趙永峰，王 玉，賴富文，王文廉*

(1.中北大學(xué)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；2.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051；3.中國(guó)人民解放軍 63853部隊(duì))

扭矩在動(dòng)力學(xué)中占有舉足輕重的地位，是工業(yè)動(dòng)力傳遞的重要參數(shù)之一，所以扭矩的精準(zhǔn)測(cè)量顯得尤為重要。目前，測(cè)量扭矩的方法多種多樣，大致分為有線測(cè)量和無(wú)線測(cè)量，不論是有線還是無(wú)線測(cè)量，都面臨一些大大小小的問(wèn)題。

有線測(cè)量要避免的一大難題就是彈性軸在轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中導(dǎo)線的處理。目前的處理方式是加入一個(gè)集流環(huán)，弾性軸轉(zhuǎn)速低的情況下有較好的性能，但是當(dāng)弾性軸轉(zhuǎn)速偏高時(shí)，集流環(huán)與弾性軸之間的摩擦損耗引起接觸電阻變化，產(chǎn)生噪聲干擾和零漂，對(duì)信號(hào)有很大的影響，導(dǎo)致采集到的數(shù)據(jù)誤差較大[1]。

無(wú)線測(cè)量不論是弾性軸轉(zhuǎn)速快慢，都有很好的測(cè)量精度，優(yōu)于集流環(huán)式；但是目前的無(wú)線測(cè)量系統(tǒng)包括信號(hào)放大電路、調(diào)理電路、射頻發(fā)射電路、射頻接收電路、電源管理電路和調(diào)制解調(diào)電路，整個(gè)系統(tǒng)電路復(fù)雜，價(jià)格昂貴，檢修困難[2-4]。

為了使測(cè)量系統(tǒng)達(dá)到更高的集成度和測(cè)量精度，采用NFC(近場(chǎng)通信)技術(shù)作為無(wú)源無(wú)線扭矩測(cè)量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸媒介。NFC技術(shù)是由非接觸式射頻識(shí)別(RFID)演變而來(lái)，NFC采用電磁耦合感應(yīng)技術(shù)，電磁場(chǎng)頻率是13.56 MHz，讀寫(xiě)控制端用13.56 MHz信號(hào)激勵(lì)天線，產(chǎn)生磁場(chǎng)，通過(guò)近場(chǎng)耦合，將能量傳遞給目標(biāo)，目標(biāo)對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行調(diào)制，將數(shù)據(jù)返回給發(fā)起設(shè)備完成通信；NFC技術(shù)憑借其通信穩(wěn)定、傳輸速率快、建立聯(lián)系時(shí)間短、受環(huán)境影響小等優(yōu)勢(shì)發(fā)展迅猛，一枚0.4 cm×0.4 cm的NFC芯片已經(jīng)在內(nèi)部集成了微型MCU、信號(hào)放大電路、調(diào)理電路、射頻發(fā)射電路、電源管理電路和調(diào)制解調(diào)電路，此外還有能量收集功能，為外部傳感器供電[5-11]。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)NFC多處于靜態(tài)標(biāo)簽的研究應(yīng)用，無(wú)傳感器，多采用其ISO14443A/B協(xié)議做身份識(shí)別以及儲(chǔ)存固定信息；本系統(tǒng)采用其ISO15693協(xié)議，連接傳感器，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)傳輸。

基于NFC的無(wú)源無(wú)線扭矩測(cè)量系統(tǒng)采用經(jīng)典的應(yīng)變式扭矩測(cè)量法，將箔式應(yīng)變計(jì)柵絲方向與弾性軸圓柱面的母線呈45°或135°方向，每隔90°位置粘貼1片應(yīng)變計(jì)，共粘貼4片組成全橋電路，當(dāng)弾性軸受扭時(shí)，應(yīng)變計(jì)產(chǎn)生形變，應(yīng)變計(jì)電阻的變化通過(guò)電橋輸出與外加扭矩成正比的電壓信號(hào)，通過(guò)計(jì)算便可得到外加扭矩的大小；應(yīng)變式扭矩測(cè)量法電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高，一直在廣泛使用[12-14]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)工作原理

圖1描繪了基于NFC的無(wú)源無(wú)線扭矩測(cè)量終端的工作原理。一共分為五個(gè)部分，包括NFC天線、NFC芯片(RF430FRL152H，ISO15693協(xié)議)，調(diào)諧匹配電路、濾波放大電路以及全橋采集電路。將讀寫(xiě)控制系統(tǒng)的天線靠近測(cè)量終端的天線，通過(guò)電磁耦合，終端系統(tǒng)被激活，經(jīng)過(guò)極短暫的時(shí)間后兩者建立連接完成；讀寫(xiě)控制器通過(guò)空中編程的方式發(fā)送指令給測(cè)量終端，啟用內(nèi)部14-Bit Sigma-Delta ADC(SD14)、16-bit CRC、2KB-FRAM、Amplifier以及Power Supply System(包括能量收集功能)；當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)弾性軸，恒流源式全橋采集電路采集輸出電壓，采集到的電壓信號(hào)經(jīng)放大濾波后由SD14(VREF＝0.9 V)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量存在FRAM中，讀寫(xiě)系統(tǒng)通過(guò)向終端發(fā)送循環(huán)讀取指令來(lái)訪問(wèn)FRAM中的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給PC端進(jìn)行數(shù)據(jù)直觀反映。

圖1 NFC無(wú)源無(wú)線扭矩測(cè)量系統(tǒng)原理圖

1.2 NFC系統(tǒng)設(shè)計(jì)

NFC系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，因此先設(shè)計(jì)完整的NFC系統(tǒng)來(lái)保證通信的穩(wěn)定性。

圖2是NFC系統(tǒng)電路圖，除了NFC芯片及其外圍電路外還有放大濾波電路。系統(tǒng)使用二階放大電路，第一階是NFC芯片內(nèi)部提供最大8倍的放大電路，第二階放大電路采用超低功耗低噪聲精密儀表放大器INA333，該芯片最大偏移電壓25μV，工作電壓1.8 V，靜態(tài)電流50μA，最大增益1 000，軌到軌輸出，能保證出色的精度。

圖2 NFC系統(tǒng)電路圖

1.3 NFC天線設(shè)計(jì)

NFC工作在13.56 MHz，屬于HF波段，需要使用線圈環(huán)路天線。線圈天線最重要的參數(shù)是其等效電感值，為了更好的匹配電容，其值通常在0.5μH~3.0μH之間。在設(shè)計(jì)天線之前通常先規(guī)劃好預(yù)設(shè)計(jì)天線的形狀、尺寸、線寬和圈數(shù)等，利用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出等效電感值，再利用HFSS軟件仿真，之后設(shè)計(jì)出實(shí)際天線用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量實(shí)際電感值。

預(yù)設(shè)一塊矩形天線，如圖3所示:匝數(shù)N＝6、平均寬度w＝37 mm、平均高度h＝19 mm、軌跡寬度a＝0.5 mm、真空磁導(dǎo)率μ0＝4×10-7H/m、校正因子p＝1.8，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式:

圖3 矩形天線

計(jì)算出等效電感值Lest＝1.776μH，符合設(shè)計(jì)要求。

圖4為HFSS對(duì)預(yù)設(shè)天線的阻抗仿真圖，13.56 MHz頻率下的阻抗值 為:Z＝(1.436 2＋j151.563 4)Ω，計(jì)算出仿真天線的電感值為:Lsim＝1.779μH，可以發(fā)現(xiàn)Lsim和Lest相差非常小。

圖4 天線仿真阻抗值

按照預(yù)設(shè)天線尺寸做成實(shí)際的PCB天線，如圖5所示，使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量實(shí)際天線，Smith圓圖在光標(biāo)‘1’對(duì) 應(yīng)13.56 MHz的 電 感 值 為L(zhǎng)real＝1.840μH，與Lest、Lsim均相差很小；Smith圓圖在光標(biāo)‘2’對(duì)應(yīng)天線的自諧振點(diǎn)，頻率為70.156 MHz，可推出天線的寄生電容CPara＝2.797 pF，已知NFC芯片的輸入電容為Cin＝35 pF，由公式:

圖5 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀實(shí)測(cè)的Smith圓圖

計(jì)算出需要匹配的諧振電容為CRES＝37.072 pF，以此構(gòu)建諧振匹配電路。

1.4 應(yīng)變系統(tǒng)設(shè)計(jì)

應(yīng)變系統(tǒng)包括弾性軸和應(yīng)變計(jì)。

選取一截直徑20 mm、長(zhǎng)30 cm的45＃實(shí)心鋼柱作為弾性軸，根據(jù)公式:

計(jì)算出所選弾性軸可承受最大安全扭矩為M＝161 N·m。(D為弾性軸的直徑、Wp為軸截面的抗扭模數(shù)、M為軸上扭矩、[]為最大許用應(yīng)力、τmax為軸截面上的最大剪應(yīng)力、δ0.2為屈服強(qiáng)度、ns為安全系數(shù)取2)

弾性軸受扭發(fā)生應(yīng)變時(shí)，橫截面會(huì)受到剪應(yīng)力，這個(gè)力在軸中心處為零，在軸表面最大，因此如何粘貼應(yīng)變計(jì)變得很重要。如圖6所示，將阻值為1 kΩ的箔式應(yīng)變計(jì)柵絲方向與弾性軸圓柱面的母線呈45°或135°方向，每隔90°位置粘貼1片應(yīng)變計(jì)，共粘貼4片組成全橋電路；此全橋電路有溫度補(bǔ)償功能，可消除導(dǎo)線的溫度影響，可消除彎曲應(yīng)變，可消除壓縮(拉伸)應(yīng)變，輸出精度是橋式單臂電路的4倍。根據(jù)廣義胡克定律:

圖6 應(yīng)變計(jì)粘貼圖

式中:σ1＝τmax、ε1＝ε3＝-ε2＝-ε4得到剪應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系:

結(jié)合公式:

推出扭矩與電阻變化量的關(guān)系:

式中:E為弾性軸的彈性模量、μ為弾性軸的泊松比，可知扭矩可以通過(guò)應(yīng)變計(jì)電阻的變化來(lái)測(cè)量。

2 系統(tǒng)標(biāo)定

首先要對(duì)終端系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)標(biāo)定，根據(jù)應(yīng)變計(jì)的測(cè)量原理可知其有效性對(duì)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)負(fù)載都相同，所以采用靜態(tài)試驗(yàn)標(biāo)定法。如圖7所示將弾性軸的一端固定防止自由旋轉(zhuǎn)，使用一根質(zhì)量均勻臂桿固定在弾性軸的一端，并使臂桿呈水平狀態(tài)，臂桿下掛精準(zhǔn)砝碼，通過(guò)外加機(jī)械構(gòu)件發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生可控扭矩，施加扭矩包括臂桿長(zhǎng)度與砝碼重力的向量積以及臂桿自身重力產(chǎn)生的扭矩，通過(guò)增加/減少砝碼來(lái)增加/減少所施扭矩，利用讀寫(xiě)控制端實(shí)時(shí)讀取輸出電壓的值，記錄所施加扭矩大小及其對(duì)應(yīng)的輸出電壓值。

圖7 靜態(tài)標(biāo)定示意圖

為了保證測(cè)量終端系統(tǒng)能與讀寫(xiě)控制端實(shí)時(shí)保持穩(wěn)定通信，用吸波材料(鐵氧體膜)來(lái)減小金屬的渦流效應(yīng)。NFC系統(tǒng)與讀寫(xiě)控制端的最大感應(yīng)距離是10.5 cm，最大穩(wěn)定通信距離是9.5 cm；當(dāng)與弾性軸和橋式電路組成測(cè)量終端后，如圖8，測(cè)量系統(tǒng)PCB與讀寫(xiě)控制端最大穩(wěn)定通信距離是4.5 cm。

圖8 標(biāo)定實(shí)驗(yàn)照片

3 實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析

采用直徑10 mm、長(zhǎng)100 cm的45號(hào)鋼柱作為均勻力臂杠桿，力臂杠桿自身重力產(chǎn)生的扭矩要計(jì)算在內(nèi)(12.5 N·m)。測(cè)試時(shí)，通過(guò)增加砝碼的個(gè)數(shù)實(shí)現(xiàn)扭矩的加載，通過(guò)相反過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)扭矩的卸載，以200 g的砝碼為間隔進(jìn)行15個(gè)點(diǎn)的標(biāo)定(量程42.5 N·m)。從讀寫(xiě)控制端記錄對(duì)應(yīng)的輸出電壓值，重復(fù)三次實(shí)驗(yàn)，將每個(gè)標(biāo)定點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)取平均值[15-16]。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(輸出電壓)

將三次實(shí)驗(yàn)輸出電壓的‘總均值’輸入MATLAB作為縱坐標(biāo)，將理論標(biāo)準(zhǔn)扭矩作為橫坐標(biāo)，如圖9(a)所示，利用最小二乘法得到扭矩和輸出電壓值的擬合特性曲線為:y＝13.697 7x＋165.560 0，x表示扭矩，y表示輸出電壓值。將輸出電壓根據(jù)擬合曲線轉(zhuǎn)化為扭矩，轉(zhuǎn)化結(jié)果如表2。

圖9

表2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(測(cè)量扭矩)

分析、計(jì)算和評(píng)估扭矩測(cè)量系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)如下:

用MATLAB分別描繪實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的線性度、遲滯性和重復(fù)性如圖9(b)、9(c)和9(d)通過(guò)分析和計(jì)算可知此測(cè)量系統(tǒng)各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合規(guī)范，不僅結(jié)構(gòu)和選材得當(dāng)，而且具有高測(cè)量精度。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)目前扭矩測(cè)量系統(tǒng)的研究分析和總結(jié)，提出了基于NFC的無(wú)源無(wú)線扭矩測(cè)量系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的構(gòu)建設(shè)計(jì)、仿真調(diào)試、實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性。本系統(tǒng)通過(guò)NFC技術(shù)作為扭矩測(cè)量的媒介，在保證數(shù)據(jù)通信穩(wěn)定和快速的前提下不僅避免了傳統(tǒng)有線扭矩測(cè)量系統(tǒng)磨損帶來(lái)的較大誤差，而且因其高度集成化在電路結(jié)構(gòu)上優(yōu)于一般的無(wú)線扭矩測(cè)量系統(tǒng)?；贜FC的無(wú)源無(wú)線扭矩測(cè)量系統(tǒng)不僅無(wú)線，而且無(wú)源，在某些特殊環(huán)境中可以長(zhǎng)期使用，解決更換電池的不便。