王 健 ， 梁志劍 ， 馬鐵華

（1.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051；2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051）

0 引 言

現(xiàn)階段扭矩的測(cè)量方法主要有力應(yīng)變測(cè)量法和扭轉(zhuǎn)角測(cè)量法兩大類。力應(yīng)變測(cè)量法是根據(jù)傳動(dòng)軸受到扭力作用發(fā)生的應(yīng)變進(jìn)行測(cè)量的方法，所用到的代表性傳感器有磁彈性式和電阻應(yīng)變式等。20世紀(jì)90年代初期，我國中科院研制了新型磁彈性扭矩傳感器，提高了測(cè)量準(zhǔn)確度和靈敏度[1]。1992年，韓國科學(xué)與標(biāo)準(zhǔn)化研究所電磁實(shí)驗(yàn)室研制出一種非晶態(tài)線圈最大差分感應(yīng)裝置[2]。但是，磁彈性式傳感器測(cè)得的磁滯收縮層的應(yīng)力變化，要轉(zhuǎn)換為傳動(dòng)軸應(yīng)力變化還需進(jìn)一步研究[3]。電阻應(yīng)變式傳感器安裝方便、成本低廉，但是應(yīng)變片易老化且滑環(huán)易磨損，影響傳感器使用壽命和測(cè)量準(zhǔn)確度。90年代以來，我國各研究院所提出了利用無線傳輸方式彌補(bǔ)應(yīng)變片接觸式測(cè)量法帶來的缺陷，但是在無線傳輸中發(fā)射天線隨軸旋轉(zhuǎn)，引起信號(hào)不穩(wěn)定甚至丟失[4]。扭轉(zhuǎn)角測(cè)量法的原理是通過扭矩傳感器測(cè)量扭轉(zhuǎn)角而得到扭矩，其代表性傳感器有光電式和電容式等。80年代中期，美國 NASA研究中心首次提出了利用光電式傳感器測(cè)量扭轉(zhuǎn)角[5]。1988年，英國南安普頓大學(xué)機(jī)電工程系研制出一種測(cè)量扭矩的電容傳感器[6]。90年代末，日本提出了一種動(dòng)力傳遞軸的實(shí)時(shí)扭轉(zhuǎn)光學(xué)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[7]。扭轉(zhuǎn)角測(cè)量法僅限于旋轉(zhuǎn)件動(dòng)態(tài)扭矩的非接觸測(cè)量。以上兩種測(cè)試方法已經(jīng)發(fā)展得比較成熟，但都對(duì)測(cè)試條件要求嚴(yán)苛，往往難以滿足惡劣環(huán)境下的扭矩測(cè)量[8]。為了克服強(qiáng)磁場(chǎng)、強(qiáng)輻射、小空間等惡劣的測(cè)量環(huán)境，本文采用差動(dòng)容柵扭矩傳感器與LabVIEW軟件開發(fā)工具，設(shè)計(jì)了基于LabVIEW的容柵扭矩測(cè)試系統(tǒng)。

1 容柵傳感器原理

容柵是由特定方法制成的柵狀電容極板。本文采用的容柵傳感器基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。它由動(dòng)?xùn)藕挽o柵平行相對(duì)構(gòu)成，其中靜柵是由以差動(dòng)形式分布的靜柵極板A和靜柵極板B構(gòu)成，而動(dòng)?xùn)庞蓜?dòng)?xùn)艠O板和屏蔽極板交替構(gòu)成。平行相對(duì)的動(dòng)?xùn)艠O板和兩靜柵極板構(gòu)成了兩組輸出信號(hào)為差動(dòng)形式的電容器。而動(dòng)?xùn)艠O板和靜柵極板間發(fā)生相對(duì)位移，會(huì)引起兩極板間電容大小的變化[9]。

圖1 容柵傳感器結(jié)構(gòu)圖

2 測(cè)試系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

扭矩轉(zhuǎn)速測(cè)試系統(tǒng)由容柵傳感器、測(cè)試電路、數(shù)據(jù)處理軟件組成。容柵傳感器采用差動(dòng)設(shè)計(jì)原則，嵌入式安裝方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，測(cè)試電路采用微小信號(hào)提取技術(shù)和抗電磁干擾技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)讀取處理軟件采用USB接口模式進(jìn)行設(shè)計(jì)。其中測(cè)試電路由信號(hào)調(diào)理模塊、控制模塊、存儲(chǔ)模塊、電源管理模塊和接口模塊組成。

信號(hào)調(diào)理模塊采用差動(dòng)脈寬調(diào)制電路，利用對(duì)容柵傳感器差動(dòng)電容的充放電原理，使電路輸出由于容柵傳感器的電容量變化而產(chǎn)生信號(hào)寬度變化的脈沖信號(hào)，將電容信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，并進(jìn)行濾波、放大和運(yùn)算處理。通過低通濾波器得到對(duì)應(yīng)直流信號(hào)。控制模塊采用CPLD為主要元件，完成信號(hào)的計(jì)數(shù)、控制數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和讀取。存儲(chǔ)模塊采用靜態(tài)存儲(chǔ)器N08T163完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。電源管理模塊的功能是產(chǎn)生工作時(shí)需要的不同基準(zhǔn)電壓和信號(hào)電平的轉(zhuǎn)換。接口模塊采用USB接口和計(jì)算機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的上傳[10]。

如圖2所示，用容柵傳感器測(cè)量扭矩時(shí)，要在轉(zhuǎn)動(dòng)軸一定間距的位置上貼上兩組完全一樣的容柵。這樣，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)軸發(fā)生扭轉(zhuǎn)形變時(shí)，貼在轉(zhuǎn)動(dòng)軸表面的動(dòng)?xùn)乓搽S之發(fā)生同方向的位移。此時(shí)通過傳感器測(cè)量電路記錄扭轉(zhuǎn)前后兩個(gè)時(shí)刻的相位差，從而得到轉(zhuǎn)動(dòng)軸扭角。

圖2 轉(zhuǎn)動(dòng)軸上的兩組容柵

用測(cè)量電路來建立相位差與扭角的關(guān)系。由于兩個(gè)截面安裝有傳感器，經(jīng)過調(diào)理之后會(huì)攜帶類似于正弦波的信號(hào)，因此轉(zhuǎn)動(dòng)軸受到扭力作用后，會(huì)使測(cè)量電路中信號(hào)的相位差發(fā)生變化。設(shè)參數(shù)n為轉(zhuǎn)速，Tφ為轉(zhuǎn)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)φ所需時(shí)間，Mn為轉(zhuǎn)動(dòng)軸所受扭矩，D為轉(zhuǎn)動(dòng)軸的直徑，G為轉(zhuǎn)動(dòng)軸材料的剛性常量，l為兩容柵橫截面間的距離，Ip為極慣性矩，則測(cè)量電路相位差與扭角間的關(guān)系[11]如下：

即

扭矩

將式（2）代入式（3）得：

3 測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)與測(cè)量電路的數(shù)據(jù)通信是通過USB接口芯片實(shí)現(xiàn)的。測(cè)量系統(tǒng)中采用CY7C68013接口芯片，利用VC++編寫動(dòng)態(tài)鏈接庫DLL文件[12]。上位機(jī)測(cè)試系統(tǒng)軟件通過調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量電路的讀數(shù)、控制等操作。上位機(jī)軟件主要實(shí)現(xiàn)從存儲(chǔ)模塊采樣讀數(shù)、對(duì)存儲(chǔ)模塊進(jìn)行擦除、數(shù)據(jù)定標(biāo)、頻譜分析、曲線濾波、導(dǎo)出數(shù)據(jù)等功能。

采樣讀數(shù)部分是該測(cè)試系統(tǒng)軟件的核心部分。LabVIEW開發(fā)的上位機(jī)軟件從存儲(chǔ)模塊讀取大容量數(shù)據(jù)時(shí)，若一次將數(shù)據(jù)全部讀出，會(huì)使LabVIEW內(nèi)存溢出。因此采用分批次循環(huán)讀出數(shù)據(jù)的策略，即每次讀取一定容量（10MB）的數(shù)據(jù)后將其寫入文件并記錄此時(shí)文件位置，接著將記錄的文件位置設(shè)置為起始位置進(jìn)行下一次的讀數(shù)并寫入文件，直到存儲(chǔ)模塊中剩余的數(shù)據(jù)量小于10MB時(shí)停止讀數(shù)并關(guān)閉文件，此時(shí)就完成了對(duì)大容量數(shù)據(jù)的讀數(shù)過程，之后對(duì)該數(shù)據(jù)的后續(xù)處理也采用同樣的策略。圖3為采樣讀數(shù)模塊程序框圖。

圖3 采樣讀數(shù)模塊程序框圖

上位機(jī)軟件進(jìn)行頻譜分析時(shí)，直接調(diào)用位于譜分析VI選板的“幅度譜和相位譜”控件，該控件計(jì)算實(shí)數(shù)時(shí)域信號(hào)的單邊且已縮放的幅度譜，并通過幅度和相位返回幅度譜。其具體算法如下：

圖4 不同轉(zhuǎn)速時(shí)的相移差

式中：A、B——雙邊幅度譜，單邊幅度譜；

X——信號(hào)的離散傅里葉變換；

N——信號(hào)中的點(diǎn)數(shù)；

[]——向下取整運(yùn)算。

|B|即是幅度譜的大小[13]。

上位機(jī)軟件濾波系統(tǒng)采用Butterworth低通濾波器，根據(jù)頻譜分析的結(jié)果，手動(dòng)選擇合適的頻率對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波處理以得到光滑的曲線[14]。濾波頻率的選擇要滿足下式的條件：

式中：f1——低截止頻率；

f2——高截止頻率；fs——采樣頻率。

4 實(shí)測(cè)波形及數(shù)據(jù)分析

扭矩測(cè)量試驗(yàn)中，采用實(shí)心轉(zhuǎn)動(dòng)軸。傳感器容柵柵極個(gè)數(shù)N=60，轉(zhuǎn)動(dòng)軸材料剛性常量G=1.96×1010N/m2，直徑 D=0.0581m，極慣性矩 Ip=1.118×10-6m4，兩容柵橫截面之間的距離l=0.3372m。

通過對(duì)不同轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)動(dòng)軸進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試電路以250 kHz的采樣頻率采集100MB的數(shù)據(jù)并將其記錄在存儲(chǔ)模塊，讀取存儲(chǔ)模塊的數(shù)據(jù)可以得到兩路類似于正弦波信號(hào)的相位差。如圖4所示，測(cè)試系統(tǒng)軟件通過對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的頻譜分析、曲線濾波等一系列數(shù)據(jù)處理，能夠得到光滑、平穩(wěn)的波形，同時(shí)能夠把波形周期、兩路波形相位差等被測(cè)對(duì)象的重要信息準(zhǔn)確直觀地表現(xiàn)出來。

對(duì)給定轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)動(dòng)軸進(jìn)行多次測(cè)試，通過式（2）和式（4）可以進(jìn)一步得到轉(zhuǎn)動(dòng)軸的扭角和扭矩，對(duì)多次測(cè)量結(jié)果取平均值并將其記錄在表1。

表1 不同轉(zhuǎn)速時(shí)的扭角和扭矩

圖5 給定扭角與實(shí)測(cè)扭角對(duì)比

由表可知，在轉(zhuǎn)動(dòng)軸工作的過程中，隨著其轉(zhuǎn)速的增大，測(cè)量電路得到的兩路類似于正弦波的信號(hào)周期減小，相位差增大，轉(zhuǎn)動(dòng)軸的扭角和扭矩也相應(yīng)的增大。由圖5對(duì)扭角進(jìn)行誤差分析可知，扭角最大相對(duì)誤差＜6%，測(cè)量結(jié)果相對(duì)準(zhǔn)確度較高。

5 結(jié)束語

基于LabVIEW開發(fā)的容柵扭矩測(cè)試系統(tǒng)軟件開發(fā)周期短，性能穩(wěn)定可靠，測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確度高，能夠完成大容量數(shù)據(jù)的采集與處理。軟件與容柵傳感器通過USB總線連接所構(gòu)成的測(cè)試系統(tǒng)，可以完美地應(yīng)用于工程中對(duì)扭矩的測(cè)量分析，尤其對(duì)惡劣環(huán)境下扭矩的測(cè)量具有重要意義。

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