极端环境下钻机主轴容栅式扭矩测试系统的研究

发布时间：2017-04-25 00:13

  本文关键词：极端环境下钻机主轴容栅式扭矩测试系统的研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：扭矩信息的测量在旋转动力机械如钻探机械是信息获取中重要的工况鉴定参数量，但是钻机设备在高速运转情况下工程信息量多，采集难度大，故若能准确、实时、安全的检测到钻机设备的平均或瞬时的扭矩值，将会对钻机设备产品的开发过程、测试检测、质量保证、安全升级和优化设计等环节都是有着重要的参考价值，故为了保证监测信息的完整性和准确性、增强检测设备的抗干扰能力，对于钻探设备的扭矩测量有着重要的意义。 组态软件是一种具备高度集中性和高扩展性等性能优点的集散性控制系统，目前在各大领域都有所应用，对于大型的回旋钻机的工况的实时监控界面的编辑和监控完全采用组态软件，来自行设计和编辑出钻机工作的监控系统，满足监控系统的各个基本的功能，具有一定的意义，可以为课题组购买监控软件节省开支。 对于极地钻机设备来讲，极地气候条件恶劣、气温极低、磁场异常等环境所带来的干扰因素不容忽视，故针对机械振动强，气温极低以及容许测量的空间狭小等极端条件下的扭矩测量，本文提出了针对极地气候条件的钻机主轴的容栅式扭矩测量系统，为问题的解决提供了新的测量手段和方法。 本文主要从以下几个方面作了工作： 1）针对极地钻机设备结构分析和容栅式传感技术的研究，设计了用于检测钻机设备实时扭矩的传感器，并详细阐述了其结构特点和工作的原理。通过对相关参数的选择和分析参数之间的数学关系，完成了测试方案的论证工作。 2）对钻机主轴进行数学建模分析，分析了扭矩与扭转角之间的数学关系，为整体方案的设计提供理论支持，通过组态软件的结构和性能的分析，针对扭矩实时数据的检测设计并编辑了实时监控显示系统。 3）依据传感器测试参数选择的测试方案，进行了扭矩测量的系统的设计，完成了各部分的硬件电路和软件部分的设计以及硬件电路的的仿真工作。 4）在实验室中完成了测试系统的各模块电路实验验证，以及整个系统测量可行性和准确性的标定工作。
【关键词】：容栅机理 脉宽调制 Proteus 串行通信 组态软件
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TH763.5;TP274
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-7
• 目录7-11
• 第一章 绪论11-19
• 1.1 课题研究的意义11-12
• 1.2 国内外的现状12-13
• 1.3 扭矩测量方法及其传感器的分类13-17
• 1.3.1 扭矩传感器的分类14-16
• 1.3.2 扭矩传感器测量系统的分类16-17
• 1.4 课题研究的主要内容17-19
• 第二章 容栅传感器基本结构和原理及相关技术19-31
• 2.1 容栅式扭矩传感器的基本结构19
• 2.2 容栅式扭矩传感器的分类：19-21
• 2.2.1 直线容栅式扭矩传感器19-20
• 2.2.2 圆形容栅式扭矩传感器20-21
• 2.3 容栅传感器电容变化的基本原理21-22
• 2.4 容栅式传感器 RC 回路原理22-23
• 2.5 容栅式扭矩传感器的测量电路的分类23-25
• 2.5.1 扭矩传感器测幅型测量电路23-24
• 2.5.2 扭矩传感器测相型测量电路24-25
• 2.6 扭矩传感器输出感应电压变化与扭矩测量的关系25-28
• 2.7 本章小结28-31
• 第三章 整体方案的设计31-41
• 3.1 钻机转轴扭矩与扭转角之间的数学模型31-34
• 3.2 扭矩整体测试系统方案34-35
• 3.3 容栅式传感器扭矩测量的测试方案35-40
• 3.3.1 容栅扭矩传感器相位测试方案35-37
• 3.3.2 相位测试方案中关键参数的选择37-40
• 3.4 本章小结40-41
• 第四章 扭矩测试系统硬件的设计及仿真41-57
• 4.1 传感器的内部结构的设计41-42
• 4.1.1 传感器栅极板中栅极数目的设计41-42
• 4.2 测试系统电路的设计42-55
• 4.2.1 传感器脉冲信号调理电路43-53
• 4.2.2 传感器信号数据储存与上位机交互53-54
• 4.2.3 上位机交互中信号传输接口电路设计54-55
• 4.3 测试系统供电部分55
• 4.4 测试系统屏蔽保护部分55
• 4.5 本章小结55-57
• 第五章 扭矩测试系统软件的设计与仿真分析57-73
• 5.1 组态系统的结构57-61
• 5.1.1 组态系统的硬件结构57-58
• 5.1.2 组态系统的软件结构58-61
• 5.2 组态系统的图形界面的建立61-64
• 5.2.1 图形界面的框架构成61
• 5.2.2 组态系统中的基本单元--图元61-63
• 5.2.3 基本图元的创建和属性的编辑63-64
• 5.3 图形界面动画功能的实现64-70
• 5.3.1 属性变化的动画连接65-67
• 5.3.2 位置与大小属性的动画连接67-69
• 5.3.3 值输出属性连接69-70
• 5.4 组态软件与单片机通信的实现70-72
• 5.4.1 通信数据格式的编写70-71
• 5.4.2 组态软件中变量的定义71-72
• 5.5 本章小结72-73
• 第六章 实验平台的测试试验73-81
• 6.1 扭矩测试试验平台的搭建73-74
• 6.2 测试系统的测试试验74-78
• 6.2.1 容栅式传感器的制作与试验分析74-75
• 6.2.2 测量系统各电路模块的试验分析75-77
• 6.2.3 测试系统的相位差值信号的试验分析77-78
• 6.3 扭矩测试系统的实验数据的标定与分析78-80
• 6.4 本章小结80-81
• 第七章 总结与展望81-83
• 7.1 文章中完成的主要内容81
• 7.2 需要解决的问题81-82
• 7.3 未来发展及意义82-83
• 参考文献83-87
• 致谢87

【参考文献】

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