陳世超，易偉，李程

(中國測試技術研究院，四川成都610021)

動態(tài)扭矩檢測技術研究

陳世超，易偉，李程

(中國測試技術研究院，四川成都610021)

扭矩輸出裝置需要定期使用標準扭矩測量儀測量確保其輸出扭矩符合要求。目前使用的測量儀表多為單個硬件通道，無法實現(xiàn)多通道同時測量，并且人機交互能力有限。為克服目前儀表的缺點，設計多通道標準動態(tài)扭矩測量儀。儀表在DSP和ARM的硬件結構基礎上，根據(jù)實際測量過程中的功能需求編制軟件程序，可同時對3個動態(tài)扭矩信號和1個脈沖編碼器信號進行測量，實現(xiàn)扭矩、轉速和轉角多通道多參數(shù)的測量，測量數(shù)據(jù)進行表格化處理后可直接導出。實驗結果表明:該儀表具有測量實時性好、準確度高、人機交互功能方便、操作簡單等特點。

扭矩;動態(tài)檢測;智能儀表;數(shù)據(jù)采集

0 引言

隨著我國工業(yè)技術水平日漸增強，對工業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量控制以及設備工作時的狀態(tài)監(jiān)測也日益受到重視［1］。扭矩測量是機械設備在測試、質(zhì)檢等生產(chǎn)環(huán)節(jié)中常見的測量項目，從螺栓扭緊扭矩的測量到電動機、發(fā)電機、內(nèi)燃機、風機等設備的扭矩測量，其應用十分廣泛［2－3］。扭矩在很多應用環(huán)境下是通過轉軸轉動的方式動態(tài)輸出，需要在轉軸轉動的同時對扭矩進行動態(tài)測量。目前，扭矩測量是通過傳感器技術來實現(xiàn)的，其測試方法正由靜態(tài)向動態(tài)方向發(fā)展，測試系統(tǒng)向著小型化、數(shù)字化、智能化、實時監(jiān)測方向發(fā)展［4］。國外的標準扭矩儀價格昂貴，而國內(nèi)的設備多基于8/16位的單片機，數(shù)據(jù)處理能力以及文件管理能力有限，顯示多使用多段式數(shù)碼管，不能實時顯示多種測量信息，難以在多通道數(shù)據(jù)采集處理的同時完成復雜的控制、數(shù)據(jù)后處理、顯示及存儲功能。本文開發(fā)的多通道標準動態(tài)扭矩測量儀，基于DSP和ARM處理器，發(fā)揮這兩種處理器各自的優(yōu)勢，將數(shù)據(jù)采集處理與文件管理和用戶交互進行任務劃分，在多通道數(shù)據(jù)準確采集的同時，使用觸摸屏實現(xiàn)儀表操作和信息顯示，并且測量數(shù)據(jù)可以生成數(shù)據(jù)表格導出。

1 系統(tǒng)設計

1.1 系統(tǒng)原理

系統(tǒng)工作原理如下:系統(tǒng)上電啟動后DSP模塊和ARM模塊分別自動進行初始化工作并設置相關工作參數(shù)，扭矩傳感器信號和脈沖編碼器信號通過連接器接入指示儀表內(nèi)部電路，信號經(jīng)過處理后由DSP進行高速采集，DSP將采集到的扭矩和轉速數(shù)據(jù)進行數(shù)字濾波處理后傳輸給ARM模塊，ARM模塊根據(jù)用戶保存的校準數(shù)據(jù)對接收到的數(shù)據(jù)進行校準之后通過觸摸屏顯示。相對于傳統(tǒng)儀表，該儀表具有以下特點:

1)儀表具有3個扭矩傳感器接口和1個具有信號倍頻功能的脈沖編碼器接口，可以同時實現(xiàn)3路扭矩信號和1路轉速信號的在線實時測量，并可根據(jù)扭矩和轉速數(shù)據(jù)計算實時功率，實現(xiàn)了多通道、多參數(shù)在線實時測量。

2)儀表使用了一塊7寸觸摸屏作為顯示和操作界面，用戶可以直接使用觸摸屏對儀表顯示的內(nèi)容進行相關輸入操作，人機交互更加方便。

3)儀表功能靈活性強，在扭矩和轉速測量的基礎上，儀表可以實現(xiàn)功率的在線實時計算和顯示，并且具備直接記錄扭矩測量值的功能，同時可以根據(jù)測量數(shù)據(jù)自動計算扭矩測量的平均值、示值重復性、示值誤差等參數(shù)，計算結果可以直接保存在外部存儲設備中，以便后續(xù)使用。

1.2 扭矩傳感器

扭矩儀由扭矩傳感器和配套的指示儀表組成［5］。扭矩傳感器從測量原理上主要分為相位差型、磁彈性型和應變型。相位差型扭矩傳感器環(huán)境適應性差，磁彈性型扭矩傳感器準確度較低，而應變型扭矩傳感器則克服上述兩種傳感器的一些弱點，其結構簡單、成本低、技術成熟，大量應用在各種靜態(tài)、動態(tài)扭矩測量。與靜態(tài)應變式扭矩傳感器不同的是，動態(tài)傳感器需要將旋轉軸上測量到的應變信號可靠地傳輸?shù)絺鞲衅黛o止部分，實現(xiàn)這一功能主要有集流環(huán)傳輸、無線射頻傳輸和電感耦合傳輸3種方法［6］。其中電感耦合傳輸通過V/F變換將電壓信號轉換成頻率信號耦合輸出到傳感器靜止部分，由于是非接觸式工作，所以不存在導電環(huán)磨損，使用壽命較長，同時準確度和穩(wěn)定性較好，抗干擾能力強，因此得到廣泛使用。本文中的儀表選用應變型動態(tài)扭矩傳感器，采用電感耦合傳輸方式，輸出信號為5～15 kHz頻率信號。

1.3 儀表硬件原理

該儀表原理框圖如圖1所示。指示儀表硬件主要包括扭矩傳感器和脈沖編碼器的信號處理電路、DSP處理器、ARM處理器、觸摸屏和數(shù)據(jù)交互接口。DSP數(shù)據(jù)處理能力較強，可以實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集和處理，ARM處理器在網(wǎng)絡通信、USB接口、觸摸屏輸入和顯示以及監(jiān)視控制方面的功能更加完善，因此該儀表中使用ARM+DSP的組合可以充分發(fā)揮兩種處理器各自的優(yōu)勢。

圖1 儀表硬件原理框圖

DSP處理器150MHz時鐘頻率使時鐘周期時間只有6.67ns，控制器內(nèi)部集成了浮點處理單元，大大提高了浮點數(shù)處理效率。片上自帶3個32位CPU定時器和8個外部內(nèi)核中斷，在150MHz時鐘頻率下可以精確測量輸入信號頻率，在轉速測量的應用上，片內(nèi)增強正交編碼脈沖(enhanced quadrature encoder pulse，EQEP)模塊［7］可編程設置對脈沖編碼器的A、B相輸入信號進行倍頻計數(shù)，在兩路信號的上升沿和下降沿都進行計數(shù)，提高編碼器碼盤的分辨率。扭矩傳感器信號和脈沖編碼器信號通過信號調(diào)理電路處理之后輸入DSP模塊，通過DSP模塊對這兩路信號的采集，分析計算出輸入扭矩、主軸轉速以及主軸相對于起始點的相對轉角。在扭矩、轉速和轉角等數(shù)據(jù)采集處理完畢后，通過串行通訊接口(serial communications interface，SCI)［8］將數(shù)據(jù)發(fā)送到ARM模塊。

ARM處理器主要實現(xiàn)人機交互、數(shù)據(jù)管理以及用戶應用程序?qū)崿F(xiàn)等功能。ARM處理器支持SCI、I2C、USB、以太網(wǎng)等眾多通信接口，并且支持電阻式觸摸屏，可以通過這種常用并且方便的人機交互方式實現(xiàn)用戶對儀表的控制和操作以及顯示儀表內(nèi)相關信息?；贏RM處理器平臺可嵌入LINUX操作系統(tǒng)，方便儀表UI界面的開發(fā)以及儀表功能的實現(xiàn)。

1.4 儀表軟件設計

該儀表使用DSP芯片和ARM芯片協(xié)同工作的方式實現(xiàn)儀表功能，軟件部分分為DSP處理器軟件和ARM處理器軟件。DSP程序使用C語言編程［9］，ARM程序使用C++語言編程［10］。DSP程序流程簡圖如圖2所示。

上電程序啟動后首先進行程序初始化，設置DSP相關運行參數(shù)，定義PIE中斷向量表，配置SCI、外部中斷、CPU定時器、正交編碼器模塊的I/O引腳和控制寄存器以及程序運行狀態(tài)參數(shù)和寄存器。初始化完成后進入主程序進行循環(huán)，主程序中主要包括扭矩數(shù)據(jù)計算、轉速轉角數(shù)據(jù)計算、SCI數(shù)據(jù)發(fā)送和SCI接收數(shù)據(jù)處理子程序，在執(zhí)行各個子程序前先判斷相關狀態(tài)標志位，再確定是否執(zhí)行子程序。

圖2 DSP程序流程簡圖

動態(tài)扭矩傳感器的輸出信號為脈沖信號，使用定時器和外部中斷對脈沖信號頻率進行測量，根據(jù)脈沖信號頻率和扭矩值大小的對應關系最終求出動態(tài)傳感器轉軸上的扭矩大小。由于輸入信號頻率在5～15 kHz范圍內(nèi)，如果采用在固定采樣時間內(nèi)測量脈沖數(shù)的方式進行脈沖頻率的計算，則需要較長時間才能保證測量準確度，這無疑會降低儀表本身的采樣頻率，不能反映扭矩值的實時變化，因此，采用對固定脈沖數(shù)之間時間間隔進行測量的方式計算脈沖信號頻率，在保證測量準確度的同時提高儀表本身采樣頻率以實現(xiàn)更好的動態(tài)測量效果。EQEP模塊內(nèi)部同樣包含一個可編程定時器，在定時器計時的同時，對脈沖編碼器的兩相輸入進行倍頻計數(shù)，通過計算單位時間內(nèi)的脈沖計數(shù)可得出旋轉主軸的轉速。

ARM軟件結構框圖如圖3所示。ARM程序啟動后進入主界面，主界面默認為常規(guī)測量功能，直接顯示扭矩當前值和峰值，用戶需手動記錄數(shù)據(jù)并做后期處理。用戶可以根據(jù)所接傳感器的數(shù)量和通道號的不同，進入設置界面，選擇需要顯示的通道，主界面的數(shù)據(jù)顯示框也會隨之而變。在設置界面，可以對每個通道的相關參數(shù)進行單獨設置。在設置界面下有儀表自校準和傳感器校準兩種校準功能。

圖3 ARM軟件結構框圖

儀表自校準是指指示儀表出廠時對采集到的原始信號脈沖進行內(nèi)部的自我校準，校準的方法是將準確度較高的標準脈沖信號(比如5 kHz，10 kHz和15 kHz 3組)分別接入儀表，儀表采集的信號會有非常微小的誤差，校準可以修正這一誤差。

傳感器校準是將指示儀表和扭矩傳感器配套成為一套準確的測量系統(tǒng)，校準后直接顯示為N·m等國際單位，由于儀表已經(jīng)進行了自校準，保證了每一只儀表的顯示準確度都是一樣的，因此任意一組傳感器的校準數(shù)據(jù)都可以直接移植到另外一只儀表中，直接使用。通過儀表自校準和傳感器校準兩次校準方式使儀表達到更高的準確度。

儀表自校準和傳感器校準采用最小二乘法擬合校準曲線，對給定數(shù)據(jù)點(xi，yi)(i=0，1，…，m)，在取定的函數(shù)類Φ中，求P(x)∈Φ，使誤差:

ri=P(xi)－yi，(i=0，1，…，m)的平方和最小，即:

其中i=0，1，…，m。

在幾何意義上，最小二乘法擬合的曲線與給定點的距離平方和最小，因此，選用最小二乘法擬合校準曲線。

在功能選擇中有3種可選功能，前述的常規(guī)測量功能，功率計算功能和測量計算功能，功率計算主要針對需要測量功率的場合，在該模式下，用戶需接上一個扭矩傳感器和一個編碼器，可直接測量功率，并顯示出來。測量計算功能在連續(xù)測量3次或5次，儀表可自動計算測量的平均值、示值重復性、示值誤差等參數(shù)，并且所有測量計算數(shù)據(jù)可直接以EXCEL格式保存到U盤中。

2 試驗及數(shù)據(jù)分析

對指示儀表進行自校準，使用高精度波形發(fā)生器輸出標準頻率方波信號，由于扭矩傳感器信號輸出范圍5～15 kHz，分別設置波形發(fā)生器輸出5 kHz，10 kHz和15 kHz的方波信號模擬傳感器的輸出信號，用指示儀表采集方波信號，校準數(shù)據(jù)見表1。

表1 指示儀表校準數(shù)據(jù)

將扭矩傳感器接入，傳感器選用威斯特中航CYB－805S扭矩傳感器，使用500 N·m靜重式扭矩標準機對傳感器檢定，數(shù)據(jù)見表2。

表2 傳感器檢定數(shù)據(jù)

從表中可以看出，該傳感器出廠標稱準確度為0.3%，示值相對誤差在0.2%以內(nèi)，且示值重復性較好。

3 結束語

本文設計了多通道、多參數(shù)采集的標準動態(tài)扭矩檢定儀，采用DSP和ARM芯片協(xié)同工作的方式對扭矩進行動態(tài)測量，利用DSP芯片強大的數(shù)據(jù)采集運算能力和ARM芯片人機交互、數(shù)據(jù)管理、多任務調(diào)度以及用戶應用程序方便實現(xiàn)方面的優(yōu)勢，可實現(xiàn)3個扭矩信號以及轉速和轉角的同時測量，并且能夠?qū)y量數(shù)據(jù)直接進行計算存儲，體積小、穩(wěn)定性高、重復性好，符合智能化儀表的發(fā)展趨勢，具有較高的實用價值。

［1］楊文志，馮志斌，何維娜.傳動軸扭矩測量裝置的結構設計及實驗分析［J］.中國測試，2015，41(1):120－123.

［2］BAYNES T M，RUSSELL G J，BAILEY A.Comparison of Stepwise Demagnetization Techniques［J］.IEEE Transactions on Magnetics，2002，38(4):25－31.

［3］陳國民，張東青，李乃川.基于AVR單片機的扭矩測試儀裝置的研究［J］.黑龍江科學，2014(11):14－16.

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［6］張曉強.應變式高準確度動態(tài)扭矩測量儀的研制［D］.哈爾濱:哈爾濱理工大學，2003:6－7.

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［10］STANLEY B L.C++Primer［M］.王剛，譯.北京:電子工業(yè)出版社，2013.

(編輯:劉楊)

Research of dynamic torque detection technology

CHEN Shichao，YI Wei，LI Cheng
(National Institute of Measurement and Testing Technology，Chengdu 610021，China)

The device needs to be measured by standard measuring instrument termly to ensure the output torque to meet the requirements.Because the present measuring instruments are mostly single hardware channel，it’s impossible to measure all channels at the same time，and the interaction ability of the instrumentsis limited.In this article，a multi－channel standard dynamic torque measuring instrument is designed to overcome the shortcomings of the current instruments.The instrument is based on the DSP and ARM，and the software is compiled according to the functional requirements of the actual measuring process.The instrument can measure three dynamic torque signals and a pulse encoder signal at the same time，realizing the measurement of torque，speed and angle.The measuring data can be exported after being edited in the form.The experimental results show that the instrument has the characteristics of good real－time performance，high accuracy，convenient interaction and simple operation.

torque;dynamic detection;intelligent instrument;data collection

A

1674－5124(2016)11－0075－4

10.11857/j.issn.1674－5124.2016.11.016

2016－05－09;

2016－07－20

陳世超(1965－)，男，四川成都市人，高級工程師，主要從事力學計量方面的研究。