基于NFC的無源無線扭矩測量系統*

趙永峰，王 玉，賴富文，王文廉*

(1.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，山西 太原 030051；2.中北大學電子測試技術國家重點實驗室，山西 太原 030051；3.中國人民解放軍 63853部隊)

扭矩在動力學中占有舉足輕重的地位，是工業動力傳遞的重要參數之一，所以扭矩的精準測量顯得尤為重要。目前，測量扭矩的方法多種多樣，大致分為有線測量和無線測量，不論是有線還是無線測量，都面臨一些大大小小的問題。

有線測量要避免的一大難題就是彈性軸在轉動的過程中導線的處理。目前的處理方式是加入一個集流環，弾性軸轉速低的情況下有較好的性能，但是當弾性軸轉速偏高時，集流環與弾性軸之間的摩擦損耗引起接觸電阻變化，產生噪聲干擾和零漂，對信號有很大的影響，導致采集到的數據誤差較大[1]。

無線測量不論是弾性軸轉速快慢，都有很好的測量精度，優于集流環式；但是目前的無線測量系統包括信號放大電路、調理電路、射頻發射電路、射頻接收電路、電源管理電路和調制解調電路，整個系統電路復雜，價格昂貴，檢修困難[2-4]。

為了使測量系統達到更高的集成度和測量精度，采用NFC(近場通信)技術作為無源無線扭矩測量系統的數據傳輸媒介。NFC技術是由非接觸式射頻識別(RFID)演變而來，NFC采用電磁耦合感應技術，電磁場頻率是13.56 MHz，讀寫控制端用13.56 MHz信號激勵天線，產生磁場，通過近場耦合，將能量傳遞給目標，目標對磁場進行調制，將數據返回給發起設備完成通信；NFC技術憑借其通信穩定、傳輸速率快、建立聯系時間短、受環境影響小等優勢發展迅猛，一枚0.4 cm×0.4 cm的NFC芯片已經在內部集成了微型MCU、信號放大電路、調理電路、射頻發射電路、電源管理電路和調制解調電路，此外還有能量收集功能，為外部傳感器供電[5-11]。目前國內外對NFC多處于靜態標簽的研究應用，無傳感器，多采用其ISO14443A/B協議做身份識別以及儲存固定信息；本系統采用其ISO15693協議，連接傳感器，實現動態數據傳輸。

基于NFC的無源無線扭矩測量系統采用經典的應變式扭矩測量法，將箔式應變計柵絲方向與弾性軸圓柱面的母線呈45°或135°方向，每隔90°位置粘貼1片應變計，共粘貼4片組成全橋電路，當弾性軸受扭時，應變計產生形變，應變計電阻的變化通過電橋輸出與外加扭矩成正比的電壓信號，通過計算便可得到外加扭矩的大小；應變式扭矩測量法電路設計簡單、測量精度高，一直在廣泛使用[12-14]。

1 系統設計

1.1 系統工作原理

圖1描繪了基于NFC的無源無線扭矩測量終端的工作原理。一共分為五個部分，包括NFC天線、NFC芯片(RF430FRL152H，ISO15693協議)，調諧匹配電路、濾波放大電路以及全橋采集電路。將讀寫控制系統的天線靠近測量終端的天線，通過電磁耦合，終端系統被激活，經過極短暫的時間后兩者建立連接完成；讀寫控制器通過空中編程的方式發送指令給測量終端，啟用內部14-Bit Sigma-Delta ADC(SD14)、16-bit CRC、2KB-FRAM、Amplifier以及Power Supply System(包括能量收集功能)；當轉動弾性軸，恒流源式全橋采集電路采集輸出電壓，采集到的電壓信號經放大濾波后由SD14(VREF＝0.9 V)將數據轉換成數字量存在FRAM中，讀寫系統通過向終端發送循環讀取指令來訪問FRAM中的數據，并將數據發送給PC端進行數據直觀反映。

圖1 NFC無源無線扭矩測量系統原理圖

1.2 NFC系統設計

NFC系統是整個系統的核心，因此先設計完整的NFC系統來保證通信的穩定性。

圖2是NFC系統電路圖，除了NFC芯片及其外圍電路外還有放大濾波電路。系統使用二階放大電路，第一階是NFC芯片內部提供最大8倍的放大電路，第二階放大電路采用超低功耗低噪聲精密儀表放大器INA333，該芯片最大偏移電壓25μV，工作電壓1.8 V，靜態電流50μA，最大增益1 000，軌到軌輸出，能保證出色的精度。

圖2 NFC系統電路圖

1.3 NFC天線設計

NFC工作在13.56 MHz，屬于HF波段，需要使用線圈環路天線。線圈天線最重要的參數是其等效電感值，為了更好的匹配電容，其值通常在0.5μH~3.0μH之間。在設計天線之前通常先規劃好預設計天線的形狀、尺寸、線寬和圈數等，利用經驗公式計算出等效電感值，再利用HFSS軟件仿真，之后設計出實際天線用矢量網絡分析儀測量實際電感值。

預設一塊矩形天線，如圖3所示:匝數N＝6、平均寬度w＝37 mm、平均高度h＝19 mm、軌跡寬度a＝0.5 mm、真空磁導率μ0＝4×10-7H/m、校正因子p＝1.8，根據經驗公式:

圖3 矩形天線

計算出等效電感值Lest＝1.776μH，符合設計要求。

圖4為HFSS對預設天線的阻抗仿真圖，13.56 MHz頻率下的阻抗值 為:Z＝(1.436 2＋j151.563 4)Ω，計算出仿真天線的電感值為:Lsim＝1.779μH，可以發現Lsim和Lest相差非常小。

圖4 天線仿真阻抗值

按照預設天線尺寸做成實際的PCB天線，如圖5所示，使用矢量網絡分析儀測量實際天線，Smith圓圖在光標‘1’對 應13.56 MHz的 電 感 值 為Lreal＝1.840μH，與Lest、Lsim均相差很小；Smith圓圖在光標‘2’對應天線的自諧振點，頻率為70.156 MHz，可推出天線的寄生電容CPara＝2.797 pF，已知NFC芯片的輸入電容為Cin＝35 pF，由公式:

圖5 矢量網絡分析儀實測的Smith圓圖

計算出需要匹配的諧振電容為CRES＝37.072 pF，以此構建諧振匹配電路。

1.4 應變系統設計

應變系統包括弾性軸和應變計。

選取一截直徑20 mm、長30 cm的45＃實心鋼柱作為弾性軸，根據公式:

計算出所選弾性軸可承受最大安全扭矩為M＝161 N·m。(D為弾性軸的直徑、Wp為軸截面的抗扭模數、M為軸上扭矩、[]為最大許用應力、τmax為軸截面上的最大剪應力、δ0.2為屈服強度、ns為安全系數取2)

弾性軸受扭發生應變時，橫截面會受到剪應力，這個力在軸中心處為零，在軸表面最大，因此如何粘貼應變計變得很重要。如圖6所示，將阻值為1 kΩ的箔式應變計柵絲方向與弾性軸圓柱面的母線呈45°或135°方向，每隔90°位置粘貼1片應變計，共粘貼4片組成全橋電路；此全橋電路有溫度補償功能，可消除導線的溫度影響，可消除彎曲應變，可消除壓縮(拉伸)應變，輸出精度是橋式單臂電路的4倍。根據廣義胡克定律:

圖6 應變計粘貼圖

式中:σ1＝τmax、ε1＝ε3＝-ε2＝-ε4得到剪應力和應變的關系:

結合公式:

推出扭矩與電阻變化量的關系:

式中:E為弾性軸的彈性模量、μ為弾性軸的泊松比，可知扭矩可以通過應變計電阻的變化來測量。

2 系統標定

首先要對終端系統進行實驗標定，根據應變計的測量原理可知其有效性對靜態和動態負載都相同，所以采用靜態試驗標定法。如圖7所示將弾性軸的一端固定防止自由旋轉，使用一根質量均勻臂桿固定在弾性軸的一端，并使臂桿呈水平狀態，臂桿下掛精準砝碼，通過外加機械構件發生轉動產生可控扭矩，施加扭矩包括臂桿長度與砝碼重力的向量積以及臂桿自身重力產生的扭矩，通過增加/減少砝碼來增加/減少所施扭矩，利用讀寫控制端實時讀取輸出電壓的值，記錄所施加扭矩大小及其對應的輸出電壓值。

圖7 靜態標定示意圖

為了保證測量終端系統能與讀寫控制端實時保持穩定通信，用吸波材料(鐵氧體膜)來減小金屬的渦流效應。NFC系統與讀寫控制端的最大感應距離是10.5 cm，最大穩定通信距離是9.5 cm；當與弾性軸和橋式電路組成測量終端后，如圖8，測量系統PCB與讀寫控制端最大穩定通信距離是4.5 cm。

圖8 標定實驗照片

3 實驗與數據分析

采用直徑10 mm、長100 cm的45號鋼柱作為均勻力臂杠桿，力臂杠桿自身重力產生的扭矩要計算在內(12.5 N·m)。測試時，通過增加砝碼的個數實現扭矩的加載，通過相反過程來實現扭矩的卸載，以200 g的砝碼為間隔進行15個點的標定(量程42.5 N·m)。從讀寫控制端記錄對應的輸出電壓值，重復三次實驗，將每個標定點的實驗數據取平均值[15-16]。實驗數據如表1。

表1 實驗數據(輸出電壓)

將三次實驗輸出電壓的‘總均值’輸入MATLAB作為縱坐標，將理論標準扭矩作為橫坐標，如圖9(a)所示，利用最小二乘法得到扭矩和輸出電壓值的擬合特性曲線為:y＝13.697 7x＋165.560 0，x表示扭矩，y表示輸出電壓值。將輸出電壓根據擬合曲線轉化為扭矩，轉化結果如表2。

圖9

表2 實驗數據(測量扭矩)

分析、計算和評估扭矩測量系統的各項指標如下:

用MATLAB分別描繪實驗數據的線性度、遲滯性和重復性如圖9(b)、9(c)和9(d)通過分析和計算可知此測量系統各項性能指標均符合規范，不僅結構和選材得當，而且具有高測量精度。

4 結論

本文通過對目前扭矩測量系統的研究分析和總結，提出了基于NFC的無源無線扭矩測量系統，通過對系統的構建設計、仿真調試、實驗和數據分析驗證了系統的可行性。本系統通過NFC技術作為扭矩測量的媒介，在保證數據通信穩定和快速的前提下不僅避免了傳統有線扭矩測量系統磨損帶來的較大誤差，而且因其高度集成化在電路結構上優于一般的無線扭矩測量系統。基于NFC的無源無線扭矩測量系統不僅無線，而且無源，在某些特殊環境中可以長期使用，解決更換電池的不便。