李慶勇，胡 蔓

(山東大學(xué)青島校區(qū)公共(創(chuàng)新)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，山東青島 266237)

0 引言

應(yīng)變片、電容等扭矩測量方法難以精確檢測動態(tài)的微小扭矩變化。而光纖作為一種光學(xué)檢測方法，通過光纖傳感器的波長、相位等特征可以識別扭矩變化，設(shè)計系統(tǒng)檢測光纖信號并校正扭矩結(jié)果。

1 光纖扭矩檢測原理

光纖傳感器具有安裝方便、抗干擾強(qiáng)、精度高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用[1]，利用拾光型光纖傳感器采集傳動軸的應(yīng)力變形，具體檢測方案見圖1。動力端和負(fù)載端之間連接聯(lián)軸器，為檢測扭矩大小，在聯(lián)軸器上粘貼45°和135°的光纖傳感器[2]，傳感器可以把被測應(yīng)力變形轉(zhuǎn)化電能信號，經(jīng)過電路的一系列處理后求出扭矩數(shù)值。

圖1 光纖扭矩檢測示意

2 扭矩檢測硬件設(shè)計

2.1 硬件總體設(shè)計方案

硬件部分的功能是采集扭矩計算的相關(guān)參數(shù)[3]，具體硬件構(gòu)成如圖2所示。調(diào)理電路由光電轉(zhuǎn)換電路、差分放大電路和信號驅(qū)動電路等構(gòu)成[4]，轉(zhuǎn)速檢測包括霍爾傳感器和高速脈沖輸入接口。傳感器包括光纖傳感器和霍爾傳感器，兩種傳感器都安裝在聯(lián)軸器處，利用聯(lián)軸器變形采集光纖信號，4個光纖傳感器連接到調(diào)理電路，齒輪轉(zhuǎn)動時霍爾傳感器采集轉(zhuǎn)速信號，用于校準(zhǔn)扭矩數(shù)據(jù)。

2.2 轉(zhuǎn)速檢測電路

把負(fù)載軸承置于光源與光敏晶體管之間，當(dāng)光線被設(shè)備遮住時，光線不能照射到光敏晶體管上，轉(zhuǎn)速檢測電路呈高阻狀態(tài)，聯(lián)軸器轉(zhuǎn)過一定角度后，光線從間隙照射到VTL上，光敏晶體管導(dǎo)通呈低阻狀態(tài)。當(dāng)風(fēng)葉不停地旋轉(zhuǎn)時，每轉(zhuǎn)一圈，光敏晶體管就間斷地受到照射[5]，由于在電阻R381串聯(lián)在放大器電路的負(fù)端，TL084運(yùn)算放大器可以提供更廣泛的設(shè)計選擇，轉(zhuǎn)速具體檢測電路見圖3。運(yùn)算放大器是包含高壓JFET和雙極晶體管的集成電路[6]，低輸入偏置電壓和偏置電流，且補(bǔ)償電壓溫度系數(shù)低，適合低電壓場所的應(yīng)用。

圖2 扭矩檢測系統(tǒng)硬件框圖

圖3 轉(zhuǎn)速檢測電路

2.3 光纖傳感器調(diào)理電路

AD823是一款雙通道的精密、16 MHz、JFET輸入運(yùn)算放大器，可采用3.0～36 V單電源或±1.5 V至±18 V雙電源供電。它具有單電源供電能力，在單電源模式下輸入電壓范圍可擴(kuò)展至地電壓以下[7]。OUT ≤100 μA時，輸出電壓擺幅可擴(kuò)展至各供電軌道的50 mV以內(nèi)，從而可提供出色的輸出動態(tài)范圍。這樣的交流和直流性能組合以及出色的負(fù)載驅(qū)動能力使得該器件成為一款出色的多功能放大器[8]，適合ADC驅(qū)動器、高速有源濾波器和其它低壓、高動態(tài)范圍系統(tǒng)等應(yīng)用。調(diào)理電路具體設(shè)計過程如圖4所示。將分流電容并聯(lián)連接到電源地，放大器電源旁路技術(shù)可抑制電源線路的無用寬帶噪聲，實(shí)現(xiàn)方法是在C349和C348旁路位置放置電阻，在AD823和AD620放大器電源位置放置分流電容。

圖4 傳感器調(diào)理電路

3 扭矩檢測系統(tǒng)軟件部分

扭矩檢測系統(tǒng)以信號采集為基本功能，對采集數(shù)據(jù)分類保存，發(fā)送數(shù)據(jù)至MCU并依據(jù)采集信號計算出實(shí)時扭矩，根據(jù)扭矩檢測結(jié)果校準(zhǔn)檢測系統(tǒng)。

3.1 信號采集模塊

信號采集是檢測系統(tǒng)的輸入核心，穩(wěn)定和高精度的采集結(jié)果有利于計算出準(zhǔn)確的檢測結(jié)果，傳感器信號采集程序如圖5所示。創(chuàng)建并保存系統(tǒng)采樣參數(shù)、采樣幅度等信息[9]，配置完采集系統(tǒng)后讀取速度光纖傳感器和轉(zhuǎn)速檢測的信號。解析光纖信號的相位、幅值變化信息并通過改變量來實(shí)現(xiàn)扭矩測量，根據(jù)轉(zhuǎn)速等信息校準(zhǔn)扭矩計算結(jié)果并保存。

圖5 傳感器信號采集

3.2 扭矩計算模塊

無論是利用相位調(diào)制還是光強(qiáng)調(diào)制來檢測扭矩，都需要轉(zhuǎn)速檢測過程來校準(zhǔn)扭矩結(jié)果，具體扭矩計算模塊如圖6所示。系統(tǒng)上電后初始化信息采集、扭矩計算和信號配置等模塊[10]，系統(tǒng)穩(wěn)定后開始檢測空載轉(zhuǎn)速并標(biāo)定零點(diǎn)，把系統(tǒng)空載扭轉(zhuǎn)設(shè)定為標(biāo)準(zhǔn)曲線。利用負(fù)載和空載的信號差值計算扭矩，根據(jù)扭矩輸出標(biāo)志位判斷計算是否完成[11]，扭矩計算完成后輸出結(jié)果。

4 扭矩測試實(shí)驗(yàn)

扭矩測試實(shí)驗(yàn)包括系統(tǒng)可靠性測試和檢測精度檢測兩部分，檢測系統(tǒng)的可靠性測試包括光纖波長實(shí)驗(yàn)、轉(zhuǎn)速檢測實(shí)驗(yàn)，最后用扭矩檢測結(jié)果分析系統(tǒng)精度。

4.1 光纖及轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn)

在聯(lián)軸器輸出端接入一個可調(diào)負(fù)載，在0～40 N之間每隔5 N采樣一次光纖數(shù)據(jù)，解析光纖波長信號結(jié)果如圖7所示，隨著扭矩的增加光纖波長出現(xiàn)線性增長的趨勢[12]，利用記錄波長數(shù)據(jù)或者計算波長差可以實(shí)時計算出扭矩大小。

在空載狀態(tài)下啟動扭矩檢測系統(tǒng)，在0～40 s內(nèi)加速啟動電機(jī)，利用霍爾傳感器檢測模塊讀出電機(jī)加速過程，結(jié)果如圖8所示，采集脈沖數(shù)據(jù)后擬合出轉(zhuǎn)速曲線，結(jié)果顯示電機(jī)轉(zhuǎn)速從0加速到60 r/min的過程中，轉(zhuǎn)速計算后的信號會出現(xiàn)小幅度波動。

圖7 光纖波長信號

圖8 加速過程檢測

4.2 扭矩檢測實(shí)驗(yàn)

檢測扭矩過程時，在檢測系統(tǒng)中接入一個32 kg的恒扭矩負(fù)載設(shè)備，分時間段采集數(shù)據(jù)，結(jié)果見圖9。在檢測系統(tǒng)和傳動設(shè)備穩(wěn)定后分階段讀取扭矩結(jié)果，扭矩結(jié)果在315～320 Nm之間波動，即扭矩相對誤差在1.6%以內(nèi)。

圖9 扭矩檢測結(jié)果

5 結(jié)束語

為開發(fā)光纖傳感器的扭矩檢測系統(tǒng)，設(shè)計光纖傳感器和轉(zhuǎn)速的軟硬件檢測系統(tǒng)并計算扭矩檢測結(jié)果。利用變扭矩和加速過程驗(yàn)證檢測系統(tǒng)的信號采集模塊，波長和轉(zhuǎn)速識別精度分別為0.01 mm和1 r/min，最后恒扭矩檢測實(shí)驗(yàn)解說說明扭矩相對誤差在1.6%以內(nèi)。