陳昌鑫，馬鐵華，靳　鴻，苗　靜

(中北大學(xué)，電子測(cè)試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原　030051)

0　引言

通過測(cè)試應(yīng)變實(shí)現(xiàn)扭矩測(cè)試是常規(guī)的測(cè)試方法，基本原理是旋轉(zhuǎn)件扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的扭力與應(yīng)變成比例，沿軸向45°和-45°方向粘貼2個(gè)電阻應(yīng)變片(或者4個(gè)電阻應(yīng)變片)，構(gòu)建半橋(或者全橋)，輸出電壓與扭矩成正比，根據(jù)相關(guān)公式求得扭矩[1-2]。由于電阻應(yīng)變片需要構(gòu)建電橋，高速旋轉(zhuǎn)件的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致電橋供電和信號(hào)傳輸存在一定困難，一般通過集流環(huán)(例如：普通電刷和滑環(huán)、銀碳電刷集流器、水銀集流器)、旋轉(zhuǎn)變壓器、無線遙測(cè)、紅外傳輸、存儲(chǔ)測(cè)試等方式解決。應(yīng)變式扭矩測(cè)量原理圖[3-5]如圖1所示。

由于主動(dòng)輪直徑較大，而且履帶式車輛行進(jìn)過程中振動(dòng)沖擊較大，采用集流環(huán)等方法存在一定程度的可靠性問題。結(jié)合存儲(chǔ)測(cè)試的自主供電、自主采集與存儲(chǔ)等特點(diǎn)，采用存儲(chǔ)測(cè)試方法，將微型化的存儲(chǔ)測(cè)試儀器嵌入主動(dòng)輪上進(jìn)行扭矩的測(cè)試，解決電橋供電和信號(hào)傳輸?shù)膯栴}。

1　測(cè)試原理

在旋轉(zhuǎn)件被測(cè)點(diǎn)部位粘貼2個(gè)電阻應(yīng)變片，構(gòu)建半橋電路；在旋轉(zhuǎn)件上嵌入或用其他方式固定微型化的存儲(chǔ)測(cè)試儀器，一方面微型存儲(chǔ)測(cè)試儀器自帶電池供電并給電橋供電，另一方面電橋輸出信號(hào)接入微型化、智能化存儲(chǔ)測(cè)試儀器，在一定的觸發(fā)條件下進(jìn)行采集、記錄，時(shí)間到(定時(shí)間)、容量記滿(定存儲(chǔ)容量)，或者觸發(fā)控制情況下停止記錄，回收微型化存儲(chǔ)測(cè)試儀器，通過接口電路將微型化存儲(chǔ)測(cè)試儀器接入計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)和虛擬儀器軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取、分析與處理。主動(dòng)輪結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，在主動(dòng)輪的中心處嵌入微型化的存儲(chǔ)測(cè)試儀器。

(a)集流環(huán)(電刷和滑環(huán))供電

(b)無線傳輸方式傳輸

圖2　主動(dòng)輪示意圖

2　硬件電路設(shè)計(jì)

2．1測(cè)試系統(tǒng)框圖

測(cè)試系統(tǒng)包括傳感器、存儲(chǔ)測(cè)試儀器和計(jì)算機(jī)虛擬儀器軟件。其中傳感器獲取信號(hào)，存儲(chǔ)測(cè)試儀器的信號(hào)調(diào)理模塊完成信號(hào)的濾波、放大，在控制模塊的控制下進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)、接口傳輸?shù)萚6]，通過接口模塊將存儲(chǔ)模塊的數(shù)據(jù)讀出，進(jìn)行分析處理。測(cè)試系統(tǒng)主要組成框圖如圖3所示。

圖3　測(cè)試系統(tǒng)組成框圖

2．2信號(hào)調(diào)理電路

選取箔式電阻應(yīng)變片作為傳感器，以1個(gè)輪轂為研究對(duì)象，在輪轂兩臂粘貼2只箔式電阻應(yīng)變片，另選2只120 Ω的固定電阻，組建差動(dòng)直流半橋電路，電路原理圖[6]如圖4所示。

圖4　差動(dòng)半橋電路原理圖

R1、R2是箔式電阻應(yīng)變片(阻值=(120±0.1)Ω，靈敏度系數(shù)K=2.1)，R3、R4是恒定電阻(阻值=(120±0.1Ω))；UE是電橋輸入電壓(一般是2 V)，UO是電橋輸出電壓信號(hào)，一般是mV量級(jí)。根據(jù)差動(dòng)電橋的原理，輸出橋壓與輸入橋壓滿足關(guān)系式：

(1)

式中：ε1為R1的應(yīng)變值；ε2為R2的應(yīng)變值。

主動(dòng)輪的輪齒在扭轉(zhuǎn)載荷作用下，輪轂兩臂安裝的2個(gè)電阻應(yīng)變片一個(gè)受壓，另一個(gè)受拉，即ΔR1=-ΔR2，根據(jù)材料力學(xué)的知識(shí)，ε1=-ε2。

理論情況下，當(dāng)輪轂的扭矩為零時(shí)，電橋的4個(gè)橋臂的電阻相等，電橋輸出電壓為零，但是實(shí)際情況下，受環(huán)境影響導(dǎo)致電阻的阻值不能完全相等，扭矩為零時(shí)電橋輸出電壓不為零，因此電橋需要調(diào)節(jié)平衡。選擇高精度數(shù)字電位器X9C103，調(diào)節(jié)平衡電阻。在進(jìn)行正式測(cè)試之前，在計(jì)算機(jī)虛擬儀器軟件中點(diǎn)擊“電橋調(diào)平”，向測(cè)試儀器發(fā)送調(diào)平命令，控制模塊判斷采集的數(shù)據(jù)是否小于閾值(根據(jù)實(shí)際情況，設(shè)置48 bit的閾值，即采集的數(shù)字量與基線相比小于48 bit，即認(rèn)為調(diào)節(jié)平衡)，如果大于閾值，控制X9C103數(shù)字電位器調(diào)平，再次采集，只到小于閾值，認(rèn)為調(diào)節(jié)平衡，例如采用12 bit ADC，設(shè)置基線2 048 bit，則采集的數(shù)值在2 000 bit至2 096 bit，即認(rèn)為調(diào)節(jié)平衡，自動(dòng)調(diào)節(jié)電橋平衡的流程圖如圖5所示。

圖5　自動(dòng)調(diào)節(jié)電橋平衡的流程圖

電橋輸出的差分電壓一般是mV量級(jí)，需差分放大電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。選擇高精度、低功耗儀表放大器INA128芯片，將電橋輸出的信號(hào)接入儀表放大器，設(shè)置偏置電壓，通過改變外部電阻R的阻值，實(shí)現(xiàn)放大倍數(shù)的調(diào)節(jié)。放大后的信號(hào)接入壓控電壓源二階低通濾波電路，然后進(jìn)行后級(jí)的采集與存儲(chǔ)。

2．3采集、控制、存儲(chǔ)與接口模塊

存儲(chǔ)測(cè)試儀器嵌入在主動(dòng)輪上，要遵循微介入的原則，實(shí)現(xiàn)微型化[7]，對(duì)主動(dòng)輪的質(zhì)心、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等影響盡量小。選擇微體積、集成ADC模塊的MCU，采用閃存實(shí)現(xiàn)多種工況的大容量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，采用CY7C68013接口芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取。

3　多種工況下的智能化設(shè)計(jì)

3．1多種工況的狀態(tài)設(shè)計(jì)

存儲(chǔ)測(cè)試儀器采用鋰電池供電，電池容量有限與工作時(shí)間長存在一定矛盾，需要進(jìn)行測(cè)試儀器的低功耗設(shè)計(jì)，根據(jù)工作狀態(tài)的特點(diǎn)，將測(cè)試電路分為若干個(gè)工作狀態(tài)。利用控制模塊控制模擬開關(guān)對(duì)模擬電路、數(shù)字電路分別供電。存儲(chǔ)測(cè)試儀器根據(jù)測(cè)試要求分為單次采樣(連續(xù)記錄)和多次采樣模式(分段記錄)，工作狀態(tài)圖如圖6所示[8]。

圖6　多種工況的工作狀態(tài)圖(以3種工況為例)

履帶式車輛運(yùn)行工況復(fù)雜，在履帶式車輛測(cè)試試驗(yàn)過程中，需要對(duì)各個(gè)工況的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，例如某履帶式車輛定型試驗(yàn)時(shí)候，將工作工況分為：工況一(松軟土路)、工況二(沙石硬路)、工況三(泥濘軟路)、工況四(爬坡軟路)、工況五(爬坡沙石硬路)等，將類似于這種情況的過程定義為隨機(jī)相似過程。文獻(xiàn)[8]總結(jié)了隨機(jī)相似過程的特點(diǎn)：有多個(gè)過程，每個(gè)過程的開始時(shí)刻具有隨機(jī)性，相鄰2個(gè)過程之間的時(shí)間間隔不確定；只關(guān)心每個(gè)過程的數(shù)據(jù)，2個(gè)過程之間的數(shù)據(jù)通常不是有效數(shù)據(jù)，一般不需要記錄，每個(gè)過程開始時(shí)刻通過觸發(fā)啟動(dòng)智能儀器；各個(gè)過程相似，采樣頻率可以相同、存儲(chǔ)容量也可以相同。車輛的運(yùn)行工況符合隨機(jī)相似過程的特點(diǎn)，于是采用多次采樣模式(多次觸發(fā))，觸發(fā)后記錄一定容量自動(dòng)休眠的低功耗狀態(tài)管理措施，有效地解決測(cè)試時(shí)間長的時(shí)候電池容量和存儲(chǔ)容量不足的問題[8]。

3．2磁電觸發(fā)

使用TLE4905霍爾開關(guān)，該型號(hào)霍爾開關(guān)在機(jī)械振動(dòng)和電噪聲情況下能夠穩(wěn)定工作，工作電路原理圖如圖7所示。

圖7　霍爾開關(guān)工作電路原理圖

接通霍爾元件的電源，默認(rèn)輸出高電平，當(dāng)需要啟動(dòng)觸發(fā)時(shí)，閉合電磁鐵的開關(guān)，電磁鐵產(chǎn)生磁場(chǎng)，此時(shí)霍爾元件輸出低電平；當(dāng)斷開霍爾開關(guān)時(shí)，霍爾元件又恢復(fù)輸出高電平，即通過開關(guān)控制電磁鐵的電源供電，通過磁場(chǎng)傳遞，霍爾元件輸出階躍電信號(hào)實(shí)現(xiàn)觸發(fā)?；魻栐敵鲇|發(fā)信號(hào)的時(shí)序圖如圖8所示，圖中K是電磁鐵的輸入電壓信號(hào)，Uo是霍爾元件輸出電壓信號(hào)。

將霍爾開關(guān)輸出的Uo信號(hào)接入測(cè)試電路，測(cè)試電路判斷信號(hào)的下降沿和低電平即可實(shí)現(xiàn)觸發(fā)控制。

將電磁鐵通過支架固定在車體上，保證電磁鐵正對(duì)著主動(dòng)輪中心處的存儲(chǔ)測(cè)試儀器外側(cè)的觸發(fā)電路，并且電磁鐵與觸發(fā)電路存在一定的距離。當(dāng)進(jìn)入一種工況時(shí)候，控制電磁鐵開關(guān)產(chǎn)生磁場(chǎng)，此時(shí)觸發(fā)電路產(chǎn)生階躍電信號(hào)，電路進(jìn)入該工況的采集、記錄；當(dāng)定時(shí)(定容量)后進(jìn)入休眠，待下一次工況觸發(fā)進(jìn)入該工況的采集、記錄。

圖8　霍爾開關(guān)工作時(shí)序圖

4　結(jié)論

存儲(chǔ)測(cè)試儀器嵌入主動(dòng)輪中心處隨輪旋轉(zhuǎn)，而且存儲(chǔ)測(cè)試儀器自主供電、自主存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)事后回讀與分析處理，解決了旋轉(zhuǎn)件扭矩測(cè)試的電橋供電和信號(hào)傳輸問題。履帶式車輛行駛工況復(fù)雜，主動(dòng)輪扭矩測(cè)試實(shí)驗(yàn)在多種工況進(jìn)行，其特點(diǎn)是：相同工況需要記錄一段時(shí)間，相鄰工況的時(shí)間間隔不確定，而且不需要記錄。針對(duì)這種特點(diǎn)，進(jìn)行了多種工況狀態(tài)設(shè)計(jì)和非接觸的磁電觸發(fā)設(shè)計(jì)。

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