韋 祎，劉福稼

（1.蕪湖航翼集成設(shè)備有限公司，安徽 蕪湖 241007；2.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 511370）

扭矩是對(duì)物理量的反映，這在傳統(tǒng)機(jī)械系統(tǒng)當(dāng)中展現(xiàn)出性能特點(diǎn)，輸出更多的機(jī)械動(dòng)力，能夠?yàn)闄z驗(yàn)產(chǎn)品質(zhì)量提供依據(jù)。測(cè)量結(jié)果影響到制造行業(yè)的設(shè)計(jì)等。但扭矩在測(cè)試環(huán)境的時(shí)候，存在自身旋轉(zhuǎn)、振動(dòng)干擾較大、空間較小等限制因素，傳統(tǒng)測(cè)試無(wú)法解決這種問(wèn)題。因此，待測(cè)結(jié)構(gòu)能夠在不被破壞的前提下進(jìn)行測(cè)試，安裝便捷，適用范圍較廣，成為今后業(yè)內(nèi)研究的重點(diǎn)。

1 無(wú)線卡環(huán)式扭矩傳感器測(cè)試系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀

扭矩傳感器要對(duì)待測(cè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，導(dǎo)致結(jié)果與實(shí)際并不相符，這在很多場(chǎng)合是不允許的，直接使測(cè)試工作更加復(fù)雜化。當(dāng)前我國(guó)對(duì)于相關(guān)傳感器的研究還較少，主要集中在船舶動(dòng)力系統(tǒng)的構(gòu)建與設(shè)計(jì)等方面，在波諧振器等進(jìn)行的傳感器研究，無(wú)論是測(cè)試環(huán)境還是精度等都需要通過(guò)詳細(xì)的試驗(yàn)才能夠進(jìn)行充分的驗(yàn)證。而以?shī)A持式扭矩為基礎(chǔ)構(gòu)建的測(cè)試系統(tǒng)，在靈敏度等方面并不理想，能夠測(cè)試的范圍也較小。施加力的時(shí)候，會(huì)使扭桿發(fā)生變形，轉(zhuǎn)換角度值，輸入/輸出軸將旋轉(zhuǎn)并產(chǎn)生偏差。而產(chǎn)生偏差的時(shí)候就需要將內(nèi)部滑塊進(jìn)行軸向的輸出移動(dòng)，在軸向移動(dòng)的作用下滑塊會(huì)做出驅(qū)動(dòng)的動(dòng)作，并且改變電阻值。電位計(jì)在出現(xiàn)電阻值的變化的時(shí)候能夠輸出對(duì)應(yīng)電壓，利用測(cè)試完成對(duì)輸出電壓的檢測(cè)，并且扭矩也會(huì)做出相應(yīng)大小或者方向的轉(zhuǎn)變。通常情況下電位器投入的成本相對(duì)較低，以接觸式的方式進(jìn)行運(yùn)行，會(huì)產(chǎn)生較低的摩擦，使精度受到影響，降低使用壽命，不得不采取頻繁維護(hù)，使成本提升，不利于集成，將逐步淘汰，取而代之的是不接觸的形式，但是通過(guò)將傳感器進(jìn)行的扭桿連接，使輸入或者輸出都能夠正常，在兩者的軸當(dāng)中固定光碼盤，要保證所有的光碼盤中設(shè)計(jì)孔洞，一個(gè)光碼盤的孔處于相同的相位分布，而另一個(gè)孔處于異相分布。施加扭矩時(shí)，扭力桿的扭轉(zhuǎn)變形會(huì)導(dǎo)致光學(xué)編碼板錯(cuò)位，從而改變光學(xué)編碼板當(dāng)中不同的孔出現(xiàn)的重疊情況，應(yīng)用二極管對(duì)其進(jìn)行照射，這樣也能夠輸出相應(yīng)的電壓數(shù)值，接受電壓信號(hào)就能夠檢測(cè)出扭矩的大小或者方向，這種方式在測(cè)量上能夠產(chǎn)生較高的精度，并且快速響應(yīng)，不會(huì)受到電磁等的干擾，性能高。然而，光學(xué)編碼板當(dāng)中的孔洞對(duì)于精度、位置等要求較高，并且受到周邊環(huán)境的影響較大，使得壽命較低，安裝密封要求高，價(jià)格昂貴。日本發(fā)明感應(yīng)式扭矩傳感器，以非接觸的方式進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)精度高，并且也在不斷地創(chuàng)新發(fā)展，通過(guò)電動(dòng)助力的形式實(shí)現(xiàn)了批量生產(chǎn)，在韓國(guó)等國(guó)家中開(kāi)始生產(chǎn)和使用。而我國(guó)也對(duì)相關(guān)扭矩傳感器進(jìn)行了研究，以信號(hào)采集、電路處理等形式進(jìn)行廣泛的試驗(yàn)，在信號(hào)傳輸、重復(fù)性、精度、誤差等方面都得到了一定的滿足。

2 卡環(huán)式扭矩傳感器的力學(xué)模型

2.1 模型建立

依據(jù)理論基礎(chǔ)構(gòu)建卡環(huán)機(jī)械結(jié)構(gòu)模型，通過(guò)原點(diǎn)不斷地?cái)U(kuò)大坐標(biāo)系。如圖1 所示。

圖1 卡環(huán)式扭矩傳感器力學(xué)模型

2.2 力學(xué)模型論證及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

通過(guò)COMSOL 軟件，對(duì)卡環(huán)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元仿真。作為整體系統(tǒng)通過(guò)彈性體等開(kāi)展測(cè)試，依據(jù)當(dāng)前情況，鋁成為主要的材料選擇對(duì)象，將彈性體等以45#鋼為主體。固體機(jī)械穩(wěn)態(tài)等方面的研究是主要的類型分析，并且將其劃分成為物理場(chǎng)控制，這種常規(guī)規(guī)模能夠更好地將待測(cè)軸進(jìn)行固定約束，將另一邊進(jìn)行扭矩荷載試驗(yàn)。

彈性體與卡環(huán)連接之后發(fā)現(xiàn)靠近它們的位置能夠展現(xiàn)出較為明顯的應(yīng)力變化，特別是彈性體兩端表現(xiàn)出相反效果的應(yīng)力作用。在彈性體當(dāng)中要找到相關(guān)變化的傳感器元件，確定其主要的位置變化，這樣就能夠構(gòu)建全或者半橋的電路測(cè)量結(jié)果。彈性體軸向觀察線中處于表面的一種變化，因此，就要對(duì)線中應(yīng)力變化進(jìn)行計(jì)算。

進(jìn)行的仿真試驗(yàn)獲取到的結(jié)果與理論預(yù)設(shè)的結(jié)果具有相同性，這也說(shuō)明了模型建立的正確性。通過(guò)觀察模擬數(shù)據(jù)能夠發(fā)現(xiàn)其呈現(xiàn)鋸齒形狀，這體現(xiàn)出模擬數(shù)據(jù)在經(jīng)過(guò)網(wǎng)格劃分之后自身的精度不會(huì)受到影響，同時(shí)也能夠顯示出模擬突變，但是不會(huì)影響到計(jì)算結(jié)果。而造成突變的主要原因就是整體過(guò)程相互擠壓導(dǎo)致邊緣受應(yīng)力不均發(fā)生突變。模型在建立當(dāng)中理論分析等都不會(huì)受到影響，同時(shí)也不會(huì)發(fā)生理論推導(dǎo)在內(nèi)容上的添加。傳感器在性能方面主要受到多元因素的影響，長(zhǎng)度、截面等都要做好總體考慮，即便是待測(cè)環(huán)境、敏感元件等在安裝上都要做好充分的選擇。進(jìn)行分析能夠發(fā)現(xiàn)，其中的數(shù)據(jù)變化具有的規(guī)律性與整體的模型在理論上較為接近，這能夠說(shuō)明模型的有效性。

選定的待測(cè)點(diǎn)在扭矩測(cè)量范圍內(nèi)，根據(jù)線性的處理要求對(duì)扭矩不同應(yīng)力作用下的變化進(jìn)行關(guān)系分析，不同的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)都能夠展現(xiàn)出相反或者相等的應(yīng)力變化，構(gòu)建成為測(cè)試電路系統(tǒng)，也說(shuō)明了卡環(huán)扭矩傳感器的可行性。

3 無(wú)線卡環(huán)式扭矩測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)整體測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行分析能夠發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是前端模塊還是調(diào)平模塊等都能夠?qū)εぞ匦盘?hào)進(jìn)行處理，控制好無(wú)線狀態(tài)下的數(shù)據(jù)采集工作。應(yīng)力變化作用下的待測(cè)點(diǎn)要詳細(xì)的布置，這樣就能夠轉(zhuǎn)換好扭矩與應(yīng)力的信號(hào)，扭矩信號(hào)調(diào)節(jié)模塊中，一個(gè)濾波電路和一個(gè)零偏移調(diào)整電路，因此信號(hào)更易于采集和處理。橋式調(diào)平模塊中會(huì)設(shè)置不同電路，這樣能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)樹(shù)模的轉(zhuǎn)換，也能夠同時(shí)開(kāi)展數(shù)據(jù)采集，扭矩信號(hào)在無(wú)線模塊的作用下能夠，操作計(jì)算、線性采集和分配以及控制好時(shí)序等相關(guān)邏輯問(wèn)題。

3.2 新型電橋調(diào)平模塊

在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中，由于應(yīng)變儀的生產(chǎn)過(guò)程、溫度系數(shù)、安裝誤差和電纜電阻等因素，在靜載環(huán)境下，橋端輸出往往不為零，影響到在測(cè)試當(dāng)中精度。考慮到硬件成本和電纜布局的復(fù)雜性，選擇半橋應(yīng)變測(cè)量電路來(lái)完成扭矩測(cè)試任務(wù)。假設(shè)電橋由兩個(gè)電阻值為R 的應(yīng)變計(jì)和兩個(gè)恒定電阻器組成，兩個(gè)應(yīng)變計(jì)是相鄰的臂，應(yīng)變計(jì)之間的電阻差為δR。為了能夠保障電橋運(yùn)行的平衡性，電阻值在設(shè)置上要相等。有效地調(diào)控電阻網(wǎng)絡(luò)，添加到的電路系統(tǒng)不會(huì)影響到電橋，使測(cè)試結(jié)果更為穩(wěn)定，但是在調(diào)整當(dāng)中電橋容易短路，影響系統(tǒng)的可靠性。電阻網(wǎng)絡(luò)如圖2 所示。

圖2 電橋調(diào)平模塊的電阻網(wǎng)絡(luò)

在圖1 中，R＿strain 設(shè)置調(diào)整范圍的電阻，改變R＿strain 可以控制橋梁調(diào)平模塊的調(diào)整范圍；RP為齒輪細(xì)分設(shè)定阻力，可控制調(diào)整精度；DPOT 是一種數(shù)字電位器。數(shù)字電位器選用美國(guó)模擬器件公司的AD8402ARU10 芯片。電位器具有256 個(gè)雙通道，調(diào)節(jié)范圍為0～10 kΩ，調(diào)節(jié)分辨率為39 Ω。其中一個(gè)通道用作扭矩信號(hào)調(diào)節(jié)模塊中的放大增益控制電阻，另一個(gè)通道用于電橋調(diào)平模塊的調(diào)節(jié)電阻。應(yīng)變計(jì)電阻的R_應(yīng)變?yōu)?20 Ω，橋臂AB 兩端的預(yù)期電阻調(diào)整范圍設(shè)置為±2 Ω。

根據(jù)阻力串聯(lián)和并聯(lián)計(jì)算公式，當(dāng)RP=2.8 kΩ時(shí)，4 個(gè)間隔中的齒輪數(shù)相對(duì)平衡，分別為19、30、60 和147，區(qū)域間調(diào)整的精度接近0.05 Ω、0.03 Ω、0.016 Ω 和0.006 Ω。它可以微調(diào)應(yīng)變儀的電阻誤差，完成橋平功能。如果調(diào)整范數(shù)降低到±1 Ω，橋梁調(diào)平模塊的調(diào)整精度也將提高。可以根據(jù)實(shí)際情況平衡調(diào)整范圍和調(diào)整精度之間的關(guān)系。當(dāng)無(wú)線夾持式扭矩測(cè)試系統(tǒng)執(zhí)行測(cè)試任務(wù)時(shí)，將執(zhí)行橋接調(diào)平程序，以在當(dāng)前環(huán)境中校正傳感器前端模塊，以確保測(cè)試過(guò)程的測(cè)量精度。

如果需要調(diào)整電橋，就要依據(jù)電阻公式，對(duì)電壓值等進(jìn)行電位器的數(shù)字計(jì)算，得到理論上的輸出數(shù)值，操作控制模塊，彎沉歸隊(duì)測(cè)試信號(hào)的電壓轉(zhuǎn)換，并且在調(diào)節(jié)模塊作用下最終確認(rèn)設(shè)定精度與調(diào)整之后的輸出值的一致性。當(dāng)沒(méi)有達(dá)到精度要求的時(shí)候，就要依據(jù)制定范圍對(duì)出現(xiàn)偏差的問(wèn)題進(jìn)行搜索，明確電位器輸出數(shù)值，這樣就能夠調(diào)節(jié)橋式平衡。通常情況下搜索次數(shù)要控制在5 次以內(nèi)。

3.3 模塊性能仿真

根據(jù)上述電橋調(diào)平策略，當(dāng)應(yīng)變傳感器的誤差為±2 Ω 時(shí)，模擬補(bǔ)償電橋輸出，并與未補(bǔ)償電橋的輸出進(jìn)行比較。

當(dāng)應(yīng)變傳感器的誤差為±2 Ω 時(shí)，無(wú)補(bǔ)償電橋的輸出電壓范圍為±15 MV，而補(bǔ)償電橋輸出電壓在±0.2 MV 范圍內(nèi)，輸出誤差降低了70 倍。這表明文章設(shè)計(jì)的電動(dòng)調(diào)平模塊對(duì)減小電橋的輸出誤差有明顯的調(diào)節(jié)作用。

4 發(fā)展趨勢(shì)

隨著對(duì)于傳感器可靠性等方面的需求不斷提升，接觸式將會(huì)淘汰，而非接觸式將會(huì)不斷發(fā)展。電動(dòng)助力下的傳感器能夠在成本、結(jié)構(gòu)等方面做出創(chuàng)新，單一形式并不能夠滿足當(dāng)前社會(huì)的發(fā)展需求，以復(fù)合形式進(jìn)行的扭矩在新材料等方面得到了充分的應(yīng)用，精細(xì)化程度越來(lái)越高，理論基礎(chǔ)越來(lái)越豐富，傳感器發(fā)揮的作用也就越能夠凸顯，既能夠保留優(yōu)點(diǎn)，消除缺點(diǎn)的影響。微電子技術(shù)等也為無(wú)線卡環(huán)式扭矩傳感器的發(fā)展提供了技術(shù)支持，優(yōu)化了設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)，將不同的電路都能夠集中在相同的IC 元件當(dāng)中，扭矩傳感器也實(shí)現(xiàn)了小型化的發(fā)展，集成技術(shù)更為突出，不同系統(tǒng)中的控制功能更為密切，使得內(nèi)部機(jī)械數(shù)量不斷地減少，在不同ECU 等之間實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享，在開(kāi)展自我診斷的同時(shí)完成自我校準(zhǔn)，及時(shí)發(fā)揮出補(bǔ)償功能，能夠適應(yīng)不同的環(huán)境。

5 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于測(cè)試無(wú)線卡環(huán)式扭矩傳感器系統(tǒng)能夠發(fā)現(xiàn)，無(wú)線卡環(huán)式扭矩傳感器在安裝上較為便利，維護(hù)工作簡(jiǎn)單，待測(cè)軸承不會(huì)受到破壞，這些都是其最為突出的優(yōu)點(diǎn)。即便是非接觸也能夠完成系統(tǒng)的測(cè)試。無(wú)線卡環(huán)式扭矩傳感器在彈性體的力的作用下會(huì)發(fā)生變形，根據(jù)原理能夠說(shuō)明在整體結(jié)構(gòu)上具有可行性，在今后的工作當(dāng)中也會(huì)實(shí)現(xiàn)其不斷優(yōu)化，而采用的新型電橋調(diào)平方法進(jìn)一步顯現(xiàn)出其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，同時(shí)增加了調(diào)節(jié)精度，在發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的時(shí)候能夠快速響應(yīng)，針對(duì)不同形式都能夠適應(yīng)應(yīng)變傳感系統(tǒng)，使環(huán)境適應(yīng)性大大提升。即便是開(kāi)展卡環(huán)安裝方式的優(yōu)化、固定結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性提升都能夠?qū)崿F(xiàn)。