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嵌入式容栅扭矩/转速传感技术研究

作　者: 张建伟
导　师: 马铁华; 谢锐
学　校: 中北大学
专　业: 测试计量技术与仪器
关键词: 容栅传感器数学模型优化设计扭矩/转速
分类号: TP212
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
下　载: 44次
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内容摘要

扭矩、转速是评估机动车辆传动系统性能的重要指标，实时准确的测量转轴的扭矩、转速信号，在军用和民用领域都有广泛的需求。针对目前国内外扭矩、转速测试方法中存在的测试仪器不易安装、理论依据不足等问题，本文提出了嵌入式容栅传感技术的理论思想及测试方法，并进行了全面的研究。本文采用理论计算、数学建模、软件仿真、模拟试验相结合的方法，对容栅扭矩、转速传感技术的基本原理、测试方案和误差进行了研究，通过模拟试验验证了所研究内容的正确性。本文所研究的嵌入式容栅扭矩、转速传感技术可作为一种新型传感技术用于转轴动态参数的测量。论文对以下内容进行了具体研究：首先，在大量检索国内外扭矩、转速测试方法相关文献的基础上，总结了该领域内存在的一些问题，了解到大部分测试仪器体积比较大、不易安装、测量结果缺乏理论依据，进而提出了嵌入式容栅传感技术的研究方法。其次，设计了差动容栅传感器的结构，提高信号的分辨率和信噪比；设计了嵌入式的容栅安装结构，解决一般传感器体积大，测试时不易安装的问题。利用数值计算方法中的有限元法建立了容栅传感器的数学模型，基于变分原理抽象电场的实际情况，采用直线内插法剖分求解区域，最终求得真实解，为传感器提供了理论依据。利用Ansoft软件对容栅传感器进行电场分析，进一步验证容栅传感器的可行性。再次，分析了传统的传感器优化设计方法，了解到一些半定量、简化的优化方法并不能解决实际中的问题，本文利用最优化算法中的模式搜索法、复合形法，借助Matlab优化工具箱对传感器进行优化设计，得到很好的效果，缩短了传感器开发周期，减轻了工作量。最后，设计了扭矩、转速测试电路，包括脉冲调宽电路、滤波电路、存储电路等；搭建了模拟试验台，模拟实际应用环境，并进行了模拟实验；采用提升小波算法对实验数据进行了降噪处理。通过理论分析和模拟实验，证明了容栅传感器结构合理，能够应用到实际工程中。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
1.绪论  9-16
  1.1 课题来源及研究背景、目标及意义  9-12
    1.1.1 课题来源  9-10
    1.1.2 研究背景  10-11
    1.1.3 研究目标及意义  11-12
  1.2 扭矩/转速测试技术的国内外研究现状  12-14
  1.3 本文研究特色  14-15
  1.4 论文的章节安排  15-16
2.嵌入式容栅扭矩\转速传感器原理研究与设计  16-50
  2.1 旋转轴扭矩测试力学原理  16-18
    2.1.1 材料力学基础  16
    2.1.2 轴类零件扭转应力与应变的计算  16-18
  2.2 嵌入式差动容栅传感器结构设计及安装方式  18-21
    2.2.1 内外层容栅的结构设计  18-20
    2.2.2 容栅传感器的安装  20-21
    2.2.3 嵌入式差动容栅传感器结构的优势  21
  2.3 容栅传感器有限元分析  21-45
    2.3.1 电磁场理论基础  21-24
    2.3.2 有限元分析方法概况  24-26
    2.3.3 容栅传感器数学模型  26-40
    2.3.4 基于 Ansoft 的容栅传感器电磁场有限元分析  40-45
  2.4 嵌入式差动容栅传感器测试原理分析  45-49
    2.4.1 传感器原理计算  45-47
    2.4.2 扭矩、转速测试分析  47-49
  2.5 本章小结  49-50
3.容栅传感器优化设计与误差分析  50-70
  3.1 传感器性能指标  50-57
    3.1.1 线性度  50-53
    3.1.2 曲线拟合精度  53-56
    3.1.3 灵敏度  56-57
  3.2 MATLAB 最优化算法  57-61
    3.2.1 模式搜索法  57-59
    3.2.2 复合形法  59-61
  3.3 容栅传感器的优化设计  61-66
    3.3.1 目标函数  61-62
    3.3.2 设计变量和约束条件  62-63
    3.3.3 优化结果  63-66
  3.4 容栅传感器误差分析  66-69
    3.4.1 误差来源分析  66-68
    3.4.2 误差修正方法  68-69
  3.5 本章小结  69-70
4.嵌入式容栅扭矩/转速传感器的应用  70-86
  4.1 模拟试验台的设计  70-71
  4.2 测试电路的设计  71-81
    4.2.1 系统组成  71-73
    4.2.2 模拟模块电路设计  73-77
    4.2.3 数字模块电路设计  77-81
  4.3 实验数据分析及处理  81-85
    4.3.1 信号特点分析  81-82
    4.3.2 去噪方法和基本原理  82-83
    4.3.3 转速/扭矩信号分析  83-85
  4.4 本章小结  85-86
5.全文总结及下一步工作设想  86-88
  5.1 全文总结  86
  5.2 本文主要创新点  86-87
  5.3 下一步的工作设想  87-88
参考文献  88-92
读研期间发表的期刊论文及参与的科研课题  92-93
致谢  93

嵌入式容栅扭矩/转速传感技术研究

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