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环形球栅扭矩传感器的结构分析与原理研究

作　者: 陈卓
导　师: 喻洪麟
学　校: 重庆大学
专　业: 仪器科学与技术
关键词: 扭矩传感器环形球栅球感磁路有限元
分类号: TP212
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 54次
引　用: 1次
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内容摘要

扭矩是反映旋转机构性能的重要参数之一,通过扭矩测量,可以获得评价传动系统的性能参数,为系统安全预警、设备改进和优化效率提供科学的依据。目前,国内外用于扭矩测量的方法很多,但针对恶劣环境下、可靠工作的扭矩测量及传感器的研究,仍然是一个比较薄弱的环节。论文针对恶劣环境下的机械转轴扭矩动态测量问题,在国家自然科学基金项目“基于球对称的交流电磁感应环型阵列器原理研究”资助下,在提出的一种由环形球栅和磁电式检测器组成的非接触式扭矩测量方法的基础上,首先从结构特点出发,结合磁路理论,提出一种新的磁电式检测器设计思想,使得传感器结构更加符合设计要求;其次对新设计的传感器测量原理及结构特点展开了较为深入的研究,通过有限元分析软件,对采用新型的球感检测器的传感器的磁场进行模拟仿真,讨论其电磁分布特性,探索传感器输出电势信号变化的特征和规律;最后在传动实验平台上对传感器实物模型进行了信号测试实验。论文还结合球栅位移测量技术特点,重点探讨了扭矩与被测参数之间的关系。根据环形球栅的特殊结构,依据磁路理论,建立以独特的励磁系统为条件的球感检测器测量原理及结构基础,得出检测器输出感应电势与磁路气隙大小的数学关系。研究磁路气隙与圆轴扭转角之间的关系,并根据扭转角测量扭矩原理,建立系统的扭矩测量理论。研究以ANSYS有限元分析软件为工具,分别分析了传感器在静态和动态情况下的磁场变化特点。以磁通密度分布规律为依据,研究气隙和磁靴的变化对磁场磁路的影响。在此基础上,根据传感器结构设计原理,研制了传感器实物模型。在传动实验平台上,利用Labview数据采集与处理模块,测试了传感器的输出信号,初步证明了环形球栅可对输出感应电势产生周期性的调制,验证了传感器结构设计的正确性和有效性,为传感器的进一步设计与研究提供科学依据,为实现在恶劣环境下对旋转机构的扭矩动态测量奠定了一定基础。

全文目录

中文摘要  3-4
英文摘要  4-9
1 绪论  9-17
  1.1 问题的提出及研究意义  9-10
    1.1.1 问题的提出  9
    1.1.2 研究的意义  9-10
  1.2 国内外研究现状  10-15
    1.2.1 扭矩测量基本方法  10
    1.2.2 接触式扭矩测量传感器  10-11
    1.2.3 非接触式扭矩测量传感器  11-15
    1.2.4 扭矩测量技术发展方向  15
  1.3 论文研究目的及内容  15-17
    1.3.1 研究目的  15
    1.3.2 研究内容  15-17
2 环形球栅扭矩测量技术  17-23
  2.1 扭矩定义  17
  2.2 圆轴扭转角测量扭矩基本理论  17-18
  2.3 球栅测量技术  18-20
    2.3.1 球栅测量原理  18-19
    2.3.2 球栅尺优势  19-20
  2.4 环形球栅扭矩测量技术概述  20-22
    2.4.1 环形球栅扭矩传感器基本组成  20-21
    2.4.2 环形球栅扭矩测量系统  21-22
  2.5 本章小结  22-23
3 环形球栅扭矩传感器原理研究  23-38
  3.1 传感器的基本结构  23-25
    3.1.1 整体结构  23
    3.1.2 环形球栅的结构  23-24
    3.1.3 球感检测器的结构  24-25
  3.2 传感器测量原理  25-33
    3.2.1 线圈绕组  25-27
    3.2.2 传感器基本原理  27
    3.2.3 工作磁路分析  27-29
    3.2.4 磁路气隙分析  29-31
    3.2.5 传感器扭矩测量原理  31-33
  3.3 相位差计算方法  33-35
    3.3.1 相位差检测  33-34
    3.3.2 相位差计算原理  34-35
  3.4 环形球栅钢球计算原理  35-36
  3.5 材料选择方法  36
  3.6 传感器特点  36-37
  3.7 系统误差分析  37
  3.8 本章小结  37-38
4 传感器电磁分析及实验研究  38-59
  4.1 ANSYS 有限元分析软件  38
  4.2 ANSYS 电磁分析模块功能  38-39
  4.3 ANSYS 电磁场分析过程  39-40
  4.4 有限元模型的建立  40-45
    4.4.1 单元类型  40-41
    4.4.2 定义实常数和材料属性  41
    4.4.3 几何建模  41-42
    4.4.4 划分网格  42-43
    4.4.5 边界条件与加载  43-44
    4.4.6 求解  44-45
  4.5 有限元模型的电磁分析  45-55
    4.5.1 假设条件  45
    4.5.2 静态磁通密度分布状况  45-47
    4.5.3 动态磁场特性分析  47-50
    4.5.4 间隙分析  50-52
    4.5.5 磁靴结构分析  52-55
  4.6 实验  55-58
    4.6.1 实验平台  55
    4.6.2 传感器模型  55-57
    4.6.3 实验结果  57-58
  4.7 本章小结  58-59
5 结论与展望  59-61
  5.1 结论  59
  5.2 展望  59-61
致谢  61-62
参考文献  62-65
附录  65

环形球栅扭矩传感器的结构分析与原理研究

内容摘要

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