钻机转盘扭矩测量系统的研究毕业设计说明书文档格式.docx
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科学技术的迅猛发展，使人类社会进入信息时代。
在信息时代，人们的社会活动将主要依靠对信息资源的开发及获取、传输与处理。
传感器是获取自然领域中信息的主要途径与手段，是现代科学的中枢神经系统。
它是指那些对被测对象的某一确定的信息具有感受（或响应）与检出功能，并使之按照一定规律转换成与之对应的可输出信号的元器件或装置的总称。
传感器处于研究对象与测控系统的接口位置，一切科学研究和生产过程所要获取的信息都要通过它转换为容易传输和处理的电信号。
因此，传感器的地位与作用特别重要[5]。
传感器技术是在20世纪中期才问世的。
在那时，与计算机技术和数字控制技术相比，传感技术的发展落后于它们，不少先进的成果仍停留在实验研究阶段，并没有投入到实际生产与广泛应用中，转化率比较低。
然而，随着各国机械工业、电子、计算机、自动化等相关信息化产业的迅猛发展，以日本和欧美等西方国家为代表的传感器研发及其相关技术产业的发展已在国际市场中逐步占有了重要的份额。
在现代工业生产尤其自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到好的质量。
因此可以说，没有众多优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。
目前，在工业、农业、国防、科学等各个领域，传感器都得到了广泛的应用，并展现着极其广阔的前景。
可以说，从农业生产、宇宙探索、海洋开发、环境保护、资源调查、医学诊断、文物保护、灾情预报到包括生命科学在内的每一项现代科学技术的研究以及人民群众的日常生活，几乎无一不与传感器和传感器技术紧密联系着。
在基础学科研究中，传感器更具有突出的地位。
现代科学技术的发展，进入了许多新领域：
例如在宏观上要观察上千光年的茫茫宇宙，微观上要观察小到10-13cm的粒子世界，纵向上要观察上达数十万年的天体演化，短到10-24s的瞬间反应。
此外，还出现了对深化物质认识、开拓新能源、新材料等具有重要作用的各种极端技术研究，如超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场、超弱磁场等等。
显然，要获取大量人类感观无法直接获取的信息，没有相适应的传感器是不可能的。
许多基础科学研究的障硝，首先就是由于对象信息的获取存在困难，而一些新机理和高灵敏度的检测传感器的出现，往往会导致该领域内的突破。
一些传感器的发展，往往是一些边缘学科开发的先驱。
当前，现代传感器技术的发展方向是[6]：
1）利用新材料开发新型传感器
随着光导纤维、纳米材料超导材料等相继问世，人工智能材料具有能够感知环境条件的变化（传统传感器）的功能，识别、判断（处理器）功能，发出指令和自采取行动（执引器）功能。
利用这样具有新效应的敏感功能材料使研制具有新原理的新型传感器成为可能。
2）集成化多功能传感器的开发
集成化是指传感器同一功能的多元件并列以及功能上的一体化。
前一种集成化使传感器的检测参数实现“点、线、面、体”多维图像化，甚至能加上时序控制等软件，变单参数检测为多参数检测；
后一种集成化使传感器由单一的信号转换功能，扩展为兼有放大、运算、补偿等多功能的传感器。
在实际运用中，常做到硬件与软件两方面的集成，它包括：
传感器阵列的集成、多功能和多传感参数的复合传感器；
传感系统硬件的集成；
硬件与软件的集成；
数据集成与融合等。
多功能是指“一器多能”，即一个传感器可以检测两个或两个以上的参数。
这样可大大节省检测成本，并使项目复杂度降低，提高了工作效率。
运用集成化多功能理论研制出的传感器可以应用到更广泛的领域，并发挥出更加强大的功能效用。
利用集成化多功能原理，现代传感技术已制成带温度补偿的集成压力传感器，频率输出型集成压力传感器、霍尔集成传感器、半导体集成色敏传感器、多维化集成气敏传感器等。
在智能化传感技术方面，以微处理器为核心单元，具有检测、判断和信息处理等功能；
硬件上由微处理器系统对整个传感器电路、接口、信号转换进行处理调整；
软件上进行非线性特性校正，误差的自动校准和数字滤波处理，从而形成传感技术的智能化系统。
3）实现传感技术硬件系统与元器件的微小型化
利用集成电路微小型化的经验，从传感技术硬件系统的微小型化中提高其可靠性、质量、处理速度和生产率，降低成本，节约资源与能源，减少对环境的污染。
这种充分利用已有微细加工技术与装置的做法已经取得巨大的效益、极大地增强了市场竞争力。
4）传感器与多学科交叉融合，推动无线传感器网络的发展
无线传感器网络是由大量具有无线通信与计算能力的微小传感器节点构成的自组织分布式网络系统。
利用微传感器与微机械、通信、自动控制、人工智能等多学科的综合技术，实现传感器的无线网络化，使其能根据环境自主完成指定任务。
5）生物传感器的研究
生物传感器（Biosensor）技术是指用生物活性材料作为感受器，通过其生化效应来检测被测量的传感器。
生物传感器的原理主要由两大部分组成：
生物功能物质的分子识别部分和转换部分。
前者的作用是识别被测物质，当生物传感器的敏感膜与被测物接触时，敏感膜上的某种生化活性物质就会从众多化合物中挑选适合于自己的分子并与之产生作用，使其具有选择识别的能力；
转换部分，是由于细胞膜受体与外界发生了共价结合，通过细胞膜的通透性改变，诱发了一系列的电化学过程，而这种变换得以把生物功能物质的分子识别转换为电信号，形成了生物传感器。
从传感器技术的发展历史与研究现状可以看出，随着科学技术的迅猛发展以及相关条件的日趋成熟，传感器技术逐渐受到了各学科领域的高度重视。
当今传感器技术的研究与发展，特别是基于光电通信和生物学原理的新型传感器技术的发展，已成为推动国家乃至世界信息化产业进步的重要标志与动力。
1.3无线传输技术的现状和发展前景
无线数据传输系统就是不用铺设有线线路，在空中通过电磁波进行高质量、全方位信息传递的通信系统。
无线数据传输系统具有干扰能力强、可靠性高、安全性好、受地理条件限制较少、安装施工简便灵活等特点，因而可广泛地用于军事、交通、地质、金融等行业。
例如：
车辆监控、遥控、遥测、小型无线网络、无线抄表、门禁系统、小区传呼、工业数据采集系统、无线标签、身份识别、非接触RF智能卡、小型无线数据终端、安全防火系统、无线遥控系统、生物信号采集、水文气象监控、机器人控制、无线232数据通信、无线485/422数据通信、数字音频、数字图像传输、移动通信以及无线计算机网络等领域中[7]。
无线数据传输技术已经开始从2G向3G前进，这将带来更快的传输速度。
目前应用于短距离的无线数据传输的技术主要包括红外技术、蓝牙技术、IEEE802.11技术、数字增强无绳通信（DECT）、家庭无线电射频（HomeRF）、HiperLAN等。
1.3.1红外技术
红外技术可以说是无线连接技术的鼻祖，由红外数据协会（IrDA）提出并推行。
这种通信方式使用850nm的红外来传输数据和语音。
就目前而言，无论是技术成熟度还是普及程度都是其他新兴的无线连接技术所无法相比的，现在全球采用IrDA技术的设备已经超过5000万部。
作为普通消费者最早是从电视的遥控器上来了解红外的。
近几年来，红外也被广泛用于笔记本电脑、移动电话、掌上电脑、PDA等移动设备之间转移数据。
IrDA协议始建于1993年，由串行红外链接（SIR）、链接访问（IrLAP）和链接管理（IrLMP）三个协议组成。
SIR协议所实现的红外无线数据传输的速率为4Mbit/s，1995年IrDA将这一速率扩展到1.152Mbit/s、4.0Mbit/s和16Mbit/s三种速率，最后一种通常称之为超高速红外（VIFR），所以红外特别适合于传输容量较大的数据文件和多媒体信息流。
红外的发射角度较小，一般不超过30o，视线之外的设备很难对它构成干扰，所以可控性较好，有一定的物理传输层面上的安全性。
经过近十年的发展，红外目前的实现成本也非常低廉。
但是，红外技术的缺陷也是显而易见的。
首先，它只能实现点对点的连接，无法实现点对多点的连接，也就是说，它只限于在2台设备之间进行链接，不能同时链接多台设备。
其次，它必须在视线可达的范围内定向传输，中间不能有任何阻挡，同时要求通信设备的位置相对固定．无法用于移动设备。
另外，红外用于双向数据传输时，通信距离最大不超过lm。
1.3.2蓝牙技术
蓝牙技术是目前一项十分先进的无线网络技术，它以低成本、短距离的无线链接为基础，能取代电缆将一定范围的计算机和通信设备连接起来，实现不同设备之间的快速互联。
在现代通信技术日新月异的今天，蓝牙技术已经占领了一席之地。
蓝牙的英文名称是Bluetooth，是1998年5月由爱立信、IBM、英特尔、诺基亚、东芝等5家公司联合制定的短距离无线通信技术标准，其目的是实现最高数据传输为1Mb/s（有效数据传输为721kb/s）、最大传输距离为10m的无线通信。
蓝牙最初的应用目标是取代现有的掌上电脑、移动电话等各种数字设备上的有线电缆连接。
在制定蓝牙规范之初，就建立了统一全球的目标，向全球公开发布，工作频段为全球统一开放的2.4GHz工业、科学和医学（Industrial，ScientificandMedical，ISM）频段。
从目前的应用来看，由于蓝牙体积小、功耗低，其应用已不局限于计算机外设，几乎可以被集成到任何数字设备之中，特别是那些对数据传输速率要求不高的移动设备和便携设备。
蓝牙技术可同时传输语音和数据，蓝牙采用电路交换和分组交换技术，支持异步数据信道、三路语音信道以及异步数据与同步语音同时传输的信道。
蓝牙有两种链路类型：
异步无连接（AsynchronousConnection-Less，ACL）链路和同步面向（SynchronousConnection-Oriented，SCO）链路可建立临时性的对等连接。
蓝牙模块体积很小，便于集成，由于个人移动设备的体积较小，嵌入其内部的蓝牙模块体积就应该更小，如爱立信公司的蓝牙模块ROK101008外形尺寸仅为32.8mm×
16.8mm×
2.95mm。
蓝牙技术具有很好的抗干扰能力，蓝牙设备在通信连接（Connection）状态下，有四种工作模式—激活模式、呼吸模式、保持模式和休眠模式。
激活模式是正常的工作状态，另外三种模式是为了节能所规定的低功耗模式。
SIG为了推广蓝牙技术的使用，将蓝牙的技术标准全部公开，全世界范围内的任何单位和个人都可以进行蓝牙产品的开发，只要最终通过SIG的蓝牙产品兼容性测试，就可以推向市场。
因为其良好的性能与特点，目前蓝牙技术的应用有蓝牙耳机、无线局域网、蓝牙汽车和信息家电。
蓝牙技术的发展趋势：
1）芯片越来越小巧
蓝牙的技术界面是专用半导体集成电路芯片，用于嵌入电子器件内。
而与用户直接见面的产品界面则是各种时尚电子产品。
因此，蓝牙技术要嵌入到电子器件内就要考虑蓝牙的芯片尺寸，它必须具有小巧、廉价、结构紧凑和功能强大的特点才能放进蜂窝电话中。
目前已经有所突破，法国AlcatelMicroelectronics等公司在ISSCC2001上发表了用于蓝牙的单芯片LSI，CSR公司也推出了嵌入电池中的单芯片蓝牙ICBlueCore01。
2）产品将具有兼容性
SIG已召集制造商开了两次会议来测试各自蓝牙产品基础组件间的兼容情况，测试中发现的不兼容情况正在解决之中。
3）提高抗干扰能力和传输距离
实验表明，在同时使用无线LAN和微波炉的情况下，蓝牙的性能明显下降，无干扰时，数据速率为500-600kb/s，一旦干扰出现，速率突降至200kb/s。
蓝牙只有10m的传输距离也制约着它的应用和发展，需要充分利用其功率类型，增加特殊应用通信距离。
4）众多操作系统支持蓝牙
微软公司于近年上市的所有Windows操作系统均支持蓝牙。
以IBM为首的众多计算机厂商正在努力达成协议，为PC平台制定蓝牙标准，以解决不同设备之间的兼容性。
5）支持漫游功能
蓝牙技术可以在微网络或扩大网之间切换，但每次切换都必须断开与当前PAN的连接。
为解决此问题，Commil技术公司设计了一种系统，即使在蓝牙模式不同入口点之间漫游，仍可以维持连续的、不中断的数据和声音交流。
这种蓝牙网络技术提供很好的连接，其中一个连接是从一个蓝牙入口点出发，在运作中保证不断开。
蓝牙无线技术对我国的信息化建设来说，既是挑战也是机遇。
蓝牙技术提供低成本、低功耗的无线通信，顺应了现代通信技术及其应用的发展潮流，对无线通信的进步起到巨大的促进作用，在无线网络化测控领域的应用也前途无量，具有十分广阔的发展前景。
1.3.3IEEE802.11
IEEE802.11是企业无线局域网的标准技术，IEEE主持制定，具有相当的权威性。
最早的802.1l标准是1997年制定的802.11-1997，主要解决办公室局域网和校园网中用户和用户终端之间的业务接入，业务主要限丁数据存取，速率最高只能达到2Mb/s。
由于802.1l在速率与传输距离上都不能满足人们的需求，因此IEEE又相继推出了IEEE802.11b和IEEE802.11a两个新标准。
1999年9月通过的IEEE802.11b是无线局域网的一个标准。
其载波的频率为2.4GHz，传送速度为11Mbit/s。
IEEE802.11g是IEEE2003年7月通过的第三种调变标准。
其载波的频率为2.4GHz（跟802.11b相同），原始传送速度为54Mbit/s，净传输速度约为24.7Mbit/s（跟802.11a相同）。
802.11g的设备与802.11b兼容。
从802.11b到802.11g，可发现WLAN标准不断发展的轨迹：
802.11b是所有WLAN标准演进的基石，未来许多的系统大都需要与802.11b后向兼容，使用户简单连接到现有或未来的802.11网络成为可能[8]。
4）HomeRF
HomeRF主要为家庭设计，是802.11与DECT（数字无绳电话标准）的结合，旨在降低语音数据成本。
HomeRF也采用了扩频技术，工作在2.4GHz频带，能同步支持4条高质量语音信道。
但目前HomeRF传输速率只有1-2Mbps，美国联邦通信委员会FCC（FederalCommunicationsCommittee）建议增加到10Mbps。
5）HiperLAN
高性能无线局域网络（HiperLAN）也是一种利用无线电射频进行短距离无线通信的技术规范。
该规范是由欧洲电信标准协会（ETSI）在1991年到1996年间制定出的。
它使用5GHz频段，可以实现更高的传输速率以及与之相配套的服务质量（QoS）。
目前HiperLAN有四种格式，即HiperLAN1、HiperLAN2、HiperLink和HiperAccess。
其中，HiperLAN1和HiperLAN2用于高速无线LAN接入，HiperLink用丁室内无线主干系统，HiperAccess刚于室外对有线通信设施提供固定接入。
HiperLAN1标准先于HiperLAN2，于1997年制定完成，而HiperLAN2标准在2000年完成。
HiperLAN1采用我们所熟知的、并广泛应用于GSM和CDPD中的GMSK调制，相对于HiperLAN1而言，HiperLAN2采用了一种称之为正交频分复用（OFDM）的新型无线电技术，这一技术更具有广阔的发展前景。
IEEE802.1la与HiperLAN2具有相同的物理层，所以它们可以共享相同的部件，从而可以降低成本。
目前，HiperLAN1标准比较完善。
无线LAN的著名销售商Proxim公司，目前正在销售这类产品。
HiperLAN1一方面为高速无线LAN技术提供了走向市场的最快途径，一方面也使无线电技术尽可能简单。
HiperLAN2代表一种迄今为止己确定的、最尖端的无线本地网技术。
总之，无线传输技术的新发展表现为更高的速度、更好的互操作性以及安全性，并具有高的灵活性和可靠性。
如今，各种无线电通信技术被广泛应用于国防、气象、科研、生活、生产等领域。
现今的无线电通信技术虽然成了人们生活必不可少的一各手段。
但是其发展仍有广阔的空间。
现在，我国大众对于无线电应用仍处于一个起步阶段，所以，除了大力推广以上无线电通信技术外，还应该将此技术向远深的空间发展。
如今，越来越多的人会接触到各种各样的软件，将无线电通信技术应用在软件上得以实现是未来发展的必然。
另外，数字技术在无线电通信领域的应用也会给人们的生活还来意外的收获[9]。
1.4本课题完成的工作
为了克服导电滑环的缺陷，同时考虑到许多扭矩测量的工作环境恶劣，测量系统的外壳需要防爆设计，安装在旋转轴上的无线发射信号将会被壳体完全屏蔽，外部无法接收，所研制的传感器扭矩测量系统采用了无线遥测的方法，设计完成了扭矩传感器的无线数据采集系统，可以对扭矩传感器采集的数据进行无线传输，并做到了扭矩信号的传递与旋转与否无关，与转速大小无关，与旋转方向无关。
本课题完成的主要工作如下：
扭矩传感器将扭矩信号转化成电信号，经信号调理电路放大后送入A/D转换器，单片机控制A/D转换器将采集的模拟信号转换成数字信号，然后通过发射模块发送出去。
接收端接收到信号后进行分析处理，得到扭矩数据后，把数据送到上位机监测软件显示数据。
系统的硬件电路设计采取模块化的电路设计思想，包括基准电源电路、信号调理电路、A/D转换电路、单片机主体电路、无线发射电路、无线接收电路和显示电路。
系统的软件设计中数据采集模块软件主要解决的问题是正确配置A/D的各个寄存器，进行系统校准或手动校准，使转换结果与实际值相对应，读出转换结果；
发射模块软件要解决的问题是通过无线发射芯片将结果发送到接受端；
显示模块软件解决的问题是将结果显示出来，便于观测。
2系统的总体设计
2.1转盘扭矩传感器的原理和发展现状
机械动力设备的扭矩变化是其运行状况的重要信息。
扭矩测试是各种机械产品开发、质量检验、优化控制、工况监测和故障诊断等必不可少的内容。
扭矩测量技术是综合应用机械、电子、物理、计算机等多方面知识的一门学科。
实现扭矩测量需要解决传感器、能量供给和信号传输三方面的问题，其中传感器是关键技术问题之一。
扭矩传感器已广泛应用于各种机械设备的动力驱动系统优化设计和智能控制上[10]。
2.1.1转矩的概念
使机械元件转动的力矩称为转动力矩，简称转矩。
机械元件在转矩作用下都会产生一定程度的扭转变形，故转矩有时又称为扭矩。
转矩是各种工作机械传动轴的基本载荷形式，与动力机械的工作能力、能源消耗、效率、运转寿命及安全性能等因素紧密联系，转矩的测量对传动轴载荷的确定与控制、传动系统工作零件的强度设计以及原动机容量的选择等都具有重要的意义。
转矩可分为静态转矩和动态转矩。
静态转矩是指不随时间变化或变化很小、很缓慢的转矩，包括静止转矩、恒定转矩、缓变转矩和微脉动转矩。
静止转矩的值为常数，传动轴不旋转；
恒定转矩的值为常数，但传动轴以匀速旋转，如电机稳定工作时的转矩；
缓变转矩的值随时间缓慢变化，但在短时间内可认为转矩值是不变的；
微脉动转矩的瞬时值有幅度不大的脉动变化。
动态转矩是指随时间变化很大的转矩，包括振动转矩、过渡转矩和随机转矩三种。
振动转矩的值是周期性波动的；
过渡转矩是机械从一种工况转换到另一种工况时的转矩变化过程；
随机转矩是一种不确定的、变化无规律的转矩。
根据转矩的不同情况，可以采取不同的转矩测量方法。
转矩的测量方法可以分为平衡力法、能量转换法和传递法。
其中传递法涉及的转矩测量仪器种类最多，应用也最广泛[11]。
1）平衡力法及平衡力类转矩测量装置
匀速运转的动力机械或制动机械，在其机体上必然同时作用着与转矩大小相等，方向相反的平衡力矩。
通过测量机体上的平衡力矩（实际上是测量力和力臂）来确定动力机械主轴上工作转矩的方法称为平衡力法。
平衡力法转矩测量装置又称作测功器，一般由旋转机、平衡支承和平衡力测量机构组成。
按照安装在平衡支承上的机器种类，可分为电力测功器、水力测功器等。
平衡支承有滚动支承、双滚动支承、扇形支承、液压支承及气压支承等。
平衡力测量机构有砝码、游码、摆锤、力传感器等。
平衡力法直接从机体上测转矩，不存在从旋转件到静止件的转矩传递问题。
但它仅适合测量匀速工作情况下的转矩，不能测动态转矩。
2）能量转换法
依据能量守恒定律，通过测量其他形式能量如电能、热能参数来测量旋转机械的机械能，进而求得转矩的方法即能量转换法。
从方法上讲，能量转换法实际上就是对功率和转速进行测量的方法。
能量转换法测转矩一般只在电机和液机方面有较多的应用。
3）传递法
传递法是指利用弹性元件在传递转矩时物理参数的变化与转矩的对应关系来测量转矩的一类方法。
常用弹性元件为扭轴，故传递法又称扭轴法。
根据被测物理参数不同，基于传递法的转矩测量仪器有多种类型。
在现代测量中，这类转矩测量仪的应用最为广泛。
目前，钻井参数中多采用惰轮式、顶丝式和霍尔元件式和万向轴式扭矩传感器四种来测量钻盘扭矩。
2.1.2惰轮式转盘扭矩传感器
惰轮式转盘扭矩测量系统应用于链条式传动的机械钻机，是通过测量转盘驱动链条紧边上的张力，来间接测量转盘扭矩的。
当对钻杆施加扭力时，链条紧边会对惰轮产生一个向下的压力，这个压力通过堕轮摇臂液压缸转变成液体压力信号，达到测量转盘扭矩的目的。
2.1.3顶丝式转盘扭矩传感器
该传感器是继液压式扭矩传感器之后开发的一种测量方法。
它是用测量转盘顶紧螺丝的支反力来测量转盘扭矩。
检测原理示意图见图2.1。
图2.1顶丝式扭矩传感器检测方法示意
用传感器测出某一支座反力F，当转盘输出的扭矩越大，该点的支座反力也越大，这样就可以用式2.1来表示扭矩：
（式2.1）
式中M—支反力产生的扭矩
L—顶丝到转盘中心的距离
F—支
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