压磁式阻力传感器及其智能化控制设计研究

摘要

在电液提升控制过程中，土壤阻力是主要的控制信号之一。作为电液提升控制的主要信号接收装置，力传感器在其中具有不可替代的作用，是电液提升器的核心部件之一，其性能的好坏直接影响到悬挂农具的作业质量。考虑其工作环境，要求其具有较大的重载荷承受能力，且需在微小应变的前提下具有良好的线性输出。本文对满足上述要求的拖拉机电液提升器专用力传感器及其智能控制系统进行设计研究，实现拖拉机的智能化电液提升控制。
　　根据力传感器的工况分析，基于现有 KMB力传感器的磁路结构与压磁效应原理，提出了三种不同的新型压磁式力传感器磁路结构方案，即变压器式磁路结构、单维度十字芯型磁路结构以及双维度十字芯型磁路结构。分别建立三种方案的三维模型与数学模型，详细阐述了三种传感器的结构与磁路工作原理及工作过程。经过分析比较，最终选定双维度十字芯型磁路结构方案为最终设计方案。该方案将现有KMB力传感器产品的受力维度从一维变为二维，在同等受力变形的基础上增大了磁路结构的变形程度，进而增加了磁场的偏置程度，提高了传感器的灵敏度与线性度。
　　根据双维度十字芯型磁路结构所设计的励磁电流输入与感应信号输出的特点，设计了传感器的专用适配电路，主要包括硬件电路与控制器两部分。其中，硬件电路部分，设计了励磁电路、带通滤波电路、整流电路以及电源电路，并用Multisim软件进行了电路仿真。控制器采用LPC2129作为控制芯片，进行了A/D转换、数据处理以及CAN总线通讯等功能模块的设计，实现了传感器的智能化控制。
　　根据传感器数学模型，采用matlab/simulink模块分别建立了KMB力传感器与双维度十字芯型力传感器的系统仿真模型，进行了传感器系统的仿真实验。分析表明，同 KMB力传感器相比，本文所设计的双维度十字芯型力传感器结构模型具有更高的灵敏度与线性度，其中线性度由1.85％降低为0.08%，灵敏度由0.09mV/kN提高为0.21mV/kN，适用于重载荷作用下电液提升系统中力的测量与控制，能够更好的适应恶劣的工作环境，提高拖拉机的耕作效果。

目录

1 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2土壤阻力测量方法国内外研究现状

1.3主要研究内容

2压磁式力传感器工况分析

2.1 磁致伸缩与压磁效应

2.2 磁致伸缩效应与压磁效应的耦合作用分析

2.3传感器工况分析

2.4本章小结

3 传感器结构设计及分析

3.1 套筒结构设计与应变分析

3.2 内部磁路结构设计及分析

3.3 本章小结

4适配电路设计

4.1 硬件电路设计

4.2 传感器控制器设计

4.3 本章小结

5 传感器磁路仿真分析及比较

5.1 KMB力传感器系统仿真模型及受力仿真分析

5.2 双维度十字芯型力传感器系统仿真模型及受力仿真分析

5.3 传感器仿真结果比较分析

5.4本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间主要成果