数显式小转矩测量仪测量精度设计

　　1　引言

　　我们研制的数显式小转矩测量仪主要是用来检测汽车、摩托车用车速里程表的转矩和转速,并实时显示转矩和转速测量值。本文从测量仪的结构原理和仪器本身产生的随机误差出发,分析并计算了各项误差,从而提出了提高测量精度的方法和途径。

　　2　仪器结构与测量原理

　　2.1　仪器结构

　　图1所示为仪器结构示意图。电机M转动时带动主动盘1转动,它通过簧片2、拨杆3带动从动盘4转动,和从动盘4连在一起的软轴5的端部有一方轴6,它插入车速里程表的旋转部分,带动其转动。车速里程表的阻力矩直接加在方轴6上。把4、5、6看成一体,其力平衡方程式为:

式中M₁——车速里程表的阻力矩

　　M₂——动摩擦力矩

　　r₁——簧片工作长度

　　F——簧片对拨杆3的作用力

　　簧片的推力是由其弹性变形产生的。

　　2.2　测量原理

　　在主动盘1和从动盘4上各均布开了10个透光槽且各有一个光电传感器7、8,电机转动时光电传感器输出脉冲信号如图2所示。

　　空载时,传感器8、7输出的信号相位差φ0为一个定值,它由初、次级透光槽的初始按装位置和动摩擦力矩M2的大小决定。加载后,由于阻力矩增大,从而片簧变形增大,从动侧的信号后移,两光电信号的相位差由φ0增大为φ,φ-φ0随被测阻力矩M1的增大而增大。测量主、从动侧光电信号相位差的变化,便可知被测阻力矩的大小。

　　2.3　相位差φ-φ0的测量

　　首先测量空载时主、从动侧光电信号相位差φ0,该测量是由单片机8031内部的定时器/计数器T0来完成的,使它工作在方式1,此时T0按16位计数器工作,若单片机的时钟频率为f0,则内部计数器的时钟频率:f_c=f₀/12;时钟周期:T_c=12/f₀

　　外接电路如图3示。

　　波形图如图4所示,C点波形为“1”的时间对应于主从动侧信号的相位差,图中T为旋转轴转一转所对应的时间。

　　主、从动侧的光电信号送入R、S触发器74LS279;其输出Q=“1”的时间对应于主从动侧的原始相位差φ0,将它送入8031的INT0,若定时器/计数器T0的计数值为Nφ0,则对应的滞后角:

　　由上式可看出测得的滞后角与主轴转速n有关。若测量过程中主轴转速有所变动,就会带来测量误差。为了减少该项误差,用8031内部的定时器/计数器T1测量INT0=“1”的时间,T1的工作模式与T0相同,按16位计数器工作。如图4所示,INT1=“1”的时间对应于光电信号的周期。因为圆周开有10个槽,所以它对应的主轴转角为36°。若T1的计数值为N1,则滞后角: