对扭矩实时检测和数据分析系统的研究

卢帅帅，王　飞，齐　鹏（.山东省社会公正计量行；.山东省计量检测中心，济南　5004）



对扭矩实时检测和数据分析系统的研究

卢帅帅1，王飞2，齐鹏1
（1.山东省社会公正计量行；2.山东省计量检测中心，济南250014）

摘要：在机械设备中，扭矩是确保设备安全、高效、稳定工作的重要参数。因此，在工业生产当中，对扭矩的检测具有非常重要的作用，本文主要研究以单片机为核心的扭矩检测与数据分析系统，实现了对工业设备的有效保护，提高工厂生产效率的同时还有效的降低了工厂设备的检修率。

关键词：扭矩；实时检测；数据分析；系统

0　引言

扭矩是使物体发生转动的一种特殊的力矩。发动机的扭矩就是指发动机从曲轴端输出的力矩。在功率固定的条件下它与发动机转速成反比关系，转速越快扭矩越小，反之越大，它反映了在一定范围内的负载能力。外部的扭矩叫转矩或者叫外力偶矩，内部的叫内力偶矩或者叫扭矩。可以说扭矩是机械设备运行过程中的一项重要参数，对其进行有效测量可以提升设备使用效率和安全性，因此，有必要对扭矩检测技术进行深入研究。

1　扭矩实时监测和数据分析系统的设计

在工业生产当中，扭矩检测技术具有重要作用，它能有效检测出转动轴的扭矩值，从而推断出主轴以及设备的运行状态，如果发现扭矩值过大，便于及时的采取保护措施，对于设备的使用寿命和维护保养有着非常重要的意义。近年来，随着电子技术以及无线通信技术的快速发展，扭矩检测技术的发展向精细化和智能化的方向不断迈进。鉴于此以单片机技术为核心，对扭矩实时检测和数据分析系统进行如下设计。

1.1整体设计

扭矩实时检测和数据分析系统以集成电路芯片单片机（Microcontrollers）为核心的智能检测系统，采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统以及定时器/计数器等功能，集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，这种高度智能化的集成电路芯片在工业控制领域广泛应用。本次研究的扭矩实时检测和数据分析系统同样应用了这项技术，其整体上可以分为两大模块，即扭矩检测发射模块和数据接收监控模块。其中扭矩检测发射模块主要包括扭矩数据检测、数据信息转换、数据信息的传输等；数据接收监控模块包括扭矩检测数据的显示、数据信息接收电路、串行数据通信电路以及报警电路设计。扭矩实时检测和数据分析系统整体结构如下图1所示。

1.2扭矩检测发射模块设计

扭矩检测发射模块主要针对的是工业设备的转动轴的扭矩，结构组成保留单片机及控制电路、ADC电路、无线通信电路。检测过程主要由单片机进行控制，为了加强检测模块的紧凑性，检测电路元件，由贴片应变片组成全桥电路，从而确保扭矩检测发射模块更加小巧，安装在传动轴上不会影响主轴自身的运动特性。

1.3数据接收监控模块设计

数据接收监控模块主要是将检测模块收集到的扭矩数据信息传输给上位机，可以说该模块有信息中转以及实时监测功能。因此，在数据接收监控模块设计过程中，同样以集成电路芯片单片机为核心控制器，并配有液晶显示屏、无线电通信系统、输入键盘、报警电路以及RS-232标准串口通信电路，整个数据接收监控模块由电源适配器进行供电。

2　软件系统设计

根据扭矩实时检测和数据分析系统的整体结构，软件设计同样分为扭矩检测发射和数据接收监控两部分。其中扭矩检测发射模块的软件设计主要包括AD7705驱动程序、通信芯片驱动程序、STC12C5A60S2单片机内部逻辑以及实时监控发射程序。AD7705驱动程序主要是将贴片应变片采集到的转动轴扭矩信号经过应变桥输出电压信号的模拟放大然后进行模数转换后串行输出；通信芯片驱动程序完成数据信息的发送；STC12C5A60S2单片机进行核心控制，通过I/O串口控制芯片功能进行数据输入输出、信号中断以及实时监控等操作。

数据接收监控模块的软件设计主要包括液晶驱动程序、通信芯片驱动程序、矩阵键盘扫描驱动程序、串行数据通信程序。整个系统实现了人机交互操作、转动轴扭矩信息管理、刷新以及和上位机进行的实时通讯。数据接收监控模块还具有转动轴扭矩报警功能，一旦检测到的扭矩信息超过了预先设定的标准值，该模块就会发出报警信号，提醒现场工作人员及时进行维护操作。此外，在扭矩实时检测和数据分析系统的显示模块上不仅可以接收转动轴的数据信息和电池电压值，还可以随时刷新显示键盘键码值。芯片内部的显示数据RAM提供642个位元组的空间，最多可以实现4行16字的中文字形显示。

3　结束语

综上所述，本文研究的扭矩实时检测和数据分析系统可以很好的完成各项子系统的功能，可以准确有效的将扭矩信号进行放大，然后通过A/D转换系统进行数据信息的转换并利用无线电系统进行信号传输。通过实际运行可以得出以下结论：该系统能够准确有效的检测出超大量程的扭矩值，并且具有很好的抗干扰性，能够适应各种工业生产环境，具有非常可观的推广和发展前景。

参考文献：

［1］孔祥涛.基于ZigBee无线传感网络的扭矩监测系统研究［D］.山东大学，2014.

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［3］王小龙，李代生.基于LabVIEW的高精度扭矩测试系统［J］.仪表技术与传感器，2007（11）.

［4］王丹，林中.扭矩传感器测量结果不确定度的评定［J］.中国计量，2006（12）.

DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.11.246

作者简介：卢帅帅（1988-），男，山东平度人，本科，助理工程师，主要从事力学计量方向的研究。