電磁感應式無線轉矩測量系統的研究

嘉興學院南湖學院 周盼盼 鄔尚良 徐 坤 趙 浩

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電磁感應式無線轉矩測量系統的研究

嘉興學院南湖學院 周盼盼 鄔尚良 徐 坤 趙 浩

【摘要】本文設計了一種無線式轉矩測量系統，包括電磁感應式轉矩傳感器、無線發射電路模塊、無線接收電路模塊、信號采集電路模塊、數據處理與顯示模塊。其中無線發射電路模塊和感應式轉矩傳感器固定在一起，將傳感器的輸出電壓以無線方式發射；無線接收電路模塊和信號采集電路模塊固定在一起，接收無線發射電路的轉矩信號，并將該信號傳輸至信號采集電路模塊，經過數據處理后得到轉矩值并實時顯示。該無線式轉矩測量系統具有集成度高、可靠性好等優點，且便于后續開發，擴展性能良好。

【關鍵詞】轉矩測量；電磁感應；無線發射；無線接收；Labview

1 引言

轉矩是各種工作傳動軸的基本載荷模式，是旋轉機械動力輸出的重要指標，是檢驗產品是否合格的標志之一。當前在機械領域對于各類扭矩，輸出功率，轉速的大小的檢測必不可少，通過檢測設備的各項指標，我們可以更深入的分析與研究各組成部分的受力情況和物理現象的機理[1-4]。

轉矩測量儀器是常用的儀器之一，目前使用的轉矩測量系統種類較多[5-9]，有利用電磁離合器原理的測功機，有建立在軸扭力應變原理基礎上的軸上應變片式轉矩傳感器和電磁式轉矩傳感器，目前已有多種轉矩測量系統，如數字式光柵轉矩測量，它的特點是能夠測量超高速轉軸的轉矩，該系統可對100000 r／min 以上的超高速轉軸進行測量，具有較高的測量精度和可靠性。

目前常用的轉矩測量系統多采用有線傳輸的方式工作，即通過數據傳輸線將轉矩測量信息輸送至聯機并進行處理，這種測量方法是目前最廣泛最直接的一種方式，但對于需要長距離傳輸轉矩信息的場合，這種有線傳輸數據的方式存在成本高、適應性差和線路維護困難等局限性，因此我們提出了一種無線式轉矩測量系統以彌補它的不足。

本文設計了一種電磁感應式轉矩傳感器，并在此基礎上對數據傳輸方式進行了深入研究，將采集到的信號數據通過無線收發模塊傳輸至PC端，再經由信號處理和顯示模塊直接讀取轉矩數據，并能夠進一步處理。無線傳輸系統設計克服了傳統有線傳輸方式的缺陷,使得安裝操作更加簡便,同時能夠實時觀察電壓信號和扭矩值的變化。

2 系統原理及結構

2.1 系統組成

本文開發的轉矩測量系統主要由轉矩傳感器、無線發射電路、無線接收電路，信號采集卡、數據處理與顯示等幾部分組成，具體如圖1所示。

圖1 轉矩測量系統組成框圖

在通過轉矩傳感器獲得原始數據后，利用無線發射電路發射，在信號的接收端口，聯機在通過無線接收電路得到轉矩測量數據后進行一系列的數據處理分析和實時顯示。

2.2 轉矩傳感器

本文設計了一種基于電磁感應原理的新結構轉矩傳感器，其由傳感器轉軸、機殼、端蓋、緊固配件及固定螺栓、勵磁繞 組及鐵心、輸出繞組及鐵心、軸承、滑環和電刷組成，結構圖如圖1所示。包括傳感器轉軸1、軸承2、前端蓋3、機殼 4、緊固件 5、軸承 6、勵磁繞組 7、勵磁鐵心8、輸出鐵心 9、輸出繞組 10、軸承11、緊固 件 12、接線盒 13、后端蓋 14、電刷 15、集電環。

圖2 電磁感應式轉矩傳感器

轉矩測量的工作原理為：勵磁繞組通入交流電，產生磁勢幅值隨時間變化的勵磁磁場；傳感器轉軸伸出的一端固定，另一端加載負載轉矩。當負載轉矩為零時，傳感器轉軸不發生形變，分別與傳感器轉軸兩端固定的勵磁鐵心和輸出鐵心的位置保持不變。勵磁繞組和輸出繞組在空間上互相垂直，勵磁磁場與輸出繞組沒有交鏈，輸出繞組的感應電勢為零；當負載轉矩不為零時，傳感器轉軸發生形變，勵磁繞組和輸出繞組的相對位置發生改變，勵磁磁場與輸出繞組交鏈，輸出繞組產生感應電勢，該感應電勢與所加載的負載轉矩相對應。

2.3 無線發射電路

本文設計的無線發射電路模塊的振蕩器采用聲表器件，圖3為無線式轉矩測量系統的無線發射電路模塊原理，IN端口為轉矩信號輸入端；SAW為聲表器件；ANT為天線發射端，用于將轉矩信息以無線的方式向外發射。

2.4 無線接收電路

設計的無線接收電路模塊如圖4所示，由美國Micrel公司生產的MICRF002單片集成芯片及外圍電路構成，工作芯片為美國Micrel公司生產的MICRF002，用于無線信號的接收和解調。其中ANT為天線接收端，用于接收無線發射的轉矩信息；OUT端口為轉矩信號輸出端，與信號采集卡的輸出端口連接。

圖3 無線發射電路的組成

圖4 無線接收電路的組成

無線接收電路模塊采用單片無線接收掃頻芯片，將高頻信號接收功能全部集成于片內以達到用最少的外圍器件和最低的成本獲得最可靠的接收效果。MICRF002提供兩種基本工作模式：固定模式和掃頻模式，在FIXED工作模式下如同傳統的超外差式接收機一樣片內產生固定頻率的本振信號。

2.5 信號采集卡

本文采用基于USB的信號采集卡，通常串口通信時，通信的雙方必須保持波特率一致，這樣才能通信成功。安裝有串口的設備，出廠時一般都把波特率設置成9600，這和電腦串口的默認波特率值相同。但是很多用串口連接的工控設備，計量儀器，由于強調穩定性而不要求傳輸速率，串口波特率默認設置不再是9600，此時用戶就需要手動匹配波特率，這會給用戶帶來很大不便。USB采集卡采用USB通信協議，無需匹配波特率，大大提高了工作效率，更重要的是完全實現了自動化，無需再人工干預。

2.6 信號處理與顯示模塊

本文設計的信號處理與顯示模塊為Labview軟件開發的可視化聯機平臺，能夠對獲得的轉矩數據進行處理和實時的顯示。Labview是一種圖形化的編程語言的開發環境，它廣泛地被工業界、學術界和研究實驗室所接受，視為一個標準的數據采集和儀器控制軟件，用戶只需通過軟件技術和相應數值算法，就能實時、直接地對測試數據進行各種分析與處理，透明地操作儀器硬件，方便地構建出模塊化儀器。利用Labview編寫數據采集卡的驅動程序，對信號分析處理及存儲流程如圖5所示。

圖5 信號采集與處理流程圖

3 結語

隨著科學技術的不斷進步和生產發展的各種需要，轉矩測量技術在工業、航空航天、農業、軍事等涉及機械傳動系統的領域都得到了廣泛應用，本文設計的轉矩測量系統綜合了無線傳輸和虛擬儀器技術，與傳統的轉矩測量系統相比該系統靈活可調，結構簡單，在降低成本的同時還增加了應用的便利性。

參考文獻

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基金項目：2015年度浙江省大學生科技創新活動計劃項目（2015R417015）。