基于無線扭矩測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王衍濤

摘要：針對部分車輛在扭矩測試中安裝受到空間狹窄限制、測試數(shù)據(jù)包丟失等問題，依托應(yīng)變測試原理和無線傳輸技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套無線傳輸?shù)呐ぞ販y試系統(tǒng)，用于研究裝甲車輛在不同環(huán)境條件下的動力性能，準(zhǔn)確的進(jìn)行實(shí)車扭矩測試，對于提升柴油機(jī)的輸出性能和可靠性，充分發(fā)揮裝備的戰(zhàn)技術(shù)性能，提升訓(xùn)練效果具有重要意義，最后進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試，并對應(yīng)變式傳動軸扭矩測試系統(tǒng)作了總結(jié)和評價(jià)。

Abstract： In order to solve the problems such as the limited space and the loss of test data packets in the torque test of some vehicles， a wireless transmission torque test system is designed based on the principle of strain test and wireless transmission technology， it is of great significance to study the dynamic performance of armored vehicles under different environment conditions， to test the real vehicle torque accurately， and to improve the output performance and reliability of diesel engines， so as to give full play to the tactical and technical performance of the equipment and improve the training effect， at last， the experimental test is carried out， and the summary and evaluation of the strain transmission shaft Torque test system are made.

關(guān)鍵詞：傳動軸;扭矩;測量

Key words： transmission shaft;torque strain;gauges

0 ?引言

扭矩是反應(yīng)動力系統(tǒng)的基本載荷形式，是檢測發(fā)動機(jī)性能的重要參數(shù)，作為實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷和保證車輛無事故發(fā)生的重要手段，因此扭矩的準(zhǔn)確測量，獲得精確的扭矩?cái)?shù)值顯得至關(guān)重要，在工程上具有重大的研究價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。根據(jù)扭矩不同的測量原理，傳動軸扭矩測量主要有傳遞法、平衡力法和能量轉(zhuǎn)換法三種類型，常用的扭矩測量方法主要有電阻應(yīng)變式扭矩測試方法、磁彈性扭矩測試方法、電容式扭矩測量方法、光電式扭矩測量方法、光纖式扭矩測量方法、無線聲表面波扭矩測量方法等，本文重點(diǎn)研究的是基于電阻應(yīng)變片的扭矩測量方法[1-4]。

1 ?扭矩測量原理[5]

根據(jù)材料力學(xué)的理論知識可知，傳動軸在扭矩作用下，表面應(yīng)力將會發(fā)生變形，在與軸線成45°和-45°的方向上產(chǎn)生最大的壓應(yīng)力和拉應(yīng)力，貼片方法如圖1所示，分別在這兩個(gè)方向粘貼兩個(gè)應(yīng)變片，在傳動軸受到扭矩M作用時(shí)，傳動軸發(fā)生變形引起應(yīng)變片發(fā)生形變，其變量與扭矩M成正相關(guān)，公式如下：

式中：ε為應(yīng)變值、D為傳動軸的外徑、G為材料的彈性模量、d為傳動軸的內(nèi)徑，從公式（1）中能夠看出，在已知軸的材質(zhì)和內(nèi)外徑的時(shí)候，可以根據(jù)材料變形ε，能夠求出作用在軸上的扭矩[6]。

測量電路如圖2，電阻應(yīng)變片的初始電阻為R1=R2=R3=R4=R，各個(gè)電阻的變化量分別為ΔR1、ΔR2、ΔR3、ΔR4，當(dāng)電橋處于平衡狀態(tài)時(shí)，因?yàn)镽1R4=R2R3，所以整個(gè)電橋的輸出電壓UDB=0，傳動軸受到扭矩作用時(shí)，四個(gè)電阻應(yīng)變片R1、R2、R3、R4分別產(chǎn)生相應(yīng)正負(fù)應(yīng)變，電橋處于不平衡狀態(tài)，此時(shí)電橋輸出電壓ΔUDB與各橋臂電阻以及電阻變化之間的關(guān)系為[7]：

可知輸出電壓UDB和應(yīng)變片電阻值ΔR的變化量成正比。全橋電路即能起到溫度補(bǔ)償作用，又能提高輸出靈敏度，可以減小外界環(huán)境變化對應(yīng)變片輸出數(shù)據(jù)的影響[8]。

2 ?硬件設(shè)計(jì)

2.1 電源電路

電池的輸出電壓不夠穩(wěn)定，因此不能直接作為輸出電源進(jìn)行橋路激勵(lì)，需要經(jīng)過高輸出電流運(yùn)放THS4032來提高負(fù)載供電和遠(yuǎn)端補(bǔ)償?shù)哪芰Γp路放大器THS4032可提供卓越的交流性能，主要在低失真和低噪聲環(huán)境的應(yīng)用，采用諾芯德科技有限公司生產(chǎn)的MAX4624芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換提供的電壓來保證橋路激勵(lì)穩(wěn)定輸出。

2.2 信號放大和濾波

應(yīng)變片因變形而輸出的電壓信號較為薄弱，為了排除外部噪聲和環(huán)境干擾，必須進(jìn)行信號放大才能處理，通過可編程的信號調(diào)節(jié)器PGA309來實(shí)現(xiàn)，PGA309是一個(gè)精密的低漂移、低噪聲、前端可編程的增益放大器，不但能夠放大輸出的扭矩信號，而且能為零點(diǎn)測量范圍、零點(diǎn)漂移、測量范圍漂移和線性誤差提供數(shù)字校準(zhǔn)，可實(shí)現(xiàn)為嵌入式傳感器直流偏置補(bǔ)償器提供了溫度補(bǔ)償和進(jìn)行調(diào)整功能，其校準(zhǔn)參數(shù)存儲在外部非易失性的存儲器中以避免手動微調(diào)并保證長時(shí)間輸出穩(wěn)定的參考電壓[6]。放大器放大后的信號常常含有一些干擾信號，必須經(jīng)過濾波器進(jìn)行濾波去除干擾信號，我們使用低通濾波器進(jìn)行排除干擾信號。

2.3 A/D模數(shù)裝換

電路所采集的模擬信號必須經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號才能夠被單片機(jī)處理，采用TI公司ADS1256 24位ADC采集卡作為A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊的主芯片，其通道的A/D轉(zhuǎn)換能夠單次、連續(xù)、掃描或間斷模式的執(zhí)行，ADC的結(jié)果可以左對齊或右對齊方式存儲在16位數(shù)據(jù)寄存器中，采集卡的采集速率為30K/s，精度可達(dá)到0.00001，抗干擾能力較強(qiáng)，能夠滿足扭矩測試精度的要求。

2.4 無線傳輸模塊

現(xiàn)階段無線傳輸類的芯片有很多，考慮到測試系統(tǒng)的工作環(huán)境，芯片類型的選擇必須滿足性能可靠、價(jià)格低廉、結(jié)構(gòu)小巧、低耗能的要求。WizFi220是一款低功耗的“串口轉(zhuǎn)WiFi”模塊，在休眠狀態(tài)下只有微安級的功耗。它具備串行UART接口，可以通過簡單的8/16/32位指令連接到設(shè)備上，能夠簡單、方便、快捷地為設(shè)備提供Wi-Fi功能。該模塊支持的數(shù)據(jù)速率可達(dá)到11Mbps，與802.11b兼容，可以快速建立一個(gè)基于串口（URAT）與PC或外部微處理器的連接。WizFi220對于有一點(diǎn)或者沒有無線網(wǎng)絡(luò)或RF技術(shù)的設(shè)備是一種非常理想的解決方案。支持WEP，WPA，WPA2-PSK，Enterprise，具有很高的保密性，還可以通過動態(tài)電源管理達(dá)到極低的能量消耗，尺寸緊湊，工作溫度：-40°到85°。其參數(shù)如表1。

3 ?軟件設(shè)計(jì)程序

軟件的主要功能包括參數(shù)配置、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)濾波、存儲和回放，具體流程如圖3，為了滿足各項(xiàng)具體功能的實(shí)現(xiàn)，主要功能模塊下還含有一些單一的模塊，基于應(yīng)變片的傳動軸扭矩測試系統(tǒng)的整體工作過程：橋路激勵(lì)由內(nèi)置電池供電保證平穩(wěn)長時(shí)間運(yùn)行，發(fā)射器固定在傳動軸上，應(yīng)變片發(fā)生形變而輸出的毫伏級電壓信號經(jīng)過放大、低通濾波、A/D模塊轉(zhuǎn)換后發(fā)送，數(shù)據(jù)采集卡負(fù)責(zé)采集和存儲電壓值，上位機(jī)軟件由用戶操作進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示、分析和回放[6][9]。

4 ?實(shí)車測試

在實(shí)車測試過程中，為了解決扭矩測試設(shè)備同傳動軸一起高速旋轉(zhuǎn)不被離心力甩出的問題，利用SolidWorks軟件設(shè)計(jì)了安裝用的卡具，把設(shè)備固定在卡具上隨傳動軸一起轉(zhuǎn)動，保證了設(shè)備的測試精度和設(shè)備的穩(wěn)固性。在進(jìn)行應(yīng)變片設(shè)備安裝的過程中，由于設(shè)備受到了空間狹小的現(xiàn)場條件限制，很難有效的保證應(yīng)變片安裝的精度從而影響測試效果，為了解決這個(gè)問題，專門設(shè)計(jì)了應(yīng)變片安裝儀并申請專利，保證安裝的方便、快捷、有效和應(yīng)變片安裝位置、方向的精度要求，提高了測試精度，避免了因?yàn)閼?yīng)變片粘貼位置和方向偏差造成的人為測試誤差。在某型號履帶式裝甲車輛上進(jìn)行了實(shí)車測試，如圖4，測試的具體參數(shù)為：被測軸直徑為54mm、彈性模量為206Gpa、泊松比為0.25μ，采樣頻率為fs=1kHz，車輛勻速行駛，轉(zhuǎn)速控制在800r/min，測得傳動裝置輸出軸扭矩如圖5所示，能夠看出扭矩測試系統(tǒng)測得的扭矩信號穩(wěn)定，并能反映傳動端扭矩的交變波動。

5 ?結(jié)論

本文針對部分車輛在扭矩測試中設(shè)備安裝空間受限、測試數(shù)據(jù)包丟失等問題，依托應(yīng)變測試原理和無線傳輸技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套無線傳輸?shù)呐ぞ販y試系統(tǒng)，并在實(shí)車上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試，取得了較好的效果，結(jié)果表明該套設(shè)備體積小、安裝方便快捷、受周圍環(huán)境影響較小、能夠在各種復(fù)雜環(huán)境中使用，有效的克服了安裝空間狹小測試和數(shù)據(jù)包丟失的問題，對研究柴油機(jī)動力性能和狀態(tài)監(jiān)測都具有重要的意義。但是測試設(shè)備的穩(wěn)定性和精確性還可以進(jìn)一步提高，這也將是以后研究的重點(diǎn)。

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