苗 凱

（太原重型機(jī)械集團(tuán)有限公司，山西 太原 030051）

對(duì)許多重要大型機(jī)械設(shè)備而言，需要對(duì)其主軸等關(guān)鍵部位進(jìn)行扭矩的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以便及時(shí)獲取扭矩信息，方便對(duì)其進(jìn)行故障診斷，及時(shí)解決主軸可能出現(xiàn)的各種問(wèn)題。

扭矩測(cè)量有許多種類(lèi)，傳統(tǒng)測(cè)量主要采用在主軸上粘貼應(yīng)變片的方法，另外，還有磁彈性扭矩測(cè)量方法[1]、電容式扭矩測(cè)量方法[2]、光纖技術(shù)扭矩測(cè)量[3]等測(cè)試方法。扭矩測(cè)量需要解決的問(wèn)題主要集中在兩個(gè)方面[4]：向高速旋轉(zhuǎn)軸提供電能和信號(hào)傳輸。使用電纜難以滿(mǎn)足要求，而導(dǎo)電滑環(huán)受限于旋轉(zhuǎn)軸的速度，使用壽命也較短[5]。考慮到大型機(jī)械設(shè)備的主軸惡劣環(huán)境及振動(dòng)、噪聲的影響，本系統(tǒng)采用無(wú)線ZigBee技術(shù)，通過(guò)建立無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)單個(gè)或多個(gè)關(guān)鍵部位的扭矩檢測(cè)。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由無(wú)線供電模塊、扭矩采集模塊、ZigBee模塊及接收模塊組成。扭矩測(cè)量系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 扭矩測(cè)量系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案圖

1.1 終端采集節(jié)點(diǎn)扭矩采集流程

粘貼在主軸上的應(yīng)變片能夠感受主軸扭矩變化，經(jīng)惠斯通橋路及其補(bǔ)償電路進(jìn)行補(bǔ)償，得到電壓信號(hào)后，經(jīng)放大器及濾波器得到不失真信號(hào)。由于ZigBee模塊芯片CC2530F256自帶有A/D轉(zhuǎn)換、CPU以及射頻收發(fā)器[6]，因而，可以將濾波后的模擬信號(hào)直接轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，芯片CPU實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理，通過(guò)射頻收發(fā)器實(shí)現(xiàn)與外部網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器之間的無(wú)線射頻通信。在外部Zig-Bee設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò)之后，采集節(jié)點(diǎn)即可實(shí)現(xiàn)扭矩?cái)?shù)據(jù)的傳送。上述為單點(diǎn)扭矩終端的節(jié)點(diǎn)采集和發(fā)送數(shù)據(jù)的過(guò)程。ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器可以建立星型網(wǎng)絡(luò)，采用輪訓(xùn)方式分別采集多個(gè)傳感器數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 無(wú)線電源及相關(guān)器件

無(wú)線供電主要采用兩線圈磁耦合的方式來(lái)獲取供電電源。在軸的一端添加一個(gè)高頻電源和線圈，另外一個(gè)線圈靠近前一級(jí)線圈，并通過(guò)磁耦合的方式在線圈端獲取電能，之后通過(guò)電源轉(zhuǎn)換，將交流電能轉(zhuǎn)換為所需直流電源。

（1）使用AD623作為儀表放大器，具有精度高、高輸入阻抗、低功耗、高共模抑制比的優(yōu)點(diǎn)。主要實(shí)現(xiàn)了信號(hào)放大的目的。

（2）濾波器使用低通濾波器濾除高頻成分，排除系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的高頻干擾成分，獲得較為良好的不失真信號(hào)。

（3）ZigBee模塊芯片采用TI公司生產(chǎn)的CC2530F256，該芯片內(nèi)部具有8 kB RAM和256 kB Flash以及其他許多強(qiáng)大功能[6]，芯片內(nèi)部具有存放ZigBee協(xié)議棧的空間，能夠?qū)崿F(xiàn)建立無(wú)線ZigBee網(wǎng)絡(luò)的功能。

2.2 主要電路設(shè)計(jì)

（1）前端電路設(shè)計(jì)：應(yīng)變橋在主軸端粘貼應(yīng)變片，來(lái)感受物理量變化信息輸出電壓信號(hào)，信號(hào)經(jīng)INPUT端進(jìn)入AD623放大，濾波后，去除各種干擾及噪聲，得到各種范圍內(nèi)的電壓值模擬信號(hào)，之后送入ZigBee模塊A/D轉(zhuǎn)換電路，實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換功能。

（2）ZigBee模塊主控芯片為CC2530F256，通過(guò)片內(nèi)A/D可將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，利用芯片CPU對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，之后送入ZigBee無(wú)線單元，在ZigBee組網(wǎng)成功后發(fā)送數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖2 扭矩測(cè)量系統(tǒng)采集節(jié)點(diǎn)工作流程圖

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括扭矩采集程序，數(shù)據(jù)包傳送程序，以及接收、顯示、報(bào)警程序。CC2530F256芯片內(nèi)嵌ZigBee協(xié)議棧Z-Stack，需在IAR集成環(huán)境中對(duì)ZigBee協(xié)議棧進(jìn)行開(kāi)發(fā)。由于TI公司已經(jīng)編寫(xiě)了MAC層（macEventLoop）到ZigBee設(shè)備應(yīng)用層（ZDApp_event_loop）這5層任務(wù)事件的處理函數(shù)，一般情況下，無(wú)需修改這些函數(shù)，只需按照自己的需求編寫(xiě)應(yīng)用層的任務(wù)與事件處理函數(shù)即可。終端采集節(jié)點(diǎn)流程見(jiàn)圖2。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器工作流程見(jiàn)圖3。

4 結(jié)論

轉(zhuǎn)軸作為大型機(jī)械設(shè)備中的關(guān)鍵部件，常常應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。實(shí)時(shí)在線獲取轉(zhuǎn)軸扭矩信號(hào)對(duì)于及時(shí)了解轉(zhuǎn)軸運(yùn)行狀態(tài)信息，防止過(guò)載及停車(chē)事故等事件具有積極意義。由于受制于電纜布置及電源難取的問(wèn)題，文章提出了采用無(wú)線供電以及無(wú)線通信分別獲取電能和傳送數(shù)據(jù)的方式來(lái)解決上述問(wèn)題。另外，闡述了采集電路的硬件及軟件，通信模塊的設(shè)計(jì)方式方法，解決了扭矩測(cè)量中可能出現(xiàn)的供電及通信問(wèn)題。

[1]萬(wàn)秋玉，李建平.CNY-02型磁彈性扭矩測(cè)量?jī)x[J].儀表技術(shù)與傳感器，1986（4）：18-21.

圖3 扭矩測(cè)量系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器工作流程圖

[2]余成波，陶紅艷，張蓮，翟峰，陳學(xué)軍.基于圓柱體電容面積變化型扭矩測(cè)量的研究[J].儀表技術(shù)與傳感器，2005（12）:4-5.

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[4] 鳳成龍，郭高文，王化勝，劉健.旋轉(zhuǎn)軸上扭矩檢測(cè)新方案[J].山西冶金.2012，138（4）:19-21.

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