光电式非接触扭矩测量方法研究

摘要

在机械传动系统中，动力的传输主要是通过旋转传递的，转速、扭矩和功率是反映生产设备机械传动系统性能最典型的机械量，机械设备传动系统的监测随着工业化的发展越来越受到人们的广泛重视。通过对这三个机械状态量的测量，可以了解产品性能，并对产品质量进行监控。
　　扭矩测量方法分为接触式和非接触式两种，接触式测量方法需要解决传感器在轴旋转条件下的可靠供电和信号传输问题，并给传感器的安装带来不便。本文研究了一种非接触式的扭矩测量方法，利用光电反射式测量方法实现扭矩的非接触测量，该方法不用拆装被测轴系，且抗电磁干扰，信号易于处理，具有一定的应用前景。
　　本文首先介绍了光电反射法输出信号的特征，并分析了扭矩测量的原理，推导出两路同频信号的相位差与扭矩之间的关系。在分析几种常用的相位差和转速测量方法的基础上，选择使用等精度频率周期法测量转速，该方法的测量精度仅与高频计数脉冲频率有关；使用相位时间转换法测量相位差，该方法原理简单且容易实现。
　　然后设计了基于FPGA的光电式非接触扭矩测量系统方案。推导了反射条纹数目和扭矩分辨率之间的关系，设计了敏感元件反射条纹带。设计了光电传感电路和液晶显示电路，并且使用硬件描述语言在FPGA上编程实现信号处理，完成转速、扭矩的计算和显示。
　　最后搭建了扭矩测量系统，完成系统实验和工业现场的测试实验，对转速和扭矩进行测量，得到的结果和理论分析基本一致，验证了光电反射式扭矩测量方法的可行性，该系统可以实现扭矩的动态测量。

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1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 常用扭矩传感器介绍

1.4 论文主要研究内容

2 光电式非接触扭矩测量系统方案

2.1 扭矩测量原理

2.2 测量系统方案

2.3 本章小结

3 光电传感系统设计

3.1 反射条纹带的设计

3.2 反射式光电传感器

3.3 信号预处理电路

3.4 本章小结

4 基于FPGA的信号处理系统设计

4.1 FPGA的选型与系统构成

4.2 脉冲边沿提取模块

4.3 时钟管理模块

4.4 等精度计数模块

4.5 乘法器和除法器设计

4.6 液晶显示模块

4.7 本章小结

5 扭矩测量实验

5.1 评价标准

5.2 系统实验

5.3 测试实验

5.4 本章小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献