回转机械扭矩测量系统设计

　　1　扭矩测量系统的工作原理及性能设计

　　考虑到许多扭矩测量的工作环境恶劣,测量系统的外壳需要防爆设计,安装在旋转轴上的无线发射信号将会被壳体完全屏蔽,外部无法接收,所以研制的 扭矩测量系统运用了局部的无线传输,其组成包括4部分:(1)安装于旋转轴上的扭矩测量、无线数据发射电路;(2)固定于壳体上的转速测量、无线数据接 收、串口通讯电路,;(3)固定于地面的数据接收、处理、显示装置;(4)旋转轴上测量电路的感应供电装置。

　　系统的工作原理是:扭矩传感器将扭矩信号转化成电信号,经放大器放大后送入A/D转换器,单片机控制A/D转换器将采集的模拟信号转换成数字信号,通过发射模块发送出去。接收端接收到信号后进行分析处理,得到正确的扭矩数据,把数据送到上位机监测软件显示数据。

　　2　应变型扭矩传感器工作原理

　　此类传感器是目前国内外使用最多的一种传感器,它采用在旋转轴表面贴应变片的传统方法,利用适当的电路取得信号,然后进行分析处理。

　　应变片可以直接贴在需要测量扭矩的转轴上,也可以贴在一根特制的轴上制成应变式扭矩传感器,用于需要测量扭矩的场合。图1为应变式扭矩传感器, 在沿轴±45°方向上分别粘贴有4个应变片,感应轴上的最大正、负应变,将其组成全桥电路,则可输出与扭矩M成正比的电压信号。这种接法可以消除轴向力和 弯曲力的干扰。

　　应变式扭矩传感器的检测电路可以采用传统的全桥式测量电桥电路,图2所示为全桥式测量电路。

3　系统硬件电路设计

　　系统采取模块化的电路设计思想,包括电源电路、放大电路、A/D转换电路、单片机主体电路、无线发射电路、无线接收电路、RS232串口通讯电路。

        (1)模数转换接口电路设计

　　AD7705与单片机的接口电路如图3所示。扭矩测量系统由应变测量桥路测得与扭矩成正比的电压信号,将AD7705的CS直接连接到低电平, 与AT89S52单片机采用4线连接。单片机的　　ALE端输出的是时钟信号6分频的脉冲序列,提供给AD7705的时钟输入端,省去了晶振电路。为了简 化程序,将AD7705的SCLK和单片机的P3.1连接,P3.1用来输出串行时钟信号。DOUT和DIN线接在一起并与P3.0相连,片选端可直接接 地。如果接口电路要控制CS信号,也可以接到单片机的输出端口。从AD7705读出转换数据都是在DRDY位为低电平时进行的,因此,每次在读出转换数据 操作之前必须查询它的状态,对此有3种方法:①可以把DRDY引脚直接与单片机的任一设置为输入方式的端口相连,查询这个端口来确认DRDY的状态;②使 用中断方式,此时DRDY引脚与8051的外部中断INT0相连;③由于命令寄存器的DRDY位的状态与DRDY引脚的状态一致,通过查询寄存器同样可以 知道数据是否准备好。