韓偉 劉建偉

（中國電子科技集團公司第49研究所產(chǎn)業(yè)發(fā)展處汽車中心，黑龍江 哈爾濱 150001）

多點應力測試系統(tǒng)是針對行星齒輪軸承應變測試而設計的系統(tǒng)，用于實現(xiàn)行星齒輪傳動過程中相關應力參數(shù)的動態(tài)測試，以掌握齒輪均載性能。系統(tǒng)包括兩個部分：多點應力測試部分、上位機測量顯示軟件系統(tǒng)。其原理是，將應變計粘貼在行星輪齒輪軸承傳動軸測試部位，以獲取齒輪軸承應變參數(shù)，經(jīng)過測量電路處理，最終由WIFI模塊傳輸，將軸承應變數(shù)據(jù)在上位機測試系統(tǒng)中實時地顯示出來。

1 多點應力無線測試系統(tǒng)原理及構成

多點應力無線測試系統(tǒng)將齒輪傳動軸承應變計信號進行調理放大、數(shù)字測量及無線傳輸?shù)矫芊怏w外部。

為了實現(xiàn)高速度、高分辨率、高精度的應變信號測量，在測量電路框架體系設計時，對每個測試點采用獨立測試通道技術方案，即：對于各路應變測試點，設置完全獨立而完整的測量電路通道，每個通道實時地、連續(xù)地、同步地對各自的測試點進行測量，然后每個通道的數(shù)字通訊端口組成RS422總線，在上位機軟件控制下，一問一答式地輸出各通道的當前測量信息。

一個獨立測試通道的功能包括：提供應變電橋激勵信號，對電橋輸出信號進行調理、濾波、模數(shù)轉換、測量算法、標定、溫漂時漂補償、線性修正、通訊功能等環(huán)節(jié)的處理。獨立測試通道電路模塊工作原理如圖1所示：

圖1 獨立測試通道電路模塊原理圖

數(shù)字模塊把外部提供給它的9V直流工作電源變換成某個頻率的載波信號，提供給電阻應變計測量電橋作為激勵源，同時將電橋輸出的微弱測量信號進行檢波調理，之后該模擬信號進入數(shù)字卷合器變換成數(shù)字信號，該信號在DSP中完成了諸如數(shù)字濾波、線性化、速率控制、坐標變換、零點、刻度、同步、補償、均衡等處理過程，最終測量結果以數(shù)字形式從串行通訊界面送出。

2 系統(tǒng)硬件設計

測試點數(shù)據(jù)采集主要依靠傳感器實現(xiàn)，它采用金屬電阻應變片組成測量橋路，利用金屬電阻絲在張力作用下伸長變細、電阻增加的原理，即利用金屬電阻隨所受應變而變化的效應實現(xiàn)測試點應變檢測。把齒輪傳動軸受力變化引起的應變片電阻變化反應到電壓變化上。

電阻應變電橋電路如圖2所示。其輸出電壓：

平衡時VO＝0；

圖2 電阻應變電橋電路

信號的放大由儀表放大器AD524實現(xiàn)。A/D轉換器選用精密的連續(xù)自校準A/D轉換器ADS1100

DSP控制電路中單片機采用ATmega128。

3 無線通信模塊

無線收發(fā)芯片是無線信號傳輸模塊的主要單元，其研制決定了整個無線信號傳輸模塊的主要參數(shù)。

無線通信模塊的研制需要考慮幾點要素：傳輸速率、載波頻段、調制方式、功耗、傳輸距離、發(fā)射功率、接收靈敏度、發(fā)射接收頻率穩(wěn)定度、收發(fā)芯片所需的外圍元器件數(shù)量、芯片成本、數(shù)據(jù)傳輸時的糾錯碼研制等?；谝陨蠋c要素，我們選用Wi-Fi高速短距離無線傳輸技術。

3.1 無線測試系統(tǒng)的總線通訊效率設計

設測試通道數(shù)為10個。電腦對每一測試通道的理論通訊測試效率計算如下，通訊波特率設定為57600bits/S，MCU掃描10個通道一圈所需要的時間為：12+2.75×10=39.5ms；

所以在1秒鐘內最多可以把每個組的每個測試點掃描1000/39.5=25次。

4 計算與測試

4.1 放大倍數(shù)計算

依據(jù)AD524內部結構可知，AD524可組成固定增益為10/100/1000的電路；電路中使用0.1%的精密電阻RG=160Ω控制放大倍數(shù)，其放大倍數(shù)為如下：

可以實現(xiàn)對0-20mV到0-5V的信號放大功能。

4.2 ADS1100轉換精度計算

輸出碼可由以下表達式計算出：

設最大顯示提供1200kN的測量，設置A/D轉換速率16次/秒，可以提供15位的數(shù)據(jù)輸出，最大碼為16383，能夠提供的分辨率為：

達到0.05kN分辨率的指標要求。

5 軟件設計

軟件設計是采用模塊式進行的。由數(shù)據(jù)采集，線性校正，尺度轉換和RS422通信等幾部分組成。各部分由單片機程序協(xié)調工作。通信協(xié)議為RS422通訊協(xié)議。

6 系統(tǒng)性能測試

輸入轉速為410r/min，齒輪輸出轉速為21r/ min，載荷為2.5kw，上位機每隔五分鐘對10通道的實時數(shù)據(jù)進行記錄，測試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 10個通道均載性能測試數(shù)據(jù)

經(jīng)過對數(shù)據(jù)的分析可知，信號再現(xiàn)精度滿足0.8%的要求，可以實現(xiàn)對齒輪傳動軸的應變動態(tài)測試。

結語

基于無線傳輸?shù)亩帱c應力測試系統(tǒng)研究,可以有效的解決行星齒輪傳動過程中相關應力參數(shù)的動態(tài)測試，并克服齒輪特殊結構的限制，有效避免信號傳輸過程中的干擾影響，提高了齒輪傳動軸運轉過程中均載的可控性。本系統(tǒng)可廣泛應用于船舶等大型機械的齒輪軸承均載性能測試過程。

[1]趙家貴.新編傳感器電路研制手冊[M].北京：中國計量出版社出版，2002（01）.

[2]張國雄.測控電路[M].天津:天津大學出版社，2006（07）.

[3]吳國慶.現(xiàn)代測控技術[M].北京:電子工業(yè)出版社，2007（04）.

[4]畢查德·拉扎維.模擬CMOS集成電路研制[M].西安:西安交通大學出版社，2003（02）.