轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器靜態(tài)標(biāo)定系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

高輝松 王珊珊 朱思洪

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院江蘇省高校智能化農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)試驗(yàn)室1，江蘇 南京 210031；南京市第十四中學(xué)2，江蘇 南京 210031)

轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器靜態(tài)標(biāo)定系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

高輝松1王珊珊2朱思洪1

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院江蘇省高校智能化農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)試驗(yàn)室1，江蘇 南京 210031；南京市第十四中學(xué)2，江蘇 南京 210031)

為了提高傳感器測(cè)量準(zhǔn)確度，開(kāi)發(fā)了轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器靜態(tài)標(biāo)定系統(tǒng)。該標(biāo)定系統(tǒng)由轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、校正臂、砝碼以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。根據(jù)力矩平衡原理，傳感器一端固定，另一端由砝碼通過(guò)校正臂給傳感器加載。基于LabVIEW平臺(tái)開(kāi)發(fā)了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并根據(jù)傳感器工作原理，開(kāi)發(fā)了相位差及頻率測(cè)量模塊。以JC2C型傳感器為試驗(yàn)對(duì)象，進(jìn)行了靜態(tài)標(biāo)定試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，所開(kāi)發(fā)的靜態(tài)標(biāo)定系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、開(kāi)發(fā)成本低，達(dá)到標(biāo)定要求。

轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器 LabVIEW 靜態(tài)標(biāo)定 數(shù)據(jù)采集 數(shù)據(jù)處理

0 引言

轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器安裝于動(dòng)力傳遞路線上，所測(cè)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速是判定動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能的重要參數(shù)，在動(dòng)力系統(tǒng)檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)上具有重要地位。為了保證測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需要定期對(duì)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器的靜態(tài)特性進(jìn)行標(biāo)定。傳統(tǒng)的標(biāo)定方法需要使用轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器專用標(biāo)定儀器，成本高、功能單一[1-2]。由于轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器的標(biāo)定是經(jīng)常性的工作，處理的數(shù)據(jù)多，因此需要一種簡(jiǎn)單易操作且精度高的標(biāo)定方法。

近年來(lái)，圍繞傳感器標(biāo)定關(guān)鍵技術(shù)，合肥工業(yè)大學(xué)、中國(guó)礦業(yè)大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、西安交通大學(xué)、Middle East Technical University等國(guó)內(nèi)外高校院所開(kāi)展了多方面的研究[3-8]。

但由于傳感器的多樣性，以上研究方法及技術(shù)缺少通用性。為了保證轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器經(jīng)常性標(biāo)定的準(zhǔn)確性及穩(wěn)定性，本文根據(jù)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器工作原理，開(kāi)發(fā)了一種基于LabVIEW軟件平臺(tái)的靜態(tài)標(biāo)定系統(tǒng)。通過(guò)試驗(yàn)應(yīng)用表明，該轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器靜態(tài)標(biāo)定系統(tǒng)精度高、穩(wěn)定性好，能夠滿足傳感器靜態(tài)標(biāo)定的各種功能需求。

1 轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器工作原理

圖1所示為磁電式轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器工作原理圖，該傳感器主要由彈性軸和磁電發(fā)生器組成。

圖1 磁電式轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器工作原理圖Fig.1 Schematic diagram of magnetoelectric typetorque-speed transducer

現(xiàn)有的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器大多是基于彈性軸在傳遞扭矩時(shí)產(chǎn)生彈性變形的原理進(jìn)行間接測(cè)量的。磁電發(fā)生器由兩組配對(duì)的內(nèi)/外齒輪、磁鋼和感應(yīng)線圈組成。外齒輪安裝在彈性軸測(cè)量段的兩端，隨彈性軸一起旋轉(zhuǎn)。內(nèi)齒輪安裝在傳感器自帶的驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸上，和外齒輪并列。磁鋼緊接內(nèi)齒輪安裝，感應(yīng)線圈固定在傳感器殼體的兩個(gè)端蓋內(nèi)。當(dāng)內(nèi)/外齒輪產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，由磁鋼和內(nèi)/外齒輪構(gòu)成的磁路的磁通就會(huì)隨之產(chǎn)生相應(yīng)的周期變化，感應(yīng)線圈中就會(huì)感應(yīng)出兩組近似正弦的電壓信號(hào)。

這兩組交流電信號(hào)的頻率與彈性軸的轉(zhuǎn)速成正比，它們之間的相位差與彈性軸傳遞的扭矩以及初始的安裝位置有關(guān)，表示如下：

(1)

式中：T為被測(cè)轉(zhuǎn)矩，Nm；K為待定比例系數(shù)；Δθ為兩組交流信號(hào)相位差，rad；b為待定比例系數(shù)。

由式(1)可知，待測(cè)轉(zhuǎn)矩與兩組電壓信號(hào)的有效相位差成正比，而K、b為待定比例系數(shù)。因此，磁電式型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器使用前需要進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定，以確定式(1)中的比例系數(shù)。

由轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器的工作原理可知，兩組交流電壓信號(hào)的頻率是相同的，設(shè)頻率為f，則轉(zhuǎn)速n可表示為[9]：

(2)式中：n為所測(cè)轉(zhuǎn)速，r/min；f為所測(cè)交流信號(hào)的頻率，Hz；z為信號(hào)齒輪齒數(shù)。

2 轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器靜態(tài)標(biāo)定系統(tǒng)方案

根據(jù)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器工作原理及結(jié)構(gòu)形式，其靜態(tài)標(biāo)定系統(tǒng)，主要包括轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、校正臂、砝碼和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。靜校系統(tǒng)方案如圖2所示。

圖2 靜校系統(tǒng)方案原理圖Fig.2 Schematic diagram of the static calibration system

根據(jù)力矩平衡原理，轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器一端固定，另一端與校正臂連接。當(dāng)校正臂另一端懸掛砝碼時(shí)，轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器彈性軸在旋轉(zhuǎn)力矩的作用下，發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形。由于彈性軸的一端是固定的，此時(shí)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器信號(hào)輸出端并沒(méi)有信號(hào)產(chǎn)生，因此需要開(kāi)啟傳感器自帶的校正電機(jī)帶動(dòng)磁鋼旋轉(zhuǎn)，以便產(chǎn)生交變的感應(yīng)信號(hào)。

3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集卡和基于LabVIEW平臺(tái)開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)采集程序組成。數(shù)據(jù)采集卡采用NI公司生產(chǎn)的PCI-6221數(shù)據(jù)采集卡，具有16路模擬輸入、2路模擬輸出和24路數(shù)字I/O，分辨率為16位，采樣頻率可達(dá)250 kHz，能夠滿足該靜校試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集的需要;還可以通過(guò)2路模擬輸出通道來(lái)控制試驗(yàn)臺(tái)的加載裝置。數(shù)據(jù)采集程序?qū)崿F(xiàn)傳感器信號(hào)的采集、處理及存儲(chǔ)，并以波形和數(shù)字的形式實(shí)時(shí)地顯示在前面板上。LabVIEW的核心是虛擬儀器(virtual instrument，VI)，按形式可分為應(yīng)用級(jí)VI和子VI。每一個(gè)VI都可以通過(guò)連接器調(diào)用其他的VI或被調(diào)用。因此，可以把一個(gè)復(fù)雜的應(yīng)用程序逐步劃分為若干的子模塊，每個(gè)模塊可由一個(gè)或幾個(gè)子VI構(gòu)成。

根據(jù)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器的工作原理可知，靜校試驗(yàn)中所采集的信號(hào)為兩組交流信號(hào)，只要能夠求出這兩組信號(hào)的相位差及頻率，即可獲得轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器所測(cè)量的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。

3.1 轉(zhuǎn)矩的測(cè)量

由式(1)可知，轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器的轉(zhuǎn)矩與兩組交流信號(hào)的相位差成正比，因此只要獲得兩組交流信號(hào)相位差，即可求出扭矩。

假設(shè)所采集的信號(hào)為可積分的任一周期函數(shù)f(t)，則它可以寫(xiě)成如下傅里葉級(jí)數(shù)[10]：

(3)

因此，基波的初相位可表示為：

(4)

通過(guò)對(duì)被檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，獲得信號(hào)的相頻特性，然后計(jì)算兩信號(hào)在基頻率處的相位差。

3.2 轉(zhuǎn)速的測(cè)量

由式(2)可知，轉(zhuǎn)速與信號(hào)齒輪的齒數(shù)及頻率有關(guān)，齒數(shù)大小由傳感器參數(shù)給出。而對(duì)于頻率f，則需要對(duì)采集到的時(shí)間信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，從而估算出信號(hào)的功率譜。其中最大功率值所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)就是基頻點(diǎn)，由該點(diǎn)所在輸入序列的位置和采樣頻率即可估算出信號(hào)的頻率。

4 試驗(yàn)結(jié)果

以試驗(yàn)室所用JC2C型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器為靜校對(duì)象進(jìn)行靜校試驗(yàn)，其性能參數(shù)如表1所示。

試驗(yàn)時(shí)，為了消除傳感器遲滯帶來(lái)的誤差、提高測(cè)量精度，采用加碼、減碼兩個(gè)行程的標(biāo)定方法。加碼行程，砝碼的質(zhì)量逐漸增加，每增加一次，記錄對(duì)應(yīng)的相位差;減碼行程，砝碼的質(zhì)量逐漸減小，記錄對(duì)應(yīng)的相位差。每次標(biāo)定都分為加碼和減碼兩個(gè)行程，標(biāo)定3次，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表1 JC2C型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器性能參數(shù)Tab.1 Performance parameters of JC2C torque-speed transducer

表2 轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器轉(zhuǎn)矩標(biāo)定數(shù)據(jù)Tab.2 Torque calibration data of the torque-speed sensor

為了消除校正臂微量彈性變形的影響，提高試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，采用最小二乘法對(duì)表2的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，結(jié)果如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)矩標(biāo)定擬合曲線圖Fig.3 Torque calibration fitting curve

得到如下的擬合方程：

Δθ=0.183T-4.441 3

(5)

對(duì)式(5)作適當(dāng)變換，可得到測(cè)量扭矩與相位差的關(guān)系式為：

T=5.480 6Δθ+24.293

(6)

由式(6)即可獲得傳感器待定比例系數(shù)K、b。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器使用中需定期進(jìn)行標(biāo)定的需要，開(kāi)發(fā)了轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器靜態(tài)標(biāo)定系統(tǒng)。基于力矩平衡原理，設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器靜態(tài)標(biāo)定試驗(yàn)方案，傳感器一端固定，另一端由砝碼通過(guò)校正臂給傳感器加載。針對(duì)標(biāo)定試驗(yàn)的定期性，為了節(jié)約試驗(yàn)成本，開(kāi)發(fā)了基于LabVIEW平臺(tái)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可用于不同量程傳感器的靜態(tài)標(biāo)定試驗(yàn)。

以JC2C型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器為標(biāo)定對(duì)象進(jìn)行了標(biāo)定試驗(yàn)研究。試驗(yàn)過(guò)程中，除了砝碼加減載過(guò)程由人工操作外，數(shù)據(jù)的采集、處理及分析等過(guò)程由采集系統(tǒng)自動(dòng)完成，操作簡(jiǎn)便，運(yùn)行穩(wěn)定。但當(dāng)載荷增大時(shí)，校正臂會(huì)產(chǎn)生微量的彈性變形，影響試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性,可通過(guò)后期的數(shù)據(jù)處理消除這個(gè)影響。本研究開(kāi)發(fā)的標(biāo)定系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定平穩(wěn)，試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確可靠，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

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Development of the Static Calibration System for Torque-speed Transducer

In order to improve the measurement accuracy of transducer, the static calibration system of torque-speed transducer has been developed. The calibration system is composed of torque speed transducer, correction arm, weights and data acquisition system. In accordance with the torque balance principle, the transducer is fixed at one end, and is loaded at another end by weights through correction arm. Based on LabVIEW development platform, the data acquisition system is developed, and in accordance with the operation principle of transducer,the phase difference and frequency measuring module is developed. With JC2C type transducer as the test object, the research on static calibration test is conducted. The test result shows that the static calibration system developed runs stably, and the development meets calibration requirements with low cost.

Torque-speed transducer LabVIEW Static calibration Data acquisition Data processing

高輝松(1978-)，男，2008年畢業(yè)于南京農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)機(jī)械化專業(yè)，獲博士學(xué)位，副教授；主要從事車輛電驅(qū)動(dòng)及控制的研究。

TH879

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201506018

中央高校基本科研經(jīng)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(編號(hào)：KYZ201324)；

江蘇省產(chǎn)學(xué)研前瞻性聯(lián)合研究項(xiàng)目(編號(hào)：BY2012140)。

修改稿收到日期：2014-07-18。