8應變式扭矩傳感器設(shè)計

應變式扭矩傳感器測試系統(tǒng)設(shè)計摘要應力型轉(zhuǎn)矩傳感器是一類常用的轉(zhuǎn)矩傳感器，其工作原理是將扭轉(zhuǎn)引起的彈性體變形轉(zhuǎn)換成電能，并經(jīng)電路進行處理后輸出。利用杠桿原理，在原有的彈性單元上添加同心環(huán)，使得等間距等距的兩點在圓心角度變化不變的條件下，增大了兩點之間的絕對距離；本項目擬采用減薄粘接應變片的方式，使得變形能最大程度地體現(xiàn)在應變片上，根據(jù)三角關(guān)聯(lián)理論，該方法可以有效改善應變片的變形傳感技術(shù)是當今高科技進步的關(guān)鍵，它的未來方向是信息感知的數(shù)字化、智能化。針對目前轉(zhuǎn)矩傳感器在實際應用中存在的問題，提出了一種采用RS-232通信模式的數(shù)字式轉(zhuǎn)矩傳感器專用測試系統(tǒng)，選擇AT89C51作為轉(zhuǎn)矩傳感器的一部分，實現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩傳感器中的模擬小信號的數(shù)字處理。同時對扭矩傳感器的各種主要技術(shù)參數(shù)的誤差補償和數(shù)據(jù)處理等方面作了深入細致的研究，并利用實驗室實驗的手段驗證了整個系統(tǒng)重復性，時間穩(wěn)定性的良好和基本操作功能的正常。文中的關(guān)鍵詞有：轉(zhuǎn)矩（扭矩）、彈（彈性元件）、測（數(shù)據(jù)采集）、微控制器（單片機）、無線收發(fā)ABSTRACTSensorStraintypetorquesensorisacommontypeoftorquesensor,whichworksbyusingstraingaugestoconvertthedeformationofelasticcomponentsundertorsionintoelectricalenergy,andthenoutputitthroughsubsequentcircuitprocessing.Accordingtotheprincipleofleverage,themethodofaddingconcentriccirclesisadoptedonthebasisoftheoriginalelasticcomponents,soastoincreasetheabsolutedistancechangebetweentwopointswiththesamedistanceondifferentcirclesunderthesamechangeincenterangle;Inordertoreflectthedeformationoftheimprovedelasticelementasmuchaspossibleattheadhesivestraingauge,theschemeadoptsthemethodofthinningthematerialattheadhesivestraingauge.Accordingtothetrianglerelatedtheory,theimprovementofperformancecanplayaverysignificantrole.Sensortechnologyisanimportantfoundationforthedevelopmentofhigh-tech,anddigitizationandintelligencearetheleadingdirectionsforthecurrentdevelopmentofthesensorfield.Thisarticlecombinestherelevantknowledgeofintelligentinstruments,thecurrentapplicationstatusoftorquesensors,andthedesignrequirementsofcommunicationprotocolstodesignadigitalintelligenttorquesensordedicatedmeasurementsystembasedonRS-232communicationmode.TheAT89C51microcontrollerisselectedtodigitizetheanalogsmallsignaloutputbythetorquesensor.Atthesametime,in-depthanddetailedresearchwasconductedontheerrorcompensationanddataprocessingofvariousmaintechnicalparametersofthetorquesensor,andlaboratoryexperimentswereusedtoverifythegoodrepeatability,timestability,andnormalbasicoperatingfunctionsoftheentiresystem.Keywords:torquesensor,elasticelement,dataacquisition,microcontroller,wirelesstransmissionandreception圖5.2無線通信信道模型該系統(tǒng)利用編碼器來對源信號執(zhí)行編碼，其方式與上述所述的重碼法相似，將一組數(shù)據(jù)一幀連續(xù)傳輸四遍，也就是在分組中將一組數(shù)據(jù)拷貝三遍（共計四份），而接收端則通過譯碼器將所接收的數(shù)據(jù)譯碼，如果譯碼器接連兩次收到同樣的地址代碼和數(shù)字代碼，則將該數(shù)據(jù)譯碼。在圖5.3中給出了該編碼器的工作框圖，在圖5.4中給出了譯碼器的工作框圖：上電等待TE使能？發(fā)送4組字碼TE仍使能？ＹＹＹ上電等待TE使能？發(fā)送4組字碼TE仍使能？ＹＹＹNN圖5.3編碼器工作流程圖上電等待接收到信號？地址碼匹配？與前面的數(shù)據(jù)匹配？地址碼匹配？上電等待接收到信號？地址碼匹配？與前面的數(shù)據(jù)匹配？地址碼匹配？存儲數(shù)據(jù)碼數(shù)據(jù)碼輸出VT有效？地址碼仍匹配？地址碼仍匹配？VT無效數(shù)據(jù)輸出復位ＮＹＮＹＮＹＮＮＮＹＹＹ圖5.4解碼器的工作流程圖因為在接收模塊中J04E所收到的首個數(shù)據(jù)很可能會被干擾而產(chǎn)生錯誤，所以在實際應用中必須對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的開始比特進行約定，也就是在無線通訊協(xié)定中指定一個握手信號。利用51微控制器P0端口的低位4比特向編碼器傳送4比特的井線資料，因此，傳送的資料握手訊號為Ox*F、Ox*F、ox*0，接收器將收到的Ox*、Ox*F、Ox*0視為握手信號[41]。圖5.5,5.6示出了無線數(shù)據(jù)傳輸和無線數(shù)據(jù)接收兩個子系統(tǒng)的流程:開始開始初始化發(fā)送信號發(fā)送數(shù)據(jù)發(fā)送校驗數(shù)據(jù)發(fā)送停止位發(fā)送完？返回開始初始化發(fā)送信號是0FH，00H？接收數(shù)據(jù)接收校驗數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)接收完？數(shù)據(jù)處理顯示子程序ＹＮＹＹＹＹＮＹ圖４.5流程圖（數(shù)據(jù)發(fā)送子程序）圖４.6流程圖（數(shù)據(jù)接收子程序）在接收方面，通過對兩位字節(jié)的識別，對兩個字節(jié)進行識別（例如指定0x0F00)，來識別雜波與傳送信號。若所收到的首個字節(jié)非0x0F，則再次進行檢驗，若為0x00，則判定接下來的字節(jié)能否為0x00，若否，則將其后的0x0F00視為合法，要是，則再次進行檢驗。程序?qū)崿F(xiàn)在單片機中如下圖所示:voidexp1()interrupt2{unsignedcharreceive;receive=0x0f;//讀數(shù)據(jù)receive=receive&P1;if(banner==0xff)//標志位是否為0xff{*point=receive;point++;}elseif(receive==0x0f)//檢測第一個字節(jié){Banner=banner||0x0f;}elseif(receiver==0x00&banner==0x0f)//檢測第二個字節(jié){banner=banner||0xff;point=0x41;}elseif(receive=0x0a)//是否為停止位banner=banner&0x00;point=0x41;}}總之，C51可以大大簡化MCS-51系列MCU的程序設(shè)計。開發(fā)者不用花費太多的時間在使用匯編語言進行數(shù)學運算，多條件選擇，存儲管理等等。C51的編譯器已經(jīng)能夠很好地完成上述工作，并且不斷地改進51操作系統(tǒng)的控制和管理。有時候需要使用匯編語言。因此，要充分利用C5l與匯編兩種語言的優(yōu)點，并在此基礎(chǔ)上進行組合設(shè)計，以達到更好地利用C5l與匯編兩種語言的優(yōu)點，從而大大地提高了軟件的開發(fā)效率。因為C51是一種“功能的語言”，所以要達到一種“功能的語言”，其核心就是如何在各種語言中進行功能的交互調(diào)用。C5l在函數(shù)參數(shù)、返回值傳遞規(guī)則、選擇與名稱等方面有較高的要求。這也是一種普遍的原則，在普通的高層和底層的語言之間，也就是，底層的語言要服從高層的程序，并根據(jù)高層的規(guī)范來編寫?？偨Y(jié)這里對智能可程控應變式扭矩放大器的設(shè)計進行了比較系統(tǒng)性的研究。主要的研究內(nèi)容：對扭矩傳感器輸出信號的數(shù)字化處理和無線數(shù)據(jù)采集的設(shè)計。對影響無線數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量的主要因素進行了深入分析與研究。研究工作主要分兩個方面：硬件部分設(shè)計涵蓋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成及各功能實現(xiàn)；軟件部分設(shè)計則著重于無線發(fā)射與接收設(shè)計。主要工作及研究內(nèi)容如下：1)硬件設(shè)計了一套智能扭矩放大器硬件系統(tǒng)，包括扭矩傳感器輸出的小信號放大、單片機控制的A/D轉(zhuǎn)換電路以及數(shù)據(jù)的無線發(fā)射和接收電路。系統(tǒng)穩(wěn)定性好，抗干擾能力強，精度高，集成度高。2)軟件這里我重點介紹了無線發(fā)送與接收中的數(shù)據(jù)傳送流程、通訊協(xié)議的制訂、誤差校正碼的選取等問題，提出了一種簡便、可行的通訊協(xié)定。該儀表具有造價低廉、電路簡單、數(shù)據(jù)傳送穩(wěn)定、適用面寬等特點，經(jīng)現(xiàn)場測試證明，其性能達到了設(shè)計指標，并實現(xiàn)了21倍的智能化放大.目前，該項目還存在一些尚未完全解決的問題：（例如：采用更高效的編譯碼器，采用更高速的發(fā)送/接收模塊等）。

參考文獻[1]周杏鵬等.現(xiàn)代測試技術(shù).高等教育出版社.2004[2]徐愛鈞。智能化測量控制儀表原理與設(shè)計。北京：北京航空航天大學出版社，1995[3]強錫富等.傳感器.哈爾濱工業(yè)出版社.2001[4]文西芹等.扭矩傳感器的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢.儀表技術(shù)與傳感器.2001，12[5]陳浩瀚等.扭矩傳感器在混凝土攪拌勻質(zhì)性補充判據(jù)研究上的應用.2002，4[6]高光天等.傳感器與信號調(diào)理器件應用技術(shù).2002[7]紀鐵剛等.旋轉(zhuǎn)構(gòu)件無線傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).傳感器技術(shù).2003，4[8]胡漢才等.單片機原理及接口技術(shù).清華大學出版社.1996[9]李培全等.AD轉(zhuǎn)換器ICL7135的原理與應用.2000，2[10]張君等.儀表放大器AD623的性能與應用.儀表技術(shù).2002，5[11]毋偉等.高穩(wěn)定無線發(fā)射模塊F05A.現(xiàn)代通信，1999，10[12]馬松.無線局域網(wǎng)應用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢.中國民航學院學報.2003，10[13]王秉鈞等.現(xiàn)代通信系統(tǒng)原理.天津大學出版社.1999[14]李國林等.環(huán)形變壓器供電的應變式扭矩傳感器技術(shù)性能及應用.企業(yè)科技2000，6[15]劉迎春等.現(xiàn)代新型傳感器原理與應用.國防工業(yè)出版社.1998[16]萬德安等.一種新型扭矩傳感器的研制.傳感器技術(shù).2003，11[17]鮑敏杭.集成傳感器.國防工業(yè)出版社.1987[18]陳建洪等.無線收發(fā)芯片nRF401在監(jiān)測系統(tǒng)中的應用.電子技術(shù).2002，11[19]劉高明等.單電源、電源限輸出儀表放大器AD623及其應用.電測與儀表.1999，l[20]朱桂華等.8031單片機與工CL7135接口編程的研究.微計算機信息.1997，6[21]李敬兆等.CIL7135與單片機的三種接口電路分析研究.安徽理工大學學報(自然科學版)，2003，2[22]張培仁.MCS-51單片機原理與應用.清華大學出版社.2003[23]SingleSupply;Rail-To-Rail,LowCostInstrumentationAmplifierAD623.ADIdatabook[24]remotecontrolencoderPT2262.PrincetonTechnologyCorpdatabook[25]DigitA/DConverterwithMultiplexedBCDoutputsICL7135databook[26]DavidC.Yen,DavidC.Chou,Wirelesscommunication:thenextwaveoflnternettechnology，TechnologyinSociety，Volume:23，Issue:2，April，2001,pp.217-226[27]Potter，Bruce，WirelessDeviceDiscovery,NetworkSecurity,Volume:2003,lssue:8，August,2003,pp.4-5[28]NilufarBaghaei,RayHunt,ReviewofqualityofserviceperformanceinwirelessLANsand3Gmultimediaapplicationservices,ComputerCommunications,Volume:27,Issue:17,Novembet1,2004,pp.1684-1692[30]Noori-Khajavi,A.;Komanduri,R.Frequencyandtimedomainanalysesofsensorsignalsindrilling—11.Investigationonsomeproblemsassociatedwithsensorintegration,InternationalJournalofMachineToolsandManufactureVolume:35,Issue:6,June,1995,pp.795-815[31]Hall,RandolphW,Thearchitectureoftransportationsystems,TransportationResearchPartC:EmergingTechmologiesVolume:3,Issue:3,June,1995,pp.129-142[32]Murari,A.;Lotto,L.Wirelesscommunicationus