結(jié)構(gòu)決定了 同時含有扭矩和壓力兩種負載， 而測量力的傳感器原理大多采用應(yīng)變片測量， 這樣就會 導(dǎo)致：當測量扭矩時，壓力負載會對扭矩的測量帶來干擾，致使扭矩測量誤差增大，同 樣；當測量壓力時，扭矩負載會對壓力的測量帶來干擾，致使壓力測量誤差增大。本課 題提出一種“扭矩-壓力復(fù)合檢測傳感器”的試驗性設(shè)計，主要是集成扭矩-壓力檢測于 一體，通過一個傳感器檢測出兩種軸類參數(shù)指標，該傳感器安裝方便，檢測數(shù)據(jù)可靠。 3.2 研究的方向 根據(jù)任務(wù)分析， 可知本課題的研究主要是運用傳感器的知識和理論， 設(shè)計一種復(fù)合 傳感器檢測裝置，那么課題的研究方向如下： （1） 機械結(jié)構(gòu)方案的擬定； （2） 結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵零部件的剛度計算與校核； （3） 電子系統(tǒng)的設(shè)計和安裝及布線設(shè)計； （4） 各類傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理研究及信號傳輸，查閱相關(guān)文獻和產(chǎn)品樣本； （5） 放大器的選型及設(shè)計研究； （6） 測量系統(tǒng)供電電源的研究。 3.3 設(shè)計的方案 3.3.1扭矩傳感器 扭矩傳感器是對各種旋轉(zhuǎn)或非旋轉(zhuǎn)機械部件上對扭轉(zhuǎn)力矩感知的檢測。 扭矩傳感器 將扭力的物理變化轉(zhuǎn)換成精確的電信號。 扭矩測試比較成熟的檢測手段為應(yīng)變電測技術(shù)， 它具有精度高、 頻響快、 可靠性好、 壽命長等優(yōu)點。 將專用的測扭應(yīng)變片用應(yīng)變膠粘貼在被測彈性軸上，并組成應(yīng)變橋， 若向應(yīng)變橋提供工作電源即可測試該彈性軸受扭的電信號。 這就是基本的扭矩傳感器模 式。 應(yīng)變片傳感器扭矩測量采用應(yīng)變電測技術(shù)。在彈性軸上粘貼應(yīng)變計組成測量電橋， 當彈性軸受扭矩產(chǎn)生微小變形后引起電橋電阻值變化， 應(yīng)變電橋電阻的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦?號的變化從而實現(xiàn)扭矩測量。傳感器就完成如下的信息轉(zhuǎn)換；傳感器由彈性軸、測量電 橋、儀器用放大器、接口電路組成。 扭矩傳感器的基本原理：采用應(yīng)變片電測技術(shù)，在彈性軸上組成應(yīng)變橋。如圖 1 所示： 4 圖 1 測量原理圖 這種傳感器檢測精度高、穩(wěn)定性好、抗干擾性強；不需要反復(fù)調(diào)零，可以測量正反 扭矩。 應(yīng)變片全橋電路如圖 2 所示： 圖 2 應(yīng)變片全橋電路 扭矩傳感器測量系統(tǒng)方框圖如圖 3 所示： 圖 3 系統(tǒng)方框圖 扭矩傳感器應(yīng)變片分布圖如圖 4 所示： 圖 4 應(yīng)變片分布圖 5 3.3.23.3.2 壓力傳感器 壓力傳感器是工業(yè)實踐中最為常用的一種傳感器，廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)的自控環(huán) 境。將電阻應(yīng)變片粘貼在彈性元件特定表面上，當力、扭矩、速度、加速度及流量等物 理量作用于彈性元件時， 會導(dǎo)致元件應(yīng)力和應(yīng)變的變化， 進而引起電阻應(yīng)變片電阻的變 化。 電阻的變化經(jīng)電路處理后的以電信號的方式輸出， 這就是電阻應(yīng)變式傳感器的工作 原理。 力學(xué)傳感器的種類繁多，如電阻應(yīng)變片壓力傳感器、半導(dǎo)體應(yīng)變片壓力傳感器、壓 阻式壓力傳感器、電感式壓力傳感器、電容式壓力傳感器、諧振式壓力傳感器及電容式 加速度傳感器等。電阻應(yīng)變壓力傳感器按其應(yīng)變化的分類來說，主要有電阻絲應(yīng)變片、 半導(dǎo)體應(yīng)變片兩類。電阻應(yīng)變壓力傳感器如圖 5 所示： 圖 5 電阻應(yīng)變壓力傳感器 電阻絲應(yīng)變片一般是粘貼在傳感器的彈性體上， 當傳感器承受壓力后的， 彈性體產(chǎn) 生形變，引起粘貼在彈性體上的應(yīng)變片電阻值變化。在一般情況下，傳感器內(nèi)都是由 4 個應(yīng)變片組成一個測量電橋， 在大多數(shù)的使用情況下， 傳感器內(nèi)部 4 個應(yīng)變片同時受力， 并且在受壓形變的作用下，2 個應(yīng)變片阻值增大，2 個變小。 電阻應(yīng)變壓力傳感器的激勵方式有恒壓源和恒流源兩種。 在較理想的條件下， 采用 恒流源方式比恒壓源在減少溫度誤差方面有更多的改善。 6 1-應(yīng)變筒；2-外殼；3-密封膜片 圖 6 應(yīng)變式壓力傳感器示意圖 以金屬絲應(yīng)變電阻為例分析， 當金屬絲受外力作用時， 其長度和截面積都會發(fā)生變 化， 從上式中可很容易看出， 其電阻值即會發(fā)生改變， 假如金屬絲受外力作用而伸長時， 其長度增加，而截面積減少，電阻值便會增大。當金屬絲受外力作用而壓縮時，長度減 小而截面增加，電阻值則會減小。只要測出加在電阻的變化（通常是測量電阻兩端的電 壓） ，即可獲得應(yīng)變金屬絲的應(yīng)變情況。 壓力傳感器測量系統(tǒng)方框圖如圖 7 所示： 圖 7 壓力傳感器測量系統(tǒng)方框圖 3.3.33.3.3 復(fù)合傳感器的提出 在通常情況下， 扭矩和壓力可以單獨測量的， 但是如果被測軸本身的力學(xué)結(jié)構(gòu)決定 了同時含有扭矩和壓力兩種負載， 而測量力的傳感器原理大多采用應(yīng)變片測量， 這樣就 會導(dǎo)致：當測量扭矩時，壓力負載會對扭矩的測量帶來干擾，致使扭矩測量誤差增大； 同樣，當測量壓力時，扭矩負載會對壓力的測量帶來干擾，致使壓力測量誤差增大。 而本課題就是設(shè)計一種將扭矩傳感器和壓力傳感器集于一體，通過一個傳感器檢 測出兩種軸類參數(shù)指標，該傳感器安裝方便、檢測數(shù)據(jù)可靠。 數(shù)據(jù)分析方式：在給定一個壓力值的前提下測量出扭矩值，然后改變壓力值，測 出改變后的扭矩值，如此測量數(shù)次；或者在給定一個扭矩的前提下測量出壓力值，然 7 后改變扭矩值，測出改變后的壓力值，如此測量數(shù)次。最后把得到的數(shù)據(jù)用相關(guān)分析的 方法和矩陣分析的方法進行數(shù)據(jù)處理，得到準確的扭矩值或者壓力值。 復(fù)合傳感器如圖 7 所示： 圖 7 壓-扭矩復(fù)合力傳感器 8 4 實施計劃 （1） 20132014（上）第 2021 周借閱圖書，下載資料，查閱資料，認真研 究課題； （2） 20132014（下）第 12 周撰寫開題報告和外文翻譯；開題報告答辯； （3） 20132014（下）第 39 周根據(jù)擬定的課題實施方案，進行深入研究， 完成扭矩壓力復(fù)合檢測傳感器的設(shè)計和制作； （4） 20132014（下）第 1012 周撰寫并提交畢業(yè)設(shè)計論文初稿，指導(dǎo)教師 批改論文，給出指導(dǎo)意見，學(xué)生修改論文，定稿； （5） 20132014（下）第 13-14 周修改論文，定稿； （6） 20132014（下）第 15 周完成畢業(yè)答辯。 5 主要參考文獻 1 戴文進，陳瑛，楊莉.電機與電力拖動基礎(chǔ)學(xué)習(xí)知道M. 北京：清華大學(xué)出版社， 2012 2 劉海成單片機及應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計原理與實踐M北京：北京航空航天大學(xué)出版社， 2009 3 李廣弟， 朱月秀單片機基礎(chǔ) （第3版） M 北京：北京航空航天大學(xué)出版社， 2007 4 潘煉. 傳感器原理及應(yīng)用M.北京：電子工業(yè)出版社，2012 5 周永軒，袁芳，高鵬毅等電工電子學(xué)（第2版）M武漢：華中科技大學(xué)出版社， 2