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基于环形球栅的扭矩测量原理与方法研究

作　者: 吴永烽
导　师: 喻洪麟
学　校: 重庆大学
专　业: 仪器科学与技术
关键词: 环形球栅扭矩传感器小波神经网络多元线性回归模型
分类号: TH823
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

扭矩是反映机械传动系统性能的最典型的机械量之一。利用合适的扭矩传感器及测量方法，对机械传动系统的扭矩进行实时监测，对于保障整个传动系统稳定安全的运行具有十分重要的意义。研究适合于高温、强冲击、多灰尘等极端环境下的数字式扭矩测量原理与方法，可将输入的机械量转换成相应的数字量，与计算机连接构成测量、控制系统，易于实现扭矩的自动测量与控制。由于其研究的重大意义及广阔的应用前景，正日益受到国内外的高度重视，是目前国内外关注的热点之一。论文首先简述了扭矩测量及系统的发展历史，在此基础上对扭矩测量的国内外研究现状、应用及发展动向进行了综述性的分析与评论。从而引出了论文的主要研究内容，即“基于环形球栅的扭矩测量原理与方法研究”。论文对扭矩的定义进行了简要介绍；对转角式扭矩测量原理进行了概述；重点对环形球栅扭矩系统的核心部件，即环形球栅的结构和数学模型进行了讨论，建立了相应的直流激励模型和交流激励模型；在此基础上设计了基于环形球栅的扭矩测量系统模型，并对其扭矩测量原理进行了较为深入的分析与研究；针对传感器调制信号幅度较小的问题，对传感器结构的优化方案进行了分析和讨论。论文的一项重要工作是对环形球栅传感器输出信号的解调方法进行了深入的分析研究，利用小波分析和自适应神经网络的原理，构建用于解调的小波神经网络模型，在LabVIEW中编程实现，并利用该模型对环形球栅传感器的输出信号进行解调实验，结果表明构建的小波神经网络对环形球栅传感器输出信号的解调效果明显；为提高小波网络的收敛性能，采用遗传算法对小波网络的初始权值进行优化。论文的另一项重要工作是对扭矩传感器输出信号的相位差测量原理，即过零点法、相关法以及频谱法进行了分析研究，并提出了基于多元线性回归模型的相位差测量方法。通过对相关法、频谱分析法和基于回归模型的方法进行测量实验，得到相关法在频率较高时，测量结果与频率呈非线性，而频谱法和回归方法的测量结果和频率大小呈线性关系的重要结论，从而可以通过线性函数来模拟测量结果和频率之间的关系，达到消除系统误差的目的。此外，为降低测量结果的随机波动，利用S-G滤波器和零相位滤波器对相位差的测量结果进行平滑处理，其效果明显。论文还对基于环形球栅的扭矩测量原理和方法进行了实验分析研究。论文提出的环形球栅扭矩测量原理，通过测量环形球栅扭矩测量系统中的两个传感器输出信号之间的相位差，获得扭转角，从而实现对扭矩的测量。利用研制的环形球栅传感器，和LabVIEW软件平台及计算机，构建了基于环形球栅的扭矩测量系统。为确保扭转角的测量准确度，对相位差的测量进行了大量的实验和深入的分析。为降低测量误差，建立了多元线性回归方程，并利用该多元线性回归方程对相位差测量系统进行标定。通过对系统原理与方法的研究及对实验结果进行的分析与讨论，得出了一些很有意义的结论，并初步证实了系统测量原理与方法的可行性。论文希望通过对基于环形球栅的扭矩测量原理与方法的研究，能引起同行们的兴趣，达到抛砖引玉的目的。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-11
1 扭矩测量及应用综述  11-21
  1.1 引言  11-12
  1.2 扭矩测量及系统的发展  12-13
  1.3 国内外研究现状  13-15
    1.3.1 国外研究现状  13-14
    1.3.2 国内研究现状  14-15
  1.4 扭矩测量的应用  15-18
    1.4.1 航空航天领域的应用  15-16
    1.4.2 船舶领域的应用  16-17
    1.4.3 其它领域的应用  17-18
  1.5 扭矩测量的发展动向  18
  1.6 论文的主要研究内容  18-21
2 扭矩测量原理及环形球栅传感器关键技术研究  21-45
  2.1 扭矩的定义  21
  2.2 扭转角式扭矩测量原理  21-22
  2.3 环形球栅的工作原理  22-36
    2.3.1 球栅尺及其工作原理  22-23
    2.3.2 磁栅及其工作原理  23-24
    2.3.3 环形球栅的研究和数学模型  24-34
    2.3.4 基于环形球栅的扭矩测量原理  34-36
  2.4 传感器结构的优化和分析  36-43
    2.4.1 优化的传感器结构  36-39
    2.4.2 优化结构的有限元分析  39-43
  2.5 本章小结  43-45
3 环形球栅传感器信号的解调  45-65
  3.1 调幅信号的常用解调方法  45-47
  3.2 基于 WNN 的环形球栅传感器信号解调  47-60
    3.2.1 小波分析原理  47-51
    3.2.2 人工神经网络  51-53
    3.2.3 用于环形球栅传感器信号解调的小波网络  53-60
  3.3 基于遗传算法的小波网络初始权值参数的优化  60-64
  3.4 本章小结  64-65
4 传感器输出信号之间的相位差测量方法  65-83
  4.1 常用相位差测量方法  65-69
    4.1.1 过零点法  65-67
    4.1.2 相关法  67-68
    4.1.3 频谱分析法  68-69
  4.2 基于多元线性回归模型的相位差测量  69-77
  4.3 相位差测量结果的数字滤波处理  77-81
  4.4 本章小结  81-83
5 基于 LabVIEW 平台的软件设计  83-95
  5.1 LabVIEW 软件平台概述  83-84
  5.2 软件的总体设计  84-86
  5.3 激励输出和信号采集模块程序  86-87
  5.4 传感器信号解调程序  87-89
  5.5 相位差测量程序  89-91
  5.6 数据存取及报表生成管理程序  91-93
  5.7 本章小结  93-95
6 实验及其结果分析  95-109
  6.1 实验平台及实验步骤  95-97
  6.2 实验结果及分析  97-106
    6.2.1 相位差测量的标定实验  97-104
    6.2.2 扭转角测量实验  104-106
  6.3 本章小结  106-109
7 研究工作总结  109-113
  7.1 全文总结  109-111
    7.1.1 论文完成的主要工作  109-110
    7.1.2 论文的主要创造性工作  110
    7.1.3 论文的主要不足及需要改进之处  110-111
  7.2 展望  111-113
致谢  113-115
参考文献  115-123
附录  123
  A.作者在攻读博士学位期间发表的论文  123
  B.作者在攻读博士学位期间的科研成果  123
  C.作者在攻读博士学位期间参加的科研项目  123

基于环形球栅的扭矩测量原理与方法研究

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