智能数字扭矩仪设计

　　随着计算机及微电子技术等在测试技术中的广泛运用,以单片机为核心部件的智能仪器无论是在测量的准确度、灵敏度、可靠性、自动化程度、应用功能等方面或在解决测试技术问题的深度及广度方面都有了巨大发展。本智能扭矩仪是在原来的数字扭矩仪的基础上结合单片机控制技术改进而来的。它采用了AT89C52单片机作为其核心部件,结合外围相应的必要电路以实现对被测扭轴的扭矩值的自动指示、显示和数据存储,并且可对多种不同材料、不同直径的被测扭轴进行归一化处理,可判别扭矩正反方向,能自动报警,从而使得仪器成本更低廉,测量更准确,使用更方便。

　　1　设计方案

　　笔者设计的扭矩仪是多功能、多用途、测量精度子检测及控制理论和技术方面的研究。较高的系统,为满足系统的要求,采用差动测量与比值测量相结合的方式,其作用是提高系统的灵敏度、减小温度误差和非线性误差,还可以对传感元件以及电路元件的漂移有补偿作用,提高系统的抗干扰能力。差动测量原理是指利用适当的传感元件将在力矩M作用下扭轴的物理参数ψ转换为与之对应的2个差动信号A,B,最后在数据处理中实现差动测量(A-B)。比值测量是指设定一常数参量,也同一转换通道转换为与A,B同量纲的比较信号C,最后在数据处理中实现比值测量(A-B)/C。差动、比值测量的结果经标度变换,最后实现对扭矩值M的测量。故整机的数学模型为M=K[(A-B)/C],式中K为以(A-B)/C为自变量的标度变换函数。具体设计方案见图1。

　　2　硬件电路设计

　　硬件电路设计可分为模拟输入量的测量转换部分、信号模拟处理、数字处理及AT89C52单片机处理部分、键盘及显示指示部分

       信号转换采用脉宽调制方式。即通过RC无稳多谐振荡器将半导体电阻应变片呈差动的电阻R _T1,R _T2和比较电阻R转换为脉冲宽度信号。信传输方式包括传输信号和信号耦合方式。传输信号选用脉冲位置调制的窄脉冲信号作传输信号。脉冲位置调制是将对应于R _T1,R _T2和R的脉冲宽度信号的前沿和后沿调制成窄脉冲信号,实质上,相当于信号转换的信息包络线。它能提高系统的抗干扰能力,同时也为下一级非接触信号耦合实现提供了保证。信号耦合装置采用非接触式电感集流环作信号耦合装置。图2为信号转换与信号耦合电路图。

　　在信号处理之前应选用适当的脉宽解调器,使3个脉冲宽度T _RT1,T _RT2,T _R得以恢复,并以一路传输逐个地分离出来,以便在每个脉冲中插入计数脉冲转换成数字量。由于信号转换的连续性、循环性,因此需要用一个周期实现电路去控制一个门电路,使每次数字量转换只转换一个周期T内的3个脉冲T _RT1,T _RT2,T _R。这样才能实现正确的数字处理。微处理器选用的是ATMEL公司的8位AT89C52,内带8 kB的FLASH存储器,选用AT89C52可简化硬件电路。