电磁感应式无线转矩测量系统的研究

嘉兴学院南湖学院 周盼盼 邬尚良 徐 坤 赵 浩



电磁感应式无线转矩测量系统的研究

嘉兴学院南湖学院 周盼盼 邬尚良 徐 坤 赵 浩

【摘要】本文设计了一种无线式转矩测量系统，包括电磁感应式转矩传感器、无线发射电路模块、无线接收电路模块、信号采集电路模块、数据处理与显示模块。其中无线发射电路模块和感应式转矩传感器固定在一起，将传感器的输出电压以无线方式发射；无线接收电路模块和信号采集电路模块固定在一起，接收无线发射电路的转矩信号，并将该信号传输至信号采集电路模块，经过数据处理后得到转矩值并实时显示。该无线式转矩测量系统具有集成度高、可靠性好等优点，且便于后续开发，扩展性能良好。

【关键词】转矩测量；电磁感应；无线发射；无线接收；Labview

1 引言

转矩是各种工作传动轴的基本载荷模式，是旋转机械动力输出的重要指标，是检验产品是否合格的标志之一。当前在机械领域对于各类扭矩，输出功率，转速的大小的检测必不可少，通过检测设备的各项指标，我们可以更深入的分析与研究各组成部分的受力情况和物理现象的机理[1-4]。

转矩测量仪器是常用的仪器之一，目前使用的转矩测量系统种类较多[5-9]，有利用电磁离合器原理的测功机，有建立在轴扭力应变原理基础上的轴上应变片式转矩传感器和电磁式转矩传感器，目前已有多种转矩测量系统，如数字式光栅转矩测量，它的特点是能够测量超高速转轴的转矩，该系统可对100000 r／min 以上的超高速转轴进行测量，具有较高的测量精度和可靠性。

目前常用的转矩测量系统多采用有线传输的方式工作，即通过数据传输线将转矩测量信息输送至联机并进行处理，这种测量方法是目前最广泛最直接的一种方式，但对于需要长距离传输转矩信息的场合，这种有线传输数据的方式存在成本高、适应性差和线路维护困难等局限性，因此我们提出了一种无线式转矩测量系统以弥补它的不足。

本文设计了一种电磁感应式转矩传感器，并在此基础上对数据传输方式进行了深入研究，将采集到的信号数据通过无线收发模块传输至PC端，再经由信号处理和显示模块直接读取转矩数据，并能够进一步处理。无线传输系统设计克服了传统有线传输方式的缺陷,使得安装操作更加简便,同时能够实时观察电压信号和扭矩值的变化。

2 系统原理及结构

2.1 系统组成

本文开发的转矩测量系统主要由转矩传感器、无线发射电路、无线接收电路，信号采集卡、数据处理与显示等几部分组成，具体如图1所示。

图1 转矩测量系统组成框图

在通过转矩传感器获得原始数据后，利用无线发射电路发射，在信号的接收端口，联机在通过无线接收电路得到转矩测量数据后进行一系列的数据处理分析和实时显示。

2.2 转矩传感器

本文设计了一种基于电磁感应原理的新结构转矩传感器，其由传感器转轴、机壳、端盖、紧固配件及固定螺栓、励磁绕 组及铁心、输出绕组及铁心、轴承、滑环和电刷组成，结构图如图1所示。包括传感器转轴1、轴承2、前端盖3、机壳 4、紧固件 5、轴承 6、励磁绕组 7、励磁铁心8、输出铁心 9、输出绕组 10、轴承11、紧固 件 12、接线盒 13、后端盖 14、电刷 15、集电环。

图2 电磁感应式转矩传感器

转矩测量的工作原理为：励磁绕组通入交流电，产生磁势幅值随时间变化的励磁磁场；传感器转轴伸出的一端固定，另一端加载负载转矩。当负载转矩为零时，传感器转轴不发生形变，分别与传感器转轴两端固定的励磁铁心和输出铁心的位置保持不变。励磁绕组和输出绕组在空间上互相垂直，励磁磁场与输出绕组没有交链，输出绕组的感应电势为零；当负载转矩不为零时，传感器转轴发生形变，励磁绕组和输出绕组的相对位置发生改变，励磁磁场与输出绕组交链，输出绕组产生感应电势，该感应电势与所加载的负载转矩相对应。

2.3 无线发射电路

本文设计的无线发射电路模块的振荡器采用声表器件，图3为无线式转矩测量系统的无线发射电路模块原理，IN端口为转矩信号输入端；SAW为声表器件；ANT为天线发射端，用于将转矩信息以无线的方式向外发射。

2.4 无线接收电路

设计的无线接收电路模块如图4所示，由美国Micrel公司生产的MICRF002单片集成芯片及外围电路构成，工作芯片为美国Micrel公司生产的MICRF002，用于无线信号的接收和解调。其中ANT为天线接收端，用于接收无线发射的转矩信息；OUT端口为转矩信号输出端，与信号采集卡的输出端口连接。

图3 无线发射电路的组成

图4 无线接收电路的组成

无线接收电路模块采用单片无线接收扫频芯片，将高频信号接收功能全部集成于片内以达到用最少的外围器件和最低的成本获得最可靠的接收效果。MICRF002提供两种基本工作模式：固定模式和扫频模式，在FIXED工作模式下如同传统的超外差式接收机一样片内产生固定频率的本振信号。

2.5 信号采集卡

本文采用基于USB的信号采集卡，通常串口通信时，通信的双方必须保持波特率一致，这样才能通信成功。安装有串口的设备，出厂时一般都把波特率设置成9600，这和电脑串口的默认波特率值相同。但是很多用串口连接的工控设备，计量仪器，由于强调稳定性而不要求传输速率，串口波特率默认设置不再是9600，此时用户就需要手动匹配波特率，这会给用户带来很大不便。USB采集卡采用USB通信协议，无需匹配波特率，大大提高了工作效率，更重要的是完全实现了自动化，无需再人工干预。

2.6 信号处理与显示模块

本文设计的信号处理与显示模块为Labview软件开发的可视化联机平台，能够对获得的转矩数据进行处理和实时的显示。Labview是一种图形化的编程语言的开发环境，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件，用户只需通过软件技术和相应数值算法，就能实时、直接地对测试数据进行各种分析与处理，透明地操作仪器硬件，方便地构建出模块化仪器。利用Labview编写数据采集卡的驱动程序，对信号分析处理及存储流程如图5所示。

图5 信号采集与处理流程图

3 结语

随着科学技术的不断进步和生产发展的各种需要，转矩测量技术在工业、航空航天、农业、军事等涉及机械传动系统的领域都得到了广泛应用，本文设计的转矩测量系统综合了无线传输和虚拟仪器技术，与传统的转矩测量系统相比该系统灵活可调，结构简单，在降低成本的同时还增加了应用的便利性。

参考文献

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基金项目：2015年度浙江省大学生科技创新活动计划项目（2015R417015）。