王慧敏，李永紅，岳鳳英，張 倫

（1.中北大學儀器與電子學院，山西 太原 030051；2.中北大學電氣與控制工程學院，山西 太原 030051；3.中北大學信息與通信工程學院，山西 太原 030051）

轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測試的準確度和便利性在一些機械動力設(shè)備的生產(chǎn)評價過程中占據(jù)了重要地位[1]。在一些測試中，臺架測試為主流的測試方法，即在國標要求下，先將測試設(shè)備置于一定的工作條件下，比如相應(yīng)的負載、轉(zhuǎn)速、溫度、濕度等，再通過各種技術(shù)手段采集各項工作參數(shù)。其中包括電參量和非電參量，電參量主要包括電壓、功率、效率等，可以通過一定的調(diào)理電路來獲得。而非電參量包括轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速信號，一般通過傳感器來獲得[2-6]。該文轉(zhuǎn)速的測量采用光電對射式傳感器。它的主要優(yōu)點有檢測精度高、穩(wěn)定性好、抗干擾性強，在連續(xù)的測量過程中，不需要再次調(diào)零，可以高轉(zhuǎn)速長時間運行。與此同時，它輸出的高電平頻率信號可直接發(fā)送給PC 機處理，可以較好地滿足需求[7-13]。

現(xiàn)今的測試系統(tǒng)有很多缺陷，大多數(shù)測試系統(tǒng)會受到電磁兼容方面的影響，導致測試設(shè)備的性能下降，無法工作的情況也時有發(fā)生，嚴重的可造成質(zhì)量事故和設(shè)備損害以及其他無法估量的損失。其次，某些高速旋轉(zhuǎn)的特殊設(shè)備，由于安裝空間的限制，裸露的安裝部分很小，難以采用常規(guī)在軸上粘貼應(yīng)變片的方法來測試[14-16]。因此，就以上問題，研制了一套嵌入式轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測試系統(tǒng)，由于電磁兼容方面的限制，采用特殊的供電和信號引出方式，比如采用光電池供電和信號的光傳輸。

1 傳感器安裝方案設(shè)計

風扇驅(qū)動軸為高速旋轉(zhuǎn)部件，且測試設(shè)備安裝空間有限。從裝配圖上可看出，驅(qū)動軸裸露的部分很短，難以采用常規(guī)在軸上粘貼應(yīng)變片的測試方法。因此可考慮在連接驅(qū)動軸與葉輪盤的花鍵盤上進行處理?；ㄦI盤套接于驅(qū)動軸端，靠花鍵與驅(qū)動軸嚙合；葉輪盤再平放于花鍵盤上，靠六個螺孔固定。如果花鍵盤不做加工，直接在其表面粘貼或焊接應(yīng)變片，由于花鍵盤可認為是一個圓柱體，其扭轉(zhuǎn)帶來的形變會非常小，由此帶來的后果是放大電路的放大倍數(shù)非常大，噪聲也會在放大過程中被放大到非常大，這樣輸出信號的質(zhì)量較差。而且某個螺栓孔安裝時稍微錯位就會造成花鍵盤表面產(chǎn)生附加的應(yīng)力，這些都是影響應(yīng)變片的粘貼位置和測試結(jié)果的不確定因素。

花鍵盤俯視圖如圖1 所示。葉輪盤與花鍵盤連接的六個螺孔在同一環(huán)上，環(huán)再通過三根輻條與花鍵盤軸套相接，將應(yīng)變片焊接于三根輻條上，由于輻條較細，相同扭矩的條件下能產(chǎn)生較大的形變，同時測量三根輻條的形變，然后綜合處理成扭矩信號，因此排除了葉輪盤安裝時因不均勻性造成的影響。

圖1 花鍵盤俯視圖

2 測試模塊設(shè)計

2.1 測試模塊總體設(shè)計

測試模塊總體結(jié)構(gòu)中，將應(yīng)變片、信號放大部分、信號處理部分、微控制器、光通信發(fā)送部分、光電池及電源調(diào)整電路一起安裝于花鍵盤上，隨葉輪盤一起轉(zhuǎn)動，構(gòu)成整個測試系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)部分。放大并經(jīng)綜合處理后的扭矩數(shù)據(jù)通過光通信發(fā)送電路以光脈沖的形式發(fā)出，由固定于軸承座上的固定部分光通信接收電路進行接收。同時固定部分的供電光源持續(xù)照射旋轉(zhuǎn)部分的光電池以實現(xiàn)對旋轉(zhuǎn)部分進行無線供電。測量轉(zhuǎn)速時，由安裝于固定部分的轉(zhuǎn)速傳感器配合旋轉(zhuǎn)部分預加工好的齒盤進行轉(zhuǎn)速測量。測試系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 測試系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

2.2 旋轉(zhuǎn)部分設(shè)計

2.2.1 應(yīng)變片的選擇

由于風扇安裝位置所處的環(huán)境較惡劣，機械振動大，且要求測試時能長時間運行，常規(guī)的粘貼式應(yīng)變片的可靠性不夠，一旦運行過程中出現(xiàn)應(yīng)變片脫落的情況，更換處理麻煩，因此優(yōu)先選擇可焊接安裝的應(yīng)變片。考慮到應(yīng)變片的貼裝位置在輻條上，主應(yīng)力方向明確，因此選擇單軸式的應(yīng)變片即可。為降低系統(tǒng)功耗和提高測試的動態(tài)范圍，應(yīng)盡量選擇阻值較高的應(yīng)變片。應(yīng)變片在輻條側(cè)面貼裝時采用差動貼裝的方式，實際的應(yīng)變片外觀和貼裝位置如圖3 所示。

圖3 應(yīng)變片實物外形貼裝圖

圖3 只顯示了一根輻條的貼裝位置，其余兩根輻條上應(yīng)變片的貼裝方式與圖3 相同。

2.2.2 放大電路的設(shè)計

將圖3 等效為懸臂梁，應(yīng)變片Rg1和Rg2分別貼裝在梁受力的兩個表面，這樣，當輻條受單向彎矩作用時，Rg1與Rg2其中一個受力拉伸，另一個受力壓縮，由Rg1與Rg2加上兩個阻值為350 Ω的精密電阻組成橋式電路如圖4 所示。

圖4 應(yīng)力測量電橋

在電橋上施加固定電壓E，應(yīng)變片Rg1與Rg2未受力變形時，其阻值為350 Ω，與R相等，構(gòu)成等臂電橋，e0輸出為0 V；當Rg1與Rg2其中一個受力拉伸，另一個受力壓縮時，電阻一個增大，另一個減少，構(gòu)成差動電橋，其輸出為：

式中，KS為應(yīng)變片的靈敏系數(shù)，該應(yīng)變片的靈敏系數(shù)在1.8～2.2 之間，可取為2；若選取E=4.096 V，按最大形變計算，則當ε0=3 000 με 時，電橋最大輸出電壓e0=12.288 mV。后續(xù)信號處理電路部分可按照此最大輸出電壓來選擇信號放大倍數(shù)。

2.2.3 信號處理電路的設(shè)計

信號處理電路負責將前述應(yīng)變電橋輸出信號加以放大，然后進行A/D 轉(zhuǎn)換變成數(shù)字量，送入后續(xù)信號輸出接口進行處理，如圖5 所示。

圖5 信號處理電路原理圖

由應(yīng)變電橋送來的微小信號首先通過儀表放大器進行放大，儀表放大器選用MAXIM 公司的電阻編程可調(diào)增益放大器MAX4194，其放大倍數(shù)G由外接電阻RG調(diào)節(jié)：

應(yīng)變電橋最大輸出電壓e0=12.288 mV，若將其放大為4.096 V 的信號，G≈333.33，則RG≈150 Ω。ADC選用BB 公司的ADS7812 模數(shù)轉(zhuǎn)換器，12 位分辨率，最高轉(zhuǎn)換速率可達10 MHz，外置參考電壓源，單電源操作，SPI 接口方便和后續(xù)部分的微控制器進行連接。為防止頻譜混疊，選用了MAX7400 巴特沃茲低通濾波器進行濾波。電橋的供電和ADC 參考電壓方面，采用精度為0.04%的REF50XX 系列高精密參考電壓源，保證系統(tǒng)的采集精確度。

設(shè)計過程中，為便于在花鍵盤上安裝，與花鍵盤外形及可用空間相匹配，信號處理電路板外形特設(shè)計為圖6 所示扇面形狀。該信號處理板負責采集一根輻條的轉(zhuǎn)矩信號，整個裝置共需三塊信號處理電路板，成120°環(huán)形布置，后續(xù)電路板設(shè)計均類似。

圖6 信號處理電路板外觀模型

2.2.4 旋轉(zhuǎn)部分母板設(shè)計

信號輸出接口部分除了輸出轉(zhuǎn)矩電壓信號，還要負責讀取信號處理電路傳送來的轉(zhuǎn)矩數(shù)值，該工作需由MCU 協(xié)調(diào)進行。另外，這個測試裝置電路也需要一塊提供支撐的電路母板。因此，將MCU 電路和其他一些必要的輔助部分設(shè)計在一塊電路板上。其中MCU 電原理圖如圖7 所示。

圖7 MCU電路原理圖

2.2.5 光通信發(fā)送電路的設(shè)計

光通信發(fā)送部分接收來自于MCU 串行接口的扭矩數(shù)據(jù)，經(jīng)MCP2120 轉(zhuǎn)換為光通信協(xié)議數(shù)據(jù)，考慮到單個LED 發(fā)射信號時，風扇軸在旋轉(zhuǎn)過程中軸對光線會發(fā)生遮擋的情況，這里用MAX3120 同時驅(qū)動四個紅外LED 發(fā)射信號，相當于環(huán)繞風扇軸形成一個紅外發(fā)射光場，以保證扭矩信號各角度得到可靠接收。其中電路原理圖如圖8 所示。

圖8 光通信發(fā)送部分電路原理圖

2.2.6 供電及電源轉(zhuǎn)換的設(shè)計

供電采用紅外LED-光電池組合的供電方式，紅外LED 安裝于固定的支板上，光電池安裝于花鍵盤底部，隨風扇一起旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)非接觸供電。為保證風扇旋轉(zhuǎn)過程中不會發(fā)生電源中斷的情況，須將光源和光電池制作成環(huán)形。同時為得到最大的光電轉(zhuǎn)換效率，須在光電池效率最高的波段中選擇合適波長作為光源波長，由于一般光電池在近紅外波段轉(zhuǎn)換效率較高，因此選擇850 nm 紅外LED 作為光源器件。將若干LED 均布于扇形PCB 板上，焊接好LED后，可用四塊扇形PCB 構(gòu)成環(huán)形光源板。

DC24V 電源通過LED 恒流驅(qū)動電路驅(qū)動光源板發(fā)出紅外光，照射在光電池板上，產(chǎn)生11V左右的電壓。該電壓在裝置內(nèi)部進行電源調(diào)整，得到扭矩采集部分所需的DC5V 和DC3.3V 電源，電源調(diào)整基于LM2596-XX 芯片，圖9 所示為DC3.3V 電源調(diào)整電路原理圖，其中POWER 標號指出了外部電源的輸入引腳，DP3V3 為其調(diào)整輸出。DC5V電源調(diào)整電路與其相同，只是選用的LM2596 的后綴不同。

圖9 電源調(diào)整電路原理圖

2.3 固定部分設(shè)計

2.3.1 光通信接收部分設(shè)計

光通信接收部分用于接收旋轉(zhuǎn)部分發(fā)送來的扭矩數(shù)據(jù)，該部分與旋轉(zhuǎn)部分的光通信發(fā)送部分配對使用，因此其原理圖與上面發(fā)送部分原理圖相同，只是應(yīng)用圖8 中的接收部分。該部分結(jié)構(gòu)框圖如圖10所示。

圖10 光通信接收部分框圖

2.3.2 扭矩信號輸出和轉(zhuǎn)速測量設(shè)計

信號輸出接口接收來自于固定部分MCU 的數(shù)字扭矩信號，并將扭矩數(shù)字量通過DAC 轉(zhuǎn)換成模擬量，通過放大器放大形成0～10V的扭矩模擬信號輸出至后端其他信號采集設(shè)備。轉(zhuǎn)速的測量可采用光電對射式傳感器，為使裝置更緊湊，將光通信發(fā)送部分電路板支座與碼盤設(shè)計成一體。若傳感器輸出5 kHz 的脈沖信號，則折合轉(zhuǎn)速為5 000 r/min。

將上述固定部分制作成一塊電路板，其外觀如圖11 所示。

3 系統(tǒng)裝配設(shè)計

測試系統(tǒng)的各部件在風扇軸上的安裝位置如圖12 所示。該圖中，測試裝置、花鍵盤、光電池及齒盤最終集成為一個整體，構(gòu)成旋轉(zhuǎn)部分。支板利用風扇輸出軸的支撐座螺栓進行固定，接收裝置、供電光源、光源驅(qū)動電源與支板集成為一個整體，構(gòu)成固定部分。光電轉(zhuǎn)速傳感器安裝于接收裝置電路板上，其U 形槽對準碼盤的齒盤邊緣。接收裝置的連接線往下部走線，在合適的底部位置打孔穿出。

圖12 系統(tǒng)裝配示意圖

整個測試系統(tǒng)的部署順序為：先在底部打走線孔，然后依次安裝支板、供電光源、光源驅(qū)動電源、旋轉(zhuǎn)部分整體、接收裝置，最后安裝風扇和風扇殼。

為了驗證測試系統(tǒng)的可靠性和實際使用情況，按照目標設(shè)備驗證測試需求，進行多次測試，測試結(jié)果如表1 所示。

表1 測試結(jié)果

4 結(jié)束語

文中基于總體設(shè)計要求，設(shè)計了一個兼容性強，具有較大升級空間的嵌入式轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測試系統(tǒng)。采用一種特殊的供電和信號引出方式，提升了效率，將整個系統(tǒng)集成于一體，確保了實驗過程的穩(wěn)定性和可靠性。同時，為便于與可用空間相匹配，設(shè)計出固定形狀的電路板，設(shè)計新穎。該測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠，能夠滿足實際工程需要。