孫 玥

（上海巖土工程勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司天津分公司，天津 300000）

如今，工程車輛多種多樣，在動(dòng)力傳遞過程中，機(jī)械設(shè)備傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)軸必須承受扭矩驟變、過載運(yùn)行、高振幅振動(dòng)和沖擊的不利影響。實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)軸、半軸的扭矩檢測，有利于確保施工和生產(chǎn)設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。在工程測試和產(chǎn)品開發(fā)的過程中，有利于優(yōu)化測試產(chǎn)品的性能，實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的控制和管理。在車輛的運(yùn)行過程中，半軸高速旋轉(zhuǎn)、安裝空間狹小、振動(dòng)沖擊較大以及油污高溫環(huán)境，不適合采用體積較大、在線式傳輸?shù)呐ぞ貍鞲衅鳌ｋS著MEMS、射頻技術(shù)的發(fā)展，集成電路制造技術(shù)日趨成熟，無線射頻收發(fā)器芯片種類越來越多，而且集成度越來越高，尺寸小巧的無線扭矩測試系統(tǒng)是目前需要的扭矩監(jiān)控方案。

1 扭矩測量技術(shù)的發(fā)展

扭矩是各種機(jī)械傳動(dòng)軸的基本載荷形式，扭矩分為靜態(tài)扭矩和動(dòng)態(tài)扭矩。半軸輸出的扭矩是一種動(dòng)態(tài)扭矩。扭矩傳感器已廣泛應(yīng)用在現(xiàn)代測量。當(dāng)前，國內(nèi)外扭矩傳感器種類繁多，從原理上講，主要有壓磁式、轉(zhuǎn)角相位差式和應(yīng)變式等測量方法。每種方法都有其一定的適用范圍和優(yōu)缺點(diǎn)，其中應(yīng)變式測試是發(fā)展最成熟、應(yīng)用最廣泛、最成熟的測量方法之一。

近年來還有一些扭矩測量技術(shù)出現(xiàn)，如無線無源聲表面波測量、光纖式和電容式扭矩測量技術(shù)。無線無源聲表面波式又叫SAW傳感器，通過雷達(dá)技術(shù)測量軸變形前后被反射的SAW波的相速度的變化來測量扭矩。

2 無線扭矩測試系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 無線扭矩測試系統(tǒng)的組成

無線扭矩測試系統(tǒng)是一套涵蓋多門測試技術(shù)的綜合性系統(tǒng)，涉及傳感器技術(shù)、應(yīng)變電測技術(shù)、射頻通信技術(shù)以及數(shù)字信號處理等多個(gè)學(xué)科。無線扭矩測試系統(tǒng)由傳感器、無線發(fā)射模塊、接收調(diào)理模塊和上位機(jī)軟件四部分組成。系統(tǒng)的發(fā)射器采用電池供電方式，這樣的設(shè)計(jì)主要為縮小無線發(fā)射器的體積，來滿足多種車型不同尺寸的半軸測試。測試系統(tǒng)的傳感器部分采用電阻應(yīng)變片來測扭矩信號。無線發(fā)射模塊采用2.4GHz短距離無線通信技術(shù)，其傳輸頻率為2.4GHz，而且該類型芯片種類較多，最后選擇nRF24L01無線傳輸模塊發(fā)送和接收數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)采集卡選用國家儀器NI公司的多通道采集模塊NI9205，上位機(jī)使用LabVIEW作為開發(fā)平臺。

2.2 無線扭矩測試系統(tǒng)的工作框圖

無線扭矩測試系統(tǒng)整體由兩部分組成：靜止部分和旋轉(zhuǎn)部分。旋轉(zhuǎn)部分如何與靜止部分進(jìn)行通信，以及旋轉(zhuǎn)部分如何設(shè)計(jì)可謂系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。發(fā)射器需要固定在旋轉(zhuǎn)軸上跟著軸一起旋轉(zhuǎn)。軸支持的最高轉(zhuǎn)速和發(fā)射器能承受的離心力大小，以及發(fā)射器可測試的軸直徑和傳輸?shù)届o止部分的距離都是人們需要考慮的因數(shù)。本課題的無線扭矩測試系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 無線扭矩測試系統(tǒng)工作流程

無線扭矩測試系統(tǒng)的工作流程：無線扭矩測試系統(tǒng)的橋路激勵(lì)由可長時(shí)間工作的內(nèi)置電池提供，發(fā)射器固定在旋轉(zhuǎn)軸上。扭矩電阻應(yīng)變片輸出的微小電壓信號經(jīng)放大、平滑濾波、A/D轉(zhuǎn)換后經(jīng)發(fā)射模塊通過射頻傳輸由內(nèi)置天線傳輸?shù)届o止部分的接收天線。信號調(diào)理模塊將接收的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為高帶寬的模擬電壓信號。數(shù)據(jù)采集卡采集并存儲電壓值，由上位機(jī)軟件實(shí)時(shí)顯示和分析。

2.3 數(shù)據(jù)采集模塊和上位機(jī)軟件

上位機(jī)軟件搭載在NI的數(shù)據(jù)采集板卡。筆者選用NI-9205數(shù)據(jù)采集卡，它支持32通道的信號采集、USB通信、可以直接由上位機(jī)電腦供電。上位機(jī)采集軟件使用程序設(shè)計(jì)語言Labview來開發(fā)實(shí)現(xiàn)，完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)波形顯示、信號強(qiáng)度指示、參數(shù)配置、濾波器選擇、采樣頻率設(shè)置、數(shù)據(jù)保存和數(shù)據(jù)回放等功能。

上位機(jī)軟件按主要功能可分為參數(shù)配置模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲及回放模塊和濾波模塊。主要功能模塊又包含實(shí)現(xiàn)具體功能的單一功能模塊，從而實(shí)現(xiàn)需求的各項(xiàng)功能。軟件采用良好的操作界面，操作簡便、數(shù)據(jù)顯示直觀、形象，各模塊間有必要的連鎖，保證軟件在可控的流程下工作。

3 系統(tǒng)關(guān)鍵模塊的詳細(xì)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 無線發(fā)射模塊

首先考慮到發(fā)射模塊的體積要足夠小，目前市場上的半軸的直徑尺寸在20mm以上，弧形的設(shè)計(jì)可以很好地與半軸貼合，而且可以很好地固定。目前無線發(fā)射器需要的軸向尺寸為50.8mm，垂向高度19.8～20.1mm。這樣只要有2cm的安裝空間就可以實(shí)現(xiàn)測量。

3.2 放大電路方案

扭矩電阻應(yīng)變片輸出毫伏級電壓信號，為了減少噪聲和干擾，必須先放大應(yīng)變電橋產(chǎn)生的mv信號。筆者選擇PGA309來實(shí)現(xiàn)，PGA309是一個(gè)款可將差分信號進(jìn)行編程的調(diào)節(jié)器，不僅放大了應(yīng)變片輸出的扭矩信號，并且為零點(diǎn)測量范圍、零點(diǎn)漂移、測量范圍漂移和線性誤差提供了精確的數(shù)字校準(zhǔn)。外部校準(zhǔn)參數(shù)存儲在非易失性存儲器中，為避免手動(dòng)微調(diào)，保證長時(shí)間穩(wěn)定輸出。左上角為ADI的電壓參考芯片，可以提供校準(zhǔn)，保證輸出一個(gè)穩(wěn)定的參考電壓。

3.3 無線收發(fā)模塊

目前市面上無線傳輸芯片和控制芯片種類較多。MSP430單片機(jī)具有可靠性高、功耗低、體積小、價(jià)格低和使用方便等優(yōu)點(diǎn)，NRF系列芯片外圍部件少、集成度高、功耗低，而且NRF24L01芯片可以連接各種單片機(jī)芯片?？紤]到發(fā)射器要尺寸小，而芯片需成本低且電池供電低能耗，筆者采用MSP430單片機(jī)來做控制，NRF24L01芯片作為無線扭矩測試系統(tǒng)的射頻芯片。此款芯片內(nèi)部包含頻率發(fā)生器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器、解調(diào)器和增強(qiáng)型“SchockBurst”模式控制器等功能模塊。

3.4 開發(fā)環(huán)境

無線扭矩測試系統(tǒng)集射頻通信技術(shù)、應(yīng)變電測技術(shù)、信號處理技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為一身。Windows 7是上位機(jī)軟件所用操作系統(tǒng)，開發(fā)環(huán)境是LabVIEW 2015。LabVIEW是一種圖形化編程語言。它用圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序。傳統(tǒng)文本編程語言根據(jù)語句和指令的順序確定執(zhí)行順序，而LabVIEW采用數(shù)據(jù)流編程，程序框圖中節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)流決定了程序執(zhí)行順序和VI功能。VI是指LabVIEW的程序模塊。

LabVIEW集成了信號采集、測量、分析和數(shù)據(jù)顯示等一系列功能，摒棄了傳統(tǒng)開發(fā)工具的復(fù)雜性，同時(shí)提供了強(qiáng)大的測控功能，保證了系統(tǒng)的靈活性。LabVIEW在同一個(gè)環(huán)境中集成了數(shù)據(jù)采集、分析與顯示功能，使得測試工程師能夠高效地集成一套完整的測試應(yīng)用系統(tǒng)。

4 無線扭矩測試系統(tǒng)的測試和驗(yàn)證

扭矩標(biāo)定試驗(yàn)臺架通過一個(gè)高精度的在線扭矩傳感器來控制扭矩的輸入，保證輸出的扭矩是一個(gè)恒定的扭矩值。筆者采用取點(diǎn)法加擬合直線的方法來計(jì)算傳感器系統(tǒng)的線性度和靈敏度。常規(guī)半軸的測試輸出扭矩在0～900N·m，在這個(gè)范圍內(nèi)選取10個(gè)輸入點(diǎn)，采集并記錄無線扭矩測試系統(tǒng)的輸出。測試數(shù)據(jù)通過最小二乘法線性擬合，得出無線扭矩測試系統(tǒng)的輸出線性度良好，如圖2所示。

從圖2可以看出，系統(tǒng)的靈敏度為88.793（N·m）/V。本課題設(shè)計(jì)的無線扭矩測試系統(tǒng)的偏差最大的點(diǎn)在100N·m輸入值附近，根據(jù)線性度計(jì)算公式可以得出，系統(tǒng)的線性度為0.77%，考慮到重復(fù)性和安裝因素的影響，測試系統(tǒng)的精度在1%的精度范圍內(nèi)。

圖2 扭矩輸出擬合直線

5 結(jié)論

本課題設(shè)計(jì)的電池供電的數(shù)字化傳輸?shù)臒o線扭矩測試系統(tǒng)，經(jīng)過充分的需求分析、硬件設(shè)計(jì)和軟件開發(fā)以及對功能的細(xì)致實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)經(jīng)過試驗(yàn)標(biāo)定并在實(shí)際測試過程中取得了良好的效果，達(dá)到了課題設(shè)計(jì)的目標(biāo)并已經(jīng)市場化。

當(dāng)前，成熟的無線產(chǎn)品多用于車輛傳動(dòng)軸的扭矩測試，而此套系統(tǒng)是對當(dāng)前半軸扭矩測試的補(bǔ)充和完善。同時(shí)，一套系統(tǒng)可以支持多種車型的扭矩測試，不僅為和半軸相關(guān)的生產(chǎn)測試單位提供了測試方法，而且為企業(yè)節(jié)約了研發(fā)測試成本。本課題的核心電路還可以用于常規(guī)應(yīng)變式傳感器的采集與無線傳輸，具有良好的適應(yīng)性和性價(jià)比，有助于其更好地為整車廠提供測試服務(wù)?？梢姡瑹o線扭矩測試具有很大的市場潛力和實(shí)際價(jià)值。

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