扭矩-壓力復(fù)合檢測(cè)傳感器試驗(yàn)性設(shè)計(jì)-畢業(yè)論文開題報(bào)告

畢業(yè)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)/ /論文論文 開開題題報(bào)報(bào)告告 課 題 名 稱扭矩-壓力復(fù)合檢測(cè) 傳感器試驗(yàn)性設(shè)計(jì) 院系機(jī)電與自動(dòng)化學(xué)院 專業(yè)班機(jī)械電子工程 1006 班 姓名鄭 世 昌 評(píng)分 指 導(dǎo) 教 師 華中科技大學(xué)武昌分校 畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告撰寫要求畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告撰寫要求 1. 開題報(bào)告主要內(nèi)容 1）課題設(shè)計(jì)的目的和意義； 2）課題設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容； 3）設(shè)計(jì)方案； 4）實(shí)施計(jì)劃。 5）主要參考文獻(xiàn)：不少于 5 篇，其中外文文獻(xiàn)不少于 1 篇。 2撰寫開題報(bào)告時(shí)，所選課題的課題名稱也不得多于 25 個(gè)漢字，課題設(shè) 計(jì)份量要適當(dāng)， 設(shè)計(jì)中必須是自己的設(shè)計(jì)內(nèi)容。 3. 開題報(bào)告的字?jǐn)?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(jì)/論文撰寫規(guī)范的要求撰寫。 4. 指導(dǎo)教師和責(zé)任單位必須審查簽字。 5開題報(bào)告單獨(dú)裝訂，本附件為封面，后續(xù)表格請(qǐng)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(jì)開題報(bào)告 學(xué) 生 姓 名鄭世昌學(xué)號(hào)20101100364專業(yè)班級(jí)機(jī)電 1006 班 系別機(jī)電與自動(dòng)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(cè)器的試驗(yàn)性設(shè)計(jì) 1 課題設(shè)計(jì)的目的和意義 1.1 課題設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀 復(fù)合型傳感器本身是一個(gè)組合體可以理解為一個(gè)整體，在這個(gè)組合體中，集成了 2 個(gè)及以上的檢測(cè)不同物理量的傳感器單元。 這些傳感器單元信號(hào)可以各自單獨(dú)輸出通常 為模擬信號(hào)， 高級(jí)的則由組合體中嵌入的處理器測(cè)量后按照規(guī)定的格式集中輸出。 例如， 用于水質(zhì)檢測(cè)的復(fù)合傳感器，一個(gè)探頭置于水中，可以檢測(cè)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(dòng)加速度、承重等參數(shù)測(cè)量用傳感器。這樣比單 獨(dú)的溫度傳感器，振動(dòng)加速度等分開來(lái)測(cè)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(hào)的軸承故障診斷復(fù)合傳感器還不多見，通常是針對(duì)具體 應(yīng)用場(chǎng)合設(shè)計(jì)的專用復(fù)合傳感器。 軸承用復(fù)合傳感器的設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)， 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(dòng)化行業(yè)， 現(xiàn)在復(fù)合傳感器已經(jīng)站 到了傳感器市場(chǎng)的很多份額， 相信隨著時(shí)間的推移復(fù)合傳感器傳感器的種類會(huì)進(jìn)一步增 多，性能也會(huì)更加優(yōu)越。 1.2 課題設(shè)計(jì)的意義 新技術(shù)革命的到來(lái)，世界開始進(jìn)入信息時(shí)代。在利用信息的過程中，首先要解決的 就是要獲取準(zhǔn)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(dòng)化生產(chǎn)過程中， 要用各種傳感器來(lái)監(jiān)視和控制生產(chǎn)過程 中的各個(gè)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(dá)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(cè)、環(huán)境保護(hù)、資源調(diào)查、醫(yī) 學(xué)診斷、生物工程、甚至文物保護(hù)等等極其之泛的領(lǐng)域。可以毫不夸張地說，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(gè)現(xiàn)代化項(xiàng)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(jì)、推動(dòng)社會(huì)進(jìn)步方面的重要作用是十分明顯的。 2 1.3 課題設(shè)計(jì)的目的 本課題提出一種“扭矩-壓力復(fù)合檢測(cè)傳感器”的試驗(yàn)性設(shè)計(jì)任務(wù)，主要是集成扭 矩-壓力檢測(cè)于一體，通過一個(gè)傳感器檢測(cè)出兩種軸類參數(shù)指標(biāo)，該傳感器安裝方便， 檢測(cè)數(shù)據(jù)可靠。 2 課題設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容 根據(jù)課題設(shè)計(jì)的目標(biāo)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(jì)的主要內(nèi)容有如下幾點(diǎn)： （1） 機(jī)械結(jié)構(gòu)方案的擬定； （2） 機(jī)械設(shè)計(jì)； （3） 結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵零部件的剛度計(jì)算與校核； （4） 電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和安裝及布線設(shè)計(jì)； （5） 各類傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理研究及信號(hào)傳輸，查閱相關(guān)文獻(xiàn)和產(chǎn)品樣本； （6） 放大器的選型及設(shè)計(jì)研究； （7） 測(cè)量系統(tǒng)供電電源的研究。 3 3 設(shè)計(jì)方案 3.1 任務(wù)分析 在通常情況下， 扭矩和壓力可以單獨(dú)測(cè)量的， 但如果被測(cè)軸本身的力學(xué)結(jié)構(gòu)決定了 同時(shí)含有扭矩和壓力兩種負(fù)載， 而測(cè)量力的傳感器原理大多采用應(yīng)變片測(cè)量， 這樣就會(huì) 導(dǎo)致：當(dāng)測(cè)量扭矩時(shí)，壓力負(fù)載會(huì)對(duì)扭矩的測(cè)量帶來(lái)干擾，致使扭矩測(cè)量誤差增大，同 樣；當(dāng)測(cè)量壓力時(shí)，扭矩負(fù)載會(huì)對(duì)壓力的測(cè)量帶來(lái)干擾，致使壓力測(cè)量誤差增大。本課 題提出一種“扭矩-壓力復(fù)合檢測(cè)傳感器”的試驗(yàn)性設(shè)計(jì)，主要是集成扭矩-壓力檢測(cè)于 一體，通過一個(gè)傳感器檢測(cè)出兩種軸類參數(shù)指標(biāo)，該傳感器安裝方便，檢測(cè)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(yùn)用傳感器的知識(shí)和理論， 設(shè)計(jì)一種復(fù)合 傳感器檢測(cè)裝置，那么課題的研究方向如下： （1） 機(jī)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(jì)算與校核； （3） 電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和安裝及布線設(shè)計(jì)； （4） 各類傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理研究及信號(hào)傳輸，查閱相關(guān)文獻(xiàn)和產(chǎn)品樣本； （5） 放大器的選型及設(shè)計(jì)研究； （6） 測(cè)量系統(tǒng)供電電源的研究。 3.3 設(shè)計(jì)的方案 3.3.1扭矩傳感器 扭矩傳感器是對(duì)各種旋轉(zhuǎn)或非旋轉(zhuǎn)機(jī)械部件上對(duì)扭轉(zhuǎn)力矩感知的檢測(cè)。 扭矩傳感器 將扭力的物理變化轉(zhuǎn)換成精確的電信號(hào)。 扭矩測(cè)試比較成熟的檢測(cè)手段為應(yīng)變電測(cè)技術(shù)， 它具有精度高、 頻響快、 可靠性好、 壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。 將專用的測(cè)扭應(yīng)變片用應(yīng)變膠粘貼在被測(cè)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(cè)試該彈性軸受扭的電信號(hào)。 這就是基本的扭矩傳感器模 式。 應(yīng)變片傳感器扭矩測(cè)量采用應(yīng)變電測(cè)技術(shù)。在彈性軸上粘貼應(yīng)變計(jì)組成測(cè)量電橋， 當(dāng)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(hào)的變化從而實(shí)現(xiàn)扭矩測(cè)量。傳感器就完成如下的信息轉(zhuǎn)換；傳感器由彈性軸、測(cè)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(cè)技術(shù)，在彈性軸上組成應(yīng)變橋。如圖 1 所示： 4 圖 1 測(cè)量原理圖 這種傳感器檢測(cè)精度高、穩(wěn)定性好、抗干擾性強(qiáng)；不需要反復(fù)調(diào)零，可以測(cè)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(cè)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(shí)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(dāng)力、扭矩、速度、加速度及流量等物 理量作用于彈性元件時(shí)， 會(huì)導(dǎo)致元件應(yīng)力和應(yīng)變的變化， 進(jìn)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(hào)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(lái)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(dāng)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(gè)應(yīng)變片組成一個(gè)測(cè)量電橋， 在大多數(shù)的使用情況下， 傳感器內(nèi)部 4 個(gè)應(yīng)變片同時(shí)受力， 并且在受壓形變的作用下，2 個(gè)應(yīng)變片阻值增大，2 個(gè)變小。 電阻應(yīng)變壓力傳感器的激勵(lì)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(dāng)金屬絲受外力作用時(shí)， 其長(zhǎng)度和截面積都會(huì)發(fā)生變 化， 從上式中可很容易看出， 其電阻值即會(huì)發(fā)生改變， 假如金屬絲受外力作用而伸長(zhǎng)時(shí)， 其長(zhǎng)度增加，而截面積減少，電阻值便會(huì)增大。當(dāng)金屬絲受外力作用而壓縮時(shí)，長(zhǎng)度減 小而截面增加，電阻值則會(huì)減小。只要測(cè)出加在電阻的變化（通常是測(cè)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(cè)量系統(tǒng)方框圖如圖 7 所示： 圖 7 壓力傳感器測(cè)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(dú)測(cè)量的， 但是如果被測(cè)軸本身的力學(xué)結(jié)構(gòu)決定 了同時(shí)含有扭矩和壓力兩種負(fù)載， 而測(cè)量力的傳感器原理大多采用應(yīng)變片測(cè)量， 這樣就 會(huì)導(dǎo)致：當(dāng)測(cè)量扭矩時(shí)，壓力負(fù)載會(huì)對(duì)扭矩的測(cè)量帶來(lái)干擾，致使扭矩測(cè)量誤差增大； 同樣，當(dāng)測(cè)量壓力時(shí)，扭矩負(fù)載會(huì)對(duì)壓力的測(cè)量帶來(lái)干擾，致使壓力測(cè)量誤差增大。 而本課題就是設(shè)計(jì)一種將扭矩傳感器和壓力傳感器集于一體，通過一個(gè)傳感器檢 測(cè)出兩種軸類參數(shù)指標(biāo)，該傳感器安裝方便、檢測(cè)數(shù)據(jù)可靠。 數(shù)據(jù)分析方式：在給定一個(gè)壓力值的前提下測(cè)量出扭矩值，然后改變壓力值，測(cè) 出改變后的扭矩值，如此測(cè)量數(shù)次；或者在給定一個(gè)扭矩的前提下測(cè)量出壓力值，然 7 后改變扭矩值，測(cè)出改變后的壓力值，如此測(cè)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(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到準(zhǔn)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(shí)施計(jì)劃 （1） 20132014（上）第 2021 周借閱圖書，下載資料，查閱資料，認(rèn)真研 究課題； （2） 20132014（下）第 12 周撰寫開題報(bào)告和外文翻譯；開題報(bào)告答辯； （3） 20132014（下）第 39 周根據(jù)擬定的課題實(shí)施方案，進(jìn)行深入研究， 完成扭矩壓力復(fù)合檢測(cè)傳感器的設(shè)計(jì)和制作； （4） 20132014（下）第 1012 周撰寫并提交畢業(yè)設(shè)計(jì)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(xiàn) 1 戴文進(jìn)，陳瑛，楊莉.電機(jī)與電力拖動(dòng)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(jī)及應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理與實(shí)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(jī)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