嘉興學(xué)院南湖學(xué)院 周盼盼 鄔尚良 徐 坤 趙 浩

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電磁感應(yīng)式無線轉(zhuǎn)矩測量系統(tǒng)的研究

嘉興學(xué)院南湖學(xué)院 周盼盼 鄔尚良 徐 坤 趙 浩

【摘要】本文設(shè)計了一種無線式轉(zhuǎn)矩測量系統(tǒng)，包括電磁感應(yīng)式轉(zhuǎn)矩傳感器、無線發(fā)射電路模塊、無線接收電路模塊、信號采集電路模塊、數(shù)據(jù)處理與顯示模塊。其中無線發(fā)射電路模塊和感應(yīng)式轉(zhuǎn)矩傳感器固定在一起，將傳感器的輸出電壓以無線方式發(fā)射；無線接收電路模塊和信號采集電路模塊固定在一起，接收無線發(fā)射電路的轉(zhuǎn)矩信號，并將該信號傳輸至信號采集電路模塊，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后得到轉(zhuǎn)矩值并實時顯示。該無線式轉(zhuǎn)矩測量系統(tǒng)具有集成度高、可靠性好等優(yōu)點，且便于后續(xù)開發(fā)，擴(kuò)展性能良好。

【關(guān)鍵詞】轉(zhuǎn)矩測量；電磁感應(yīng)；無線發(fā)射；無線接收；Labview

1 引言

轉(zhuǎn)矩是各種工作傳動軸的基本載荷模式，是旋轉(zhuǎn)機(jī)械動力輸出的重要指標(biāo)，是檢驗產(chǎn)品是否合格的標(biāo)志之一。當(dāng)前在機(jī)械領(lǐng)域?qū)τ诟黝惻ぞ兀敵龉β?，轉(zhuǎn)速的大小的檢測必不可少，通過檢測設(shè)備的各項指標(biāo)，我們可以更深入的分析與研究各組成部分的受力情況和物理現(xiàn)象的機(jī)理[1-4]。

轉(zhuǎn)矩測量儀器是常用的儀器之一，目前使用的轉(zhuǎn)矩測量系統(tǒng)種類較多[5-9]，有利用電磁離合器原理的測功機(jī)，有建立在軸扭力應(yīng)變原理基礎(chǔ)上的軸上應(yīng)變片式轉(zhuǎn)矩傳感器和電磁式轉(zhuǎn)矩傳感器，目前已有多種轉(zhuǎn)矩測量系統(tǒng)，如數(shù)字式光柵轉(zhuǎn)矩測量，它的特點是能夠測量超高速轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)矩，該系統(tǒng)可對100000 r／min 以上的超高速轉(zhuǎn)軸進(jìn)行測量，具有較高的測量精度和可靠性。

目前常用的轉(zhuǎn)矩測量系統(tǒng)多采用有線傳輸?shù)姆绞焦ぷ鳎赐ㄟ^數(shù)據(jù)傳輸線將轉(zhuǎn)矩測量信息輸送至聯(lián)機(jī)并進(jìn)行處理，這種測量方法是目前最廣泛最直接的一種方式，但對于需要長距離傳輸轉(zhuǎn)矩信息的場合，這種有線傳輸數(shù)據(jù)的方式存在成本高、適應(yīng)性差和線路維護(hù)困難等局限性，因此我們提出了一種無線式轉(zhuǎn)矩測量系統(tǒng)以彌補(bǔ)它的不足。

本文設(shè)計了一種電磁感應(yīng)式轉(zhuǎn)矩傳感器，并在此基礎(chǔ)上對數(shù)據(jù)傳輸方式進(jìn)行了深入研究，將采集到的信號數(shù)據(jù)通過無線收發(fā)模塊傳輸至PC端，再經(jīng)由信號處理和顯示模塊直接讀取轉(zhuǎn)矩數(shù)據(jù)，并能夠進(jìn)一步處理。無線傳輸系統(tǒng)設(shè)計克服了傳統(tǒng)有線傳輸方式的缺陷,使得安裝操作更加簡便,同時能夠?qū)崟r觀察電壓信號和扭矩值的變化。

2 系統(tǒng)原理及結(jié)構(gòu)

2.1 系統(tǒng)組成

本文開發(fā)的轉(zhuǎn)矩測量系統(tǒng)主要由轉(zhuǎn)矩傳感器、無線發(fā)射電路、無線接收電路，信號采集卡、數(shù)據(jù)處理與顯示等幾部分組成，具體如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)矩測量系統(tǒng)組成框圖

在通過轉(zhuǎn)矩傳感器獲得原始數(shù)據(jù)后，利用無線發(fā)射電路發(fā)射，在信號的接收端口，聯(lián)機(jī)在通過無線接收電路得到轉(zhuǎn)矩測量數(shù)據(jù)后進(jìn)行一系列的數(shù)據(jù)處理分析和實時顯示。

2.2 轉(zhuǎn)矩傳感器

本文設(shè)計了一種基于電磁感應(yīng)原理的新結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)矩傳感器，其由傳感器轉(zhuǎn)軸、機(jī)殼、端蓋、緊固配件及固定螺栓、勵磁繞 組及鐵心、輸出繞組及鐵心、軸承、滑環(huán)和電刷組成，結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。包括傳感器轉(zhuǎn)軸1、軸承2、前端蓋3、機(jī)殼 4、緊固件 5、軸承 6、勵磁繞組 7、勵磁鐵心8、輸出鐵心 9、輸出繞組 10、軸承11、緊固 件 12、接線盒 13、后端蓋 14、電刷 15、集電環(huán)。

圖2 電磁感應(yīng)式轉(zhuǎn)矩傳感器

轉(zhuǎn)矩測量的工作原理為：勵磁繞組通入交流電，產(chǎn)生磁勢幅值隨時間變化的勵磁磁場；傳感器轉(zhuǎn)軸伸出的一端固定，另一端加載負(fù)載轉(zhuǎn)矩。當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩為零時，傳感器轉(zhuǎn)軸不發(fā)生形變，分別與傳感器轉(zhuǎn)軸兩端固定的勵磁鐵心和輸出鐵心的位置保持不變。勵磁繞組和輸出繞組在空間上互相垂直，勵磁磁場與輸出繞組沒有交鏈，輸出繞組的感應(yīng)電勢為零；當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩不為零時，傳感器轉(zhuǎn)軸發(fā)生形變，勵磁繞組和輸出繞組的相對位置發(fā)生改變，勵磁磁場與輸出繞組交鏈，輸出繞組產(chǎn)生感應(yīng)電勢，該感應(yīng)電勢與所加載的負(fù)載轉(zhuǎn)矩相對應(yīng)。

2.3 無線發(fā)射電路

本文設(shè)計的無線發(fā)射電路模塊的振蕩器采用聲表器件，圖3為無線式轉(zhuǎn)矩測量系統(tǒng)的無線發(fā)射電路模塊原理，IN端口為轉(zhuǎn)矩信號輸入端；SAW為聲表器件；ANT為天線發(fā)射端，用于將轉(zhuǎn)矩信息以無線的方式向外發(fā)射。

2.4 無線接收電路

設(shè)計的無線接收電路模塊如圖4所示，由美國Micrel公司生產(chǎn)的MICRF002單片集成芯片及外圍電路構(gòu)成，工作芯片為美國Micrel公司生產(chǎn)的MICRF002，用于無線信號的接收和解調(diào)。其中ANT為天線接收端，用于接收無線發(fā)射的轉(zhuǎn)矩信息；OUT端口為轉(zhuǎn)矩信號輸出端，與信號采集卡的輸出端口連接。

圖3 無線發(fā)射電路的組成

圖4 無線接收電路的組成

無線接收電路模塊采用單片無線接收掃頻芯片，將高頻信號接收功能全部集成于片內(nèi)以達(dá)到用最少的外圍器件和最低的成本獲得最可靠的接收效果。MICRF002提供兩種基本工作模式：固定模式和掃頻模式，在FIXED工作模式下如同傳統(tǒng)的超外差式接收機(jī)一樣片內(nèi)產(chǎn)生固定頻率的本振信號。

2.5 信號采集卡

本文采用基于USB的信號采集卡，通常串口通信時，通信的雙方必須保持波特率一致，這樣才能通信成功。安裝有串口的設(shè)備，出廠時一般都把波特率設(shè)置成9600，這和電腦串口的默認(rèn)波特率值相同。但是很多用串口連接的工控設(shè)備，計量儀器，由于強(qiáng)調(diào)穩(wěn)定性而不要求傳輸速率，串口波特率默認(rèn)設(shè)置不再是9600，此時用戶就需要手動匹配波特率，這會給用戶帶來很大不便。USB采集卡采用USB通信協(xié)議，無需匹配波特率，大大提高了工作效率，更重要的是完全實現(xiàn)了自動化，無需再人工干預(yù)。

2.6 信號處理與顯示模塊

本文設(shè)計的信號處理與顯示模塊為Labview軟件開發(fā)的可視化聯(lián)機(jī)平臺，能夠?qū)Λ@得的轉(zhuǎn)矩數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和實時的顯示。Labview是一種圖形化的編程語言的開發(fā)環(huán)境，它廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實驗室所接受，視為一個標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件，用戶只需通過軟件技術(shù)和相應(yīng)數(shù)值算法，就能實時、直接地對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行各種分析與處理，透明地操作儀器硬件，方便地構(gòu)建出模塊化儀器。利用Labview編寫數(shù)據(jù)采集卡的驅(qū)動程序，對信號分析處理及存儲流程如圖5所示。

圖5 信號采集與處理流程圖

3 結(jié)語

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和生產(chǎn)發(fā)展的各種需要，轉(zhuǎn)矩測量技術(shù)在工業(yè)、航空航天、農(nóng)業(yè)、軍事等涉及機(jī)械傳動系統(tǒng)的領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用，本文設(shè)計的轉(zhuǎn)矩測量系統(tǒng)綜合了無線傳輸和虛擬儀器技術(shù)，與傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩測量系統(tǒng)相比該系統(tǒng)靈活可調(diào)，結(jié)構(gòu)簡單，在降低成本的同時還增加了應(yīng)用的便利性。

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基金項目：2015年度浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新活動計劃項目（2015R417015）。