多种工况磁电触发的主动轮扭矩测试方法

陈昌鑫，马铁华，靳　鸿，苗　静

(中北大学，电子测试技术国家重点实验室，仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原　030051)

0　引言

通过测试应变实现扭矩测试是常规的测试方法，基本原理是旋转件扭转产生的扭力与应变成比例，沿轴向45°和-45°方向粘贴2个电阻应变片(或者4个电阻应变片)，构建半桥(或者全桥)，输出电压与扭矩成正比，根据相关公式求得扭矩[1-2]。由于电阻应变片需要构建电桥，高速旋转件的旋转导致电桥供电和信号传输存在一定困难，一般通过集流环(例如：普通电刷和滑环、银碳电刷集流器、水银集流器)、旋转变压器、无线遥测、红外传输、存储测试等方式解决。应变式扭矩测量原理图[3-5]如图1所示。

由于主动轮直径较大，而且履带式车辆行进过程中振动冲击较大，采用集流环等方法存在一定程度的可靠性问题。结合存储测试的自主供电、自主采集与存储等特点，采用存储测试方法，将微型化的存储测试仪器嵌入主动轮上进行扭矩的测试，解决电桥供电和信号传输的问题。

1　测试原理

在旋转件被测点部位粘贴2个电阻应变片，构建半桥电路；在旋转件上嵌入或用其他方式固定微型化的存储测试仪器，一方面微型存储测试仪器自带电池供电并给电桥供电，另一方面电桥输出信号接入微型化、智能化存储测试仪器，在一定的触发条件下进行采集、记录，时间到(定时间)、容量记满(定存储容量)，或者触发控制情况下停止记录，回收微型化存储测试仪器，通过接口电路将微型化存储测试仪器接入计算机，由计算机和虚拟仪器软件实现数据的读取、分析与处理。主动轮结构示意图如图2所示，在主动轮的中心处嵌入微型化的存储测试仪器。

(a)集流环(电刷和滑环)供电

(b)无线传输方式传输

图2　主动轮示意图

2　硬件电路设计

2．1测试系统框图

测试系统包括传感器、存储测试仪器和计算机虚拟仪器软件。其中传感器获取信号，存储测试仪器的信号调理模块完成信号的滤波、放大，在控制模块的控制下进行A/D转换、存储、接口传输等[6]，通过接口模块将存储模块的数据读出，进行分析处理。测试系统主要组成框图如图3所示。

图3　测试系统组成框图

2．2信号调理电路

选取箔式电阻应变片作为传感器，以1个轮毂为研究对象，在轮毂两臂粘贴2只箔式电阻应变片，另选2只120 Ω的固定电阻，组建差动直流半桥电路，电路原理图[6]如图4所示。

图4　差动半桥电路原理图

R1、R2是箔式电阻应变片(阻值=(120±0.1)Ω，灵敏度系数K=2.1)，R3、R4是恒定电阻(阻值=(120±0.1Ω))；UE是电桥输入电压(一般是2 V)，UO是电桥输出电压信号，一般是mV量级。根据差动电桥的原理，输出桥压与输入桥压满足关系式：

(1)

式中：ε1为R1的应变值；ε2为R2的应变值。

主动轮的轮齿在扭转载荷作用下，轮毂两臂安装的2个电阻应变片一个受压，另一个受拉，即ΔR1=-ΔR2，根据材料力学的知识，ε1=-ε2。

理论情况下，当轮毂的扭矩为零时，电桥的4个桥臂的电阻相等，电桥输出电压为零，但是实际情况下，受环境影响导致电阻的阻值不能完全相等，扭矩为零时电桥输出电压不为零，因此电桥需要调节平衡。选择高精度数字电位器X9C103，调节平衡电阻。在进行正式测试之前，在计算机虚拟仪器软件中点击“电桥调平”，向测试仪器发送调平命令，控制模块判断采集的数据是否小于阈值(根据实际情况，设置48 bit的阈值，即采集的数字量与基线相比小于48 bit，即认为调节平衡)，如果大于阈值，控制X9C103数字电位器调平，再次采集，只到小于阈值，认为调节平衡，例如采用12 bit ADC，设置基线2 048 bit，则采集的数值在2 000 bit至2 096 bit，即认为调节平衡，自动调节电桥平衡的流程图如图5所示。

图5　自动调节电桥平衡的流程图

电桥输出的差分电压一般是mV量级，需差分放大电路对信号进行放大。选择高精度、低功耗仪表放大器INA128芯片，将电桥输出的信号接入仪表放大器，设置偏置电压，通过改变外部电阻R的阻值，实现放大倍数的调节。放大后的信号接入压控电压源二阶低通滤波电路，然后进行后级的采集与存储。

2．3采集、控制、存储与接口模块

存储测试仪器嵌入在主动轮上，要遵循微介入的原则，实现微型化[7]，对主动轮的质心、转动惯量等影响尽量小。选择微体积、集成ADC模块的MCU，采用闪存实现多种工况的大容量数据的存储，采用CY7C68013接口芯片实现数据的读取。

3　多种工况下的智能化设计

3．1多种工况的状态设计

存储测试仪器采用锂电池供电，电池容量有限与工作时间长存在一定矛盾，需要进行测试仪器的低功耗设计，根据工作状态的特点，将测试电路分为若干个工作状态。利用控制模块控制模拟开关对模拟电路、数字电路分别供电。存储测试仪器根据测试要求分为单次采样(连续记录)和多次采样模式(分段记录)，工作状态图如图6所示[8]。

图6　多种工况的工作状态图(以3种工况为例)

履带式车辆运行工况复杂，在履带式车辆测试试验过程中，需要对各个工况的运行参数进行测试，例如某履带式车辆定型试验时候，将工作工况分为：工况一(松软土路)、工况二(沙石硬路)、工况三(泥泞软路)、工况四(爬坡软路)、工况五(爬坡沙石硬路)等，将类似于这种情况的过程定义为随机相似过程。文献[8]总结了随机相似过程的特点：有多个过程，每个过程的开始时刻具有随机性，相邻2个过程之间的时间间隔不确定；只关心每个过程的数据，2个过程之间的数据通常不是有效数据，一般不需要记录，每个过程开始时刻通过触发启动智能仪器；各个过程相似，采样频率可以相同、存储容量也可以相同。车辆的运行工况符合随机相似过程的特点，于是采用多次采样模式(多次触发)，触发后记录一定容量自动休眠的低功耗状态管理措施，有效地解决测试时间长的时候电池容量和存储容量不足的问题[8]。

3．2磁电触发

使用TLE4905霍尔开关，该型号霍尔开关在机械振动和电噪声情况下能够稳定工作，工作电路原理图如图7所示。

图7　霍尔开关工作电路原理图

接通霍尔元件的电源，默认输出高电平，当需要启动触发时，闭合电磁铁的开关，电磁铁产生磁场，此时霍尔元件输出低电平；当断开霍尔开关时，霍尔元件又恢复输出高电平，即通过开关控制电磁铁的电源供电，通过磁场传递，霍尔元件输出阶跃电信号实现触发。霍尔元件输出触发信号的时序图如图8所示，图中K是电磁铁的输入电压信号，Uo是霍尔元件输出电压信号。

将霍尔开关输出的Uo信号接入测试电路，测试电路判断信号的下降沿和低电平即可实现触发控制。

将电磁铁通过支架固定在车体上，保证电磁铁正对着主动轮中心处的存储测试仪器外侧的触发电路，并且电磁铁与触发电路存在一定的距离。当进入一种工况时候，控制电磁铁开关产生磁场，此时触发电路产生阶跃电信号，电路进入该工况的采集、记录；当定时(定容量)后进入休眠，待下一次工况触发进入该工况的采集、记录。

图8　霍尔开关工作时序图

4　结论

存储测试仪器嵌入主动轮中心处随轮旋转，而且存储测试仪器自主供电、自主存储，数据事后回读与分析处理，解决了旋转件扭矩测试的电桥供电和信号传输问题。履带式车辆行驶工况复杂，主动轮扭矩测试实验在多种工况进行，其特点是：相同工况需要记录一段时间，相邻工况的时间间隔不确定，而且不需要记录。针对这种特点，进行了多种工况状态设计和非接触的磁电触发设计。

参考文献：

[1]文西芹，张永忠．扭矩传感器的现状与发展趋势．仪表技术与传感器，2001(12)：1-11．

[2]刘丽霞．车辆扭矩与转速测试系统．仪表技术与传感器，2010(7)：89-91．

[3]陶庆模，邵成忠，景毅，等．车辆旋转轴扭矩测试技术的综述．车用发动机，1994(6)：22-27．

[4]王岩，储江伟．扭矩测量方法现状及发展趋势．林业机械与木工设备，2010，38：14-18．

[5]安英博，卢博友，孟彩茹，等．基于无线传输的旋耕机扭矩测量系统设计．农机化研究，2009，31(3)：95-97．

[6]靳鸿，陈昌鑫，祖静，等．嵌入式微型应变存储测试系统设计与实现．电子技术应用，2012，38(11)：84-90．

[7]陈昌鑫，靳鸿，马铁华，等．基于SoC的动态参数记录仪微型化研究．工程设计学报，2012，19(6)：469-472．

[8]靳鸿，陈昌鑫，史晓军．具有负延迟的分区域数据存储方法．探测与控制学报，2013，35(2)：25-28．