工程車輛無線扭矩測試系統的設計與應用

孫 玥

（上海巖土工程勘察設計研究院有限公司天津分公司，天津 300000）

如今，工程車輛多種多樣，在動力傳遞過程中，機械設備傳動系統的傳動軸必須承受扭矩驟變、過載運行、高振幅振動和沖擊的不利影響。實現傳動軸、半軸的扭矩檢測，有利于確保施工和生產設備的安全穩定運行。在工程測試和產品開發的過程中，有利于優化測試產品的性能，實現對設備的控制和管理。在車輛的運行過程中，半軸高速旋轉、安裝空間狹小、振動沖擊較大以及油污高溫環境，不適合采用體積較大、在線式傳輸的扭矩傳感器。隨著MEMS、射頻技術的發展，集成電路制造技術日趨成熟，無線射頻收發器芯片種類越來越多，而且集成度越來越高，尺寸小巧的無線扭矩測試系統是目前需要的扭矩監控方案。

1 扭矩測量技術的發展

扭矩是各種機械傳動軸的基本載荷形式，扭矩分為靜態扭矩和動態扭矩。半軸輸出的扭矩是一種動態扭矩。扭矩傳感器已廣泛應用在現代測量。當前，國內外扭矩傳感器種類繁多，從原理上講，主要有壓磁式、轉角相位差式和應變式等測量方法。每種方法都有其一定的適用范圍和優缺點，其中應變式測試是發展最成熟、應用最廣泛、最成熟的測量方法之一。

近年來還有一些扭矩測量技術出現，如無線無源聲表面波測量、光纖式和電容式扭矩測量技術。無線無源聲表面波式又叫SAW傳感器，通過雷達技術測量軸變形前后被反射的SAW波的相速度的變化來測量扭矩。

2 無線扭矩測試系統總體設計

2.1 無線扭矩測試系統的組成

無線扭矩測試系統是一套涵蓋多門測試技術的綜合性系統，涉及傳感器技術、應變電測技術、射頻通信技術以及數字信號處理等多個學科。無線扭矩測試系統由傳感器、無線發射模塊、接收調理模塊和上位機軟件四部分組成。系統的發射器采用電池供電方式，這樣的設計主要為縮小無線發射器的體積，來滿足多種車型不同尺寸的半軸測試。測試系統的傳感器部分采用電阻應變片來測扭矩信號。無線發射模塊采用2.4GHz短距離無線通信技術，其傳輸頻率為2.4GHz，而且該類型芯片種類較多，最后選擇nRF24L01無線傳輸模塊發送和接收數據；數據采集卡選用國家儀器NI公司的多通道采集模塊NI9205，上位機使用LabVIEW作為開發平臺。

2.2 無線扭矩測試系統的工作框圖

無線扭矩測試系統整體由兩部分組成：靜止部分和旋轉部分。旋轉部分如何與靜止部分進行通信，以及旋轉部分如何設計可謂系統設計的難點。發射器需要固定在旋轉軸上跟著軸一起旋轉。軸支持的最高轉速和發射器能承受的離心力大小，以及發射器可測試的軸直徑和傳輸到靜止部分的距離都是人們需要考慮的因數。本課題的無線扭矩測試系統總體設計框圖如圖1所示。

圖1 無線扭矩測試系統工作流程

無線扭矩測試系統的工作流程：無線扭矩測試系統的橋路激勵由可長時間工作的內置電池提供，發射器固定在旋轉軸上。扭矩電阻應變片輸出的微小電壓信號經放大、平滑濾波、A/D轉換后經發射模塊通過射頻傳輸由內置天線傳輸到靜止部分的接收天線。信號調理模塊將接收的數字信號轉換為高帶寬的模擬電壓信號。數據采集卡采集并存儲電壓值，由上位機軟件實時顯示和分析。

2.3 數據采集模塊和上位機軟件

上位機軟件搭載在NI的數據采集板卡。筆者選用NI-9205數據采集卡，它支持32通道的信號采集、USB通信、可以直接由上位機電腦供電。上位機采集軟件使用程序設計語言Labview來開發實現，完成實時數據波形顯示、信號強度指示、參數配置、濾波器選擇、采樣頻率設置、數據保存和數據回放等功能。

上位機軟件按主要功能可分為參數配置模塊、數據采集模塊、數據存儲及回放模塊和濾波模塊。主要功能模塊又包含實現具體功能的單一功能模塊，從而實現需求的各項功能。軟件采用良好的操作界面，操作簡便、數據顯示直觀、形象，各模塊間有必要的連鎖，保證軟件在可控的流程下工作。

3 系統關鍵模塊的詳細設計與實現

3.1 無線發射模塊

首先考慮到發射模塊的體積要足夠小，目前市場上的半軸的直徑尺寸在20mm以上，弧形的設計可以很好地與半軸貼合，而且可以很好地固定。目前無線發射器需要的軸向尺寸為50.8mm，垂向高度19.8～20.1mm。這樣只要有2cm的安裝空間就可以實現測量。

3.2 放大電路方案

扭矩電阻應變片輸出毫伏級電壓信號，為了減少噪聲和干擾，必須先放大應變電橋產生的mv信號。筆者選擇PGA309來實現，PGA309是一個款可將差分信號進行編程的調節器，不僅放大了應變片輸出的扭矩信號，并且為零點測量范圍、零點漂移、測量范圍漂移和線性誤差提供了精確的數字校準。外部校準參數存儲在非易失性存儲器中，為避免手動微調，保證長時間穩定輸出。左上角為ADI的電壓參考芯片，可以提供校準，保證輸出一個穩定的參考電壓。

3.3 無線收發模塊

目前市面上無線傳輸芯片和控制芯片種類較多。MSP430單片機具有可靠性高、功耗低、體積小、價格低和使用方便等優點，NRF系列芯片外圍部件少、集成度高、功耗低，而且NRF24L01芯片可以連接各種單片機芯片。考慮到發射器要尺寸小，而芯片需成本低且電池供電低能耗，筆者采用MSP430單片機來做控制，NRF24L01芯片作為無線扭矩測試系統的射頻芯片。此款芯片內部包含頻率發生器、功率放大器、晶體振蕩器、調制器、解調器和增強型“SchockBurst”模式控制器等功能模塊。

3.4 開發環境

無線扭矩測試系統集射頻通信技術、應變電測技術、信號處理技術、現代網絡技術為一身。Windows 7是上位機軟件所用操作系統，開發環境是LabVIEW 2015。LabVIEW是一種圖形化編程語言。它用圖標代替文本行創建應用程序。傳統文本編程語言根據語句和指令的順序確定執行順序，而LabVIEW采用數據流編程，程序框圖中節點之間的數據流決定了程序執行順序和VI功能。VI是指LabVIEW的程序模塊。

LabVIEW集成了信號采集、測量、分析和數據顯示等一系列功能，摒棄了傳統開發工具的復雜性，同時提供了強大的測控功能，保證了系統的靈活性。LabVIEW在同一個環境中集成了數據采集、分析與顯示功能，使得測試工程師能夠高效地集成一套完整的測試應用系統。

4 無線扭矩測試系統的測試和驗證

扭矩標定試驗臺架通過一個高精度的在線扭矩傳感器來控制扭矩的輸入，保證輸出的扭矩是一個恒定的扭矩值。筆者采用取點法加擬合直線的方法來計算傳感器系統的線性度和靈敏度。常規半軸的測試輸出扭矩在0～900N·m，在這個范圍內選取10個輸入點，采集并記錄無線扭矩測試系統的輸出。測試數據通過最小二乘法線性擬合，得出無線扭矩測試系統的輸出線性度良好，如圖2所示。

從圖2可以看出，系統的靈敏度為88.793（N·m）/V。本課題設計的無線扭矩測試系統的偏差最大的點在100N·m輸入值附近，根據線性度計算公式可以得出，系統的線性度為0.77%，考慮到重復性和安裝因素的影響，測試系統的精度在1%的精度范圍內。

圖2 扭矩輸出擬合直線

5 結論

本課題設計的電池供電的數字化傳輸的無線扭矩測試系統，經過充分的需求分析、硬件設計和軟件開發以及對功能的細致實現，系統經過試驗標定并在實際測試過程中取得了良好的效果，達到了課題設計的目標并已經市場化。

當前，成熟的無線產品多用于車輛傳動軸的扭矩測試，而此套系統是對當前半軸扭矩測試的補充和完善。同時，一套系統可以支持多種車型的扭矩測試，不僅為和半軸相關的生產測試單位提供了測試方法，而且為企業節約了研發測試成本。本課題的核心電路還可以用于常規應變式傳感器的采集與無線傳輸，具有良好的適應性和性價比，有助于其更好地為整車廠提供測試服務。可見，無線扭矩測試具有很大的市場潛力和實際價值。

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