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光栅扭矩传感器动态测量系统的数据采集与处理研究

作　者: 雷冬梅
导　师: 喻洪麟
学　校: 重庆大学
专　业: 仪器科学与技术
关键词: 光栅传感器相位差实时监测动态测试自适应卡尔曼滤波
分类号: TP274
类　型: 硕士论文
年　份: 2005年
下　载: 333次
引　用: 6次
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内容摘要

水轮机主轴系统在运行时,同时承受随机驱动扭矩和负载扭矩,不但运行状态复杂,传动系统效率也随之而变化,故确保主轴工作的安全性及监测主轴性能具有十分重要的意义。论文在国家自然科学基金项目“水轮机主轴机械系统动态特性研究”的资助下,采用光栅传感器进行主轴扭矩的实时动态测量,该系统的研发为主轴的扭矩监测提供了一种新的有效的手段。论文首先介绍了当前扭矩传感器的发展现状,分析了各种类型扭矩传感器的特点和存在的不足,根据光栅传感器可实现信号的无接触传输,并具有抗强电磁干扰的优点,提出以光栅传感器为信号敏感元件,进行水轮机动态扭矩测量方案。其次,论文以被测轴两端光栅副的光电输出信号作为输入信号,将光栅输出的光电信号转换成矩形波信号,通过分析旋转轴的各种运动对莫尔条纹及光电输出信号的影响,得知两路矩形波信号的相位与扭转角的关系,从而建立了测量系统的数学模型,并推导出具体的测量计算公式。根据测量系统数学模型可以看出,系统满足匀速静态扭矩测量,也满足非匀速动态扭矩测量要求,突破了传统相位差扭矩传感器只能进行匀速条件下的静态扭矩测量。论文的另外一项工作是根据所建立的数学模型推导出的测量计算公式,完成了数据采集卡的研制,包括光电转换电路、启动电路、放大电路、信号转换电路、数据DSP 采集处理电路及DSP 与计算机的通信接口电路。论文还探讨了动态测量输入数据的组成成分,根据动态测量数据的时变性、随机性、相关性和动态性等,深入研究了动态测量数据的处理方法,探讨了动态测试数据的预处理、成分分离、及结果表述等方面的内容,重点讨论了随机成分的分离,并针对本系统提出了以并行递推的自适应卡尔曼滤波作为系统实时动态数据处理方案,以减小随机误差。论文最后根据数学模型及动态测量数据处理方案,采用C 语言编写了相应的控制程序及算法程序,保证系统的正常运行及数据处理的及时性和准确性。系统可以对动态输入扭矩进行实时监测,具有较高的检测精度,能够实时检测出异常扭矩及时进行系统报警,确保系统安全。

全文目录

中文摘要  4-5
英文摘要  5-8
1 绪论  8-15
  1.1 课题背景及意义  8-9
  1.2 扭矩测量现状  9-13
    1.2.1 应变型扭矩传感器  9-10
    1.2.2 扭转角型扭矩传感器  10-13
  1.3 光栅扭矩传感器工作原理及方案  13-14
  1.4 课题来源及主要工作  14-15
2 测量系统数学建模  15-23
  2.1 主轴运动状态与输出信号分析  15-17
    2.1.1 轴的运动状态对光栅信号的影响  15-16
    2.1.2 理想的光栅信号  16
    2.1.3 实际的光栅信号  16-17
  2.2 测量系统数学建模  17-23
    2.2.1 动态测试系统类型及其描述方法  17-19
    2.2.2 测量系统数学模型  19-21
    2.2.3 输入量类型及其数学表达  21-23
3 信号接收及数据采集电路设计  23-37
  3.1 光电接收电路设计  23-25
    3.1.1 光电发射接收管的参数及特性  23-24
    3.1.2 光电接收电路及参数计算  24-25
  3.2 启动信号发生电路  25-27
  3.3 信号放大及处理  27-28
  3.4 FPGA 处理部分  28-33
    3.4.1 FPGA 与可编程逻辑器件  28-30
    3.4.2 VHDL 语言简介  30-31
    3.4.3 FPGA 的内部原理图及VHDL 编程  31-33
    3.4.4 FPGA 的外部硬件配置电路  33
  3.5 DSP 处理电路及通信电路  33-36
    3.5.1 DSP 芯片的发展及应用  33-34
    3.5.2 DSP 芯片的基本结构及特性  34-35
    3.5.3 DSP 外围接口电路  35-36
  3.6 结论  36-37
4 动态测试数据处理  37-49
  4.1 动态测试数据处理的意义  37
  4.2 测试数据的组成及评定动态测试误差的指标  37-38
    4.2.1 测试数据的组成  37-38
    4.2.2 评定动态测试误差的指标  38
  4.3 动态测试数据预处理  38-40
  4.4 动态测试数据确定性成分分离  40-42
    4.4.1 回归分析法  40
    4.4.2 回归模型的设定  40-41
    4.4.3 最小二乘拟合算法  41-42
  4.5 动态测试数据中随机成分的辨识与分离  42-48
    4.5.1 动态测试中数据处理的难题  42
    4.5.2 时变数据处理与最佳滤波  42-43
    4.5.3 并行递推辨识的自适应卡尔曼滤波数据模型拟定  43-46
    4.5.4 递推辨识和参数估计  46-48
  4.6 小结  48-49
5 软件部分  49-54
  5.1 轴的参数计算  49
  5.2 DSP 软件设计  49-51
    5.2.1 编程环境及软件功能分析  49-50
    5.2.2 DSP 软件流程图  50-51
  5.3 PCI 卡驱动程序设计  51-53
    5.3.1 PCI2040 寄存器介绍  51-52
    5.3.2 PCI卡驱动程序设计  52-53
  5.4 小结  53-54
6 结论与展望  54-55
致谢  55-56
参考文献  56-58
附录  58-59
独创性声明  59
学位论文版权使用授权书  59

光栅扭矩传感器动态测量系统的数据采集与处理研究

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