基于射頻通信技術(shù)的扭矩測試系統(tǒng)

陳篤獎(jiǎng) 徐軼群 楊國豪

（集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，福建廈門 361021）

1 引言

在當(dāng)今，隨著造船工業(yè)和船舶科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，對船舶機(jī)動(dòng)性的要求越來越高，因而對船舶動(dòng)力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)要求越高。由于其使用工況復(fù)雜，需要頻繁地進(jìn)行倒車、正車、緊急剎車、快速起動(dòng)、突然加速或減速等非穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，動(dòng)力裝置需承受相當(dāng)大的瞬時(shí)扭矩峰值，易造成動(dòng)力裝置軸系的損傷，因此對扭矩的工作狀況需要進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測[1]。此外，在柴油機(jī)修理后或者監(jiān)測機(jī)組工況和故障診斷時(shí)，精確測量軸功率又是必不可少的工作，而軸功率的測量往往要測量軸的扭矩。

傳統(tǒng)的扭矩測試方法由于不能夠?qū)Ω咚傩D(zhuǎn)的轉(zhuǎn)軸上傳感器采集到的信號(hào)通過有線連接將數(shù)據(jù)傳送到計(jì)算機(jī)上，因此都采用間接測試方法，如轉(zhuǎn)速傳感器測量方法，即通過測量轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速，進(jìn)行分析并與理論計(jì)算書對比，從而推算出扭矩力；還有相位式扭矩測量方法，通過測試轉(zhuǎn)軸上固定的一對齒輪之間的相位差，從而算出相應(yīng)的扭矩值大小；此外還有通過觀測灑在轉(zhuǎn)軸上的均勻磁粉的變形情況得出扭矩力的方法。上述方法往往精度差，誤差大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴等。因此，本文提出利用電阻應(yīng)變片直接貼到轉(zhuǎn)軸上，并通過射頻無線通信的方法將傳感器采集的信號(hào)發(fā)送到上位機(jī)的思想，該方法不僅能夠直接測試扭矩力，測試精度高，數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確可靠，而且具有結(jié)構(gòu)簡單，體積小，功能強(qiáng)大，價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個(gè)測試系統(tǒng)主要分為數(shù)據(jù)采集端和數(shù)據(jù)接收端兩個(gè)部分，兩者之間通過無線通道進(jìn)行通信。數(shù)據(jù)采集端負(fù)責(zé)采集傳感器傳送的信號(hào)并將其傳輸?shù)桨l(fā)射模塊進(jìn)行發(fā)射，而數(shù)據(jù)接收端則負(fù)責(zé)接收發(fā)射模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理，然后將其送到上位機(jī)。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

數(shù)據(jù)采集端由傳感器、放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、微處理器（單片機(jī)）及無線發(fā)射模塊組成。軸受力時(shí)產(chǎn)生的扭矩力經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)放大器適當(dāng)放大后送往A/D轉(zhuǎn)換器。A/D轉(zhuǎn)換器將放大后的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后經(jīng)微處理器進(jìn)行控制處理后送往無線發(fā)射模塊打包發(fā)出。數(shù)據(jù)接收端由無線接收模塊、微處理器及主控計(jì)算機(jī)組成。數(shù)據(jù)接收端收到采集端發(fā)送的數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)按照通信協(xié)議拆包，取出有效數(shù)據(jù)并通過串口發(fā)送給計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。

3 關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)

3.1 傳感器及其電路

在本文中，采用電阻應(yīng)變片作為傳感器來對轉(zhuǎn)軸的力矩進(jìn)行測試。電阻應(yīng)變片根據(jù)電阻變化率R/R△與應(yīng)變成線性關(guān)系的原理來對扭矩進(jìn)行測量，它具有頻率范圍寬、頻響特性好，靈敏度高，增益倍數(shù)大等優(yōu)點(diǎn)[2]。

圖2 應(yīng)變片在轉(zhuǎn)軸上的粘貼

當(dāng)軸在扭矩作用下發(fā)生變形時(shí)，兩個(gè)主應(yīng)力分別與軸成 45°和 135°夾角，此時(shí)，貼于軸上的電阻應(yīng)變片亦產(chǎn)生變形，從而引起電阻值的變化，其變化大小與貼片處軸的平均應(yīng)變成正比[3]。由于轉(zhuǎn)軸在受到扭力作用時(shí)，中間部分是最脆弱的部分，也是最容易斷裂的部分，因此，為了提高測量的靈敏度及可靠性，本測試系統(tǒng)在中間軸上分別以 45°和 135°沿軸線頂角貼好兩組應(yīng)變片（圖2）。然后把兩組應(yīng)變片的8根引線點(diǎn)焊到接線端子，組成電橋，再將平衡橋路的4個(gè)結(jié)點(diǎn)正確接到發(fā)射部分的電路上面。

3.2 數(shù)據(jù)采集技術(shù)

由于傳感器傳輸?shù)碾妷盒盘?hào)小，一般為幾毫伏左右，而且傳輸?shù)氖悄M量信號(hào)，所以傳感器傳輸?shù)男盘?hào)要經(jīng)過放大器進(jìn)行信號(hào)放大并通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后將其采集到微控制器內(nèi)部，這里 A/D轉(zhuǎn)換器選擇美國半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的ADC0808芯片，微控制器采用Intel公司生產(chǎn)的MCS-51系列單片機(jī)中的8031。

圖3 ADC0808與微控制器8031連接圖

圖3為A/D轉(zhuǎn)換器與8031的連接電路圖，在上圖中，ADC0808轉(zhuǎn)換器的片選信號(hào)由 P2.7線選控制，當(dāng)8031產(chǎn)生WR寫信號(hào)時(shí)，則由一個(gè)或非門產(chǎn)生轉(zhuǎn)換器的啟動(dòng) START和地址鎖存信號(hào) ALE（高電平有效），同時(shí)將地址總線送出的通道地址 A、B、C鎖存，模擬量通過被選中的通道送到A/D轉(zhuǎn)換器，并在START下降沿時(shí)開始逐位轉(zhuǎn)換，當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)EOC變高電平。經(jīng)反相器可向CPU發(fā)中斷請求，當(dāng)8031產(chǎn)生RD讀信號(hào)時(shí)，則由一個(gè)或非門產(chǎn)生OE輸出允許信號(hào)（高電平有效），使A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果讀入8031單片機(jī)[4]。

3.3 無線通信及軟件設(shè)計(jì)

nRF401的應(yīng)用電路如圖4所示。

圖4中，如果nRF401處于發(fā)射狀態(tài)，則通過單片機(jī)控制，使得 TXEN=0，CS=0，PWR-UP=1；如果 nRF401處于接收狀態(tài)，則設(shè)置單片機(jī)，使TXEN=1，CS=0，PWR-UP=1。圖中DI接口為芯片的串行數(shù)據(jù)輸入接口，它要接到單片機(jī)的TXD口，而DO為芯片的串行輸出口，接到單片機(jī)的RXD口，完成數(shù)據(jù)的串行接收與發(fā)送。[5]

圖4 nRF401應(yīng)用電路圖

單片機(jī)一上電就先初始化系統(tǒng)和串口，然后進(jìn)入待機(jī)模式，一旦串口中發(fā)生中斷，單片機(jī)就轉(zhuǎn)換工作模式，處理中斷程序。下面是數(shù)據(jù)接收和發(fā)送的部分程序代碼：

接收數(shù)據(jù)：

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)采用高集成度無線收發(fā)一體芯片nRF401作為無線傳輸芯片，大大減少了系統(tǒng)的體積，降低了系統(tǒng)功耗，降低了系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)的難度。本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠，具有通用性，可以嵌入到各種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、遙控遙測系統(tǒng)中，為低成本實(shí)現(xiàn)無線通信提供了一套解決方案。

[1]胡賓, 劉偉等. 動(dòng)力裝置軸系動(dòng)態(tài)扭矩直接測試方法研究[J]. 柴油機(jī), 2005, 27(2).

[2]康魯杰,楊繼紅. 電阻應(yīng)變片的選用[J]. 科技應(yīng)用,2004年, 33(6).

[3]甘少煒,范世東等. 船舶柴油機(jī)軸功率測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 船海工程, 2006, (1).

[4]萬福君,潘松峰等. 單片微機(jī)原理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M]. 北京: 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社, 2003年7月.

[5]郎為民. 射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)原理與應(yīng)用[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2006年6月.