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环型球栅电磁式检测器的结构优化设计研究

作　者: 吴麒麟
导　师: 喻洪麟
学　校: 重庆大学
专　业: 仪器科学与技术
关键词: 扭矩测量环型球栅电磁式检测器数据融合有限元
分类号: TP212
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

扭矩是机械传动系统中的重要参数，通过测量扭矩能够很好地了解传动系统的工作情况，为安全监控、优化设计和提高系统效率提供相关的重要信息。目前能用于扭矩测量的传感器种类繁多，有的甚至达到了很高的精度，但针对高温下、强腐蚀、强冲击等极端恶劣环境下的扭矩测量仍无有效检测方法。论文针对上述极端恶劣环境下的机械转轴动态扭矩测量问题，在国家自然科学基金“基于球对称的交流电磁感应环型阵列器原理研究”（项目编号：50975300）和高等学校博士学科点专项科研基金“基于环形空间阵列的扭矩测量原理研究（”项目编号：20100191110038）项目资助下，在提出的一种由环型球栅和电磁式检测器组成的非接触扭矩测量原理基础上，从提高环型空间阵列扭矩传感器的结构合理性和可靠性出发，讨论了传感器的测量原理，并结合电磁学理论，重点对电磁式检测器的结构进行了较为深入的分析讨论与优化设计研究。论文首先从环型球栅扭矩测量原理分析入手，对环型球栅扭矩测量相关技术及环型球栅扭矩测量系统进行了较为详细的分析与讨论，对现有传感器结构上存在的相关问题进行了较为深入的分析研究。其次在以上分析、讨论、研究的基础上，开展了环型球栅扭矩传感器的结构优化设计研究，重点开展了电磁式检测器的优化设计研究。提出了优化方案，设计出新的传感器结构且进行了详细描述；并从电磁学原理的角度出发，对电磁检测器的优化原理进行了分析，论证了新结构的合理性与可靠性；阐述了优化后的传感器信号处理方法与两个环型球栅之间的信号相位差计算方法，并对优化后传感器测量原理及结构特点进行了较为深入的分析研究。以ANSOFT有限元分析软件为工具，建立了传感器的三维模型，分析了传感器在转轴高速旋转情况下的磁场变化特点。通过改变传感器模型的各项参数，探讨传感器结构的优缺点以及优化传感器性能的方法。最后，通过搭建扭矩测量平台，对优化设计后的环型球栅扭矩传感器了进行实验分析，验证了环型球栅电磁式检测器的结构及环型球栅扭矩传感器的结构优化设计的合理性及可靠性。实验结果表明，优化设计后的环型球栅扭矩传感器能满足极端环境下的扭矩测量要求。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-8
1 绪论  8-17
  1.1 论文研究的背景  8
  1.2 扭矩测量研究的现状  8-15
    1.2.1 测量转轴应变的扭矩传感器  8-12
    1.2.2 测量相对扭转角的扭矩传感器  12-15
    1.2.3 其他测量方法  15
  1.3 论文的研究目的与主要内容  15-16
  1.4 论文结构  16
  1.5 本章小结  16-17
2 环型球栅扭矩测量原理  17-22
  2.1 相对扭转角扭矩测量技术  17-18
    2.1.1 扭矩定义  17
    2.1.2 圆轴扭转角测量扭矩基本原理  17-18
  2.2 环型球栅扭矩测量技术  18-20
    2.2.1 传感器原理  18-20
    2.2.2 环型球栅扭矩测量系统  20
  2.3 原有电磁检测器的缺点  20-21
  2.4 本章小结  21-22
3 检测器结构优化设计研究  22-42
  3.1 检测器优化方案  22-23
  3.2 优化后传感器的基本结构  23-26
    3.2.1 整体结构  23-24
    3.2.2 环型球栅的结构  24-25
    3.2.3 电磁检测器优化结构  25-26
  3.3 传感器的测量原理优化  26-38
    3.3.1 磁路原理  26-28
    3.3.2 介质的磁化和对磁场的影响  28-29
    3.3.3 传感器的原理优化  29-30
    3.3.4 信号理论计算  30-36
    3.3.5 优化后传感器的测量原理  36-37
    3.3.6 数据融合处理  37-38
  3.4 相位差计算方法  38-40
    3.4.1 相位差检测  38-39
    3.4.2 相位差计算原理  39-40
  3.5 优化传感器与原传感器的对比  40-41
  3.6 本章小结  41-42
4 传感器的电磁优化研究  42-57
  4.1 ANSOFT 有限元分析软件  42-43
    4.1.1 有限元分析  42-43
    4.1.2 有限元分析软件的选择  43
  4.2 ANSOFT 电磁场建模过程  43-56
    4.2.1 模型的绘制  44-48
    4.2.2 选择求解器  48
    4.2.3 设置模型材料  48
    4.2.4 设置激励源和边界条件  48-51
    4.2.5 设置运动参数  51-52
    4.2.6 划分网格及求解设置  52-53
    4.2.7 优化结果分析  53-56
  4.3 本章小结  56-57
5 实验研究  57-63
  5.1 系统总体设计  57-58
  5.2 信号处理电路  58-59
  5.3 实验数据对比  59-61
  5.4 误差分析  61-63
6 结论与展望  63-65
  6.1 结论  63
  6.2 展望  63-65
致谢  65-66
参考文献  66-69
附录  69

环型球栅电磁式检测器的结构优化设计研究

内容摘要

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