动态扭矩检测技术

蔡嘉欣

广东省计量科学研究院 广东广州 510405

在现代工业技术水平不断提升的背景下，工业产品质控与运行状态监测的重要性逐渐凸显出来。其中，扭矩测量是设备测试与质检等环节必要的测量项目。在实际应用中，扭矩会借助转轴转动形式动态化地输出，在转动转轴的同时动态性地测量扭矩。一般来讲，扭矩测量需借助传感器技术完成，其测试系统也更具数字化、智能化和小型化特征。由此可见，深入研究并分析动态扭矩检测技术十分有必要。

1 动态扭矩检测系统设计研究

1.1 设计基本原理

动态扭矩检测系统在启动以后，DSP 模块与ARM 模块就会自动开展初始化工作，对工作参数进行设置。而扭矩传感器信号与脉冲编码器信号则会经连接器与指示仪表的内部电路连接，在信号处理后即可通过DSP 快速采集，在对所采集扭矩与转速数据实施数字滤波处理以后，即可向ARM 模块传输，进而结合用户存储校准数据进行校准操作，并经触摸屏显示出来[1]。

与传统仪表相比，此仪表的优势集中体现在以下几个方面：

首先，仪表扭矩传感器的接口数量有三个，脉冲编码器接口数量有一个且具备信号倍频功能，能够在线实时测量扭矩信号（3 路）与转速信号（1 路），参考扭矩与转速的数据信息对实时功率加以计算，以达到在线实时测量多个通道与多个参数的目的。

其次，仪表选择7 寸触摸屏用于显示与操作，而用户可通过触摸屏输入并操作仪表所显示的内容，增强了人机交互的便利性。

最后，功能相对灵活。测量扭矩与转速的基础上，仪表还可以在线计算并显示出来，能够对扭矩测量值进行自动记录，结合测量所得数据还可对测量所得平均值进行计算，并在外部存储设备中直接保存，为后续使用提供便利。

1.2 软件设计

此仪表选择DSP 芯片与ARM 芯片，在协同作用下充分发挥其自身功能。仪表软件部分包括DSP 处理器软件与ARM 处理器软件。前者选择C 语言编程，而后者则选择C++语言编程。

在启动上电程序后即可开展程序的初始化，对DSP 运行参数加以设置，对外部中断、SCI、控制寄存器、CPU 定时器和程序运行状态参数等进行配置。完成初始化以后即可开展主程序循环，各子程序执行之前要对状态标志位加以判断，进而确定子程序执行与否[2]。

脉冲信号是动态扭转传感器输出信号，通过外部中断与定时器即可测量脉冲信号频率，结合脉冲信号频率与扭矩值对应关系确定动态传感器转轴扭矩的大小。输入信号的频率处于5-15 千赫兹，若在固定的采样时间对脉冲数进行测量并计算脉冲频率，必须经较长时间以增强测量的准确性，但会使仪表采样的频率下降，难以将扭矩数值变化反映出来。为此，通过测量固定脉冲数间的时间间隔，即可对脉冲信号频率进行计算，不仅可确保测量的准确，同样也能够增加仪表采样的频率，进而增强动态测量的效果。在EQEP 模块中设置了可编程定时器，在计时的基础上即可倍频技术脉冲编码器两相输入，在对单位时间内脉冲计数计算的同时即可获取旋转主轴转动的速度。

在启动ARM 程序后即可进入主界面，可将扭矩当前数值与峰值直接显示出来，但用户需手动对数据进行记录并开展后期处理工作。用户能够结合接入传感器数量与通道号的差异对界面进行设置，并选择所需显示通道。对界面设置的过程中，需要单独设置各通道参数，而设置界面则含括仪表自校准功能与传感器校准功能两种。

1.3 硬件原理

指示仪表硬件由数据交互接口、ARM 处理器、扭矩传感器、触摸屏、DSP 处理器等组成。其中，DSP 具有较强的数据处理能力，可对数据进行快速采集与处理。而ARM 处理器的网络通信、触摸屏输入、监控和显示等功能也更完善。为此，此仪表联合运用ARM 处理器和DSP 处理器。

DSP 处理器借助150 兆赫兹的时钟频率，可使得时钟周期时间只有6.67 纳秒，而控制器内则有浮点处理单元集成，使得处理浮点数的效率显著提升。与此同时，能够对输入信号的频率进行准确测量。扭矩传感器的信号与脉冲编码器信号可在处理信号调理电路以后向DSP 模块输入，进而采集两路信号，对输入扭矩和主轴转速进行计算。

ARM 处理器能够有效管理数据并实现人机交互等多项功能，在实际运行期间，可支持多个通信接口与电阻式的触摸屏，使得用户更好地控制并操作仪表。以ARM 处理器平台为基础，将LINUX操作系统嵌入其中，即可更好地开发仪表的UI 界面，充分发挥仪表的功能[3]。

2 动态扭矩检测试验与数据分析

指示仪表在自校准的过程中，借助精准度较高的波形发生器可输出标准频率的方波信号。因扭矩传感器信号的输出范围在5-15千赫兹之间，将波形发生器设置成5 千赫兹、10 千赫兹、15 千赫兹，并使用指示仪表对方波信号进行采集。接入扭矩传感器以后，使用500N·m 的静重式扭矩标准机检定传感器。经试验后发现，此传感器出厂标称的准确度是0.3%，而示值的相对误差不超过0.2%，具有良好的示值重复性。

3 结语

综上所述，在对采集多个通道与多个参数标准动态扭矩检定仪器设计的过程中，协同DSP 芯片与ARM 芯片，动态化地测量扭矩，借助DSP 芯片采集运算能力与ARM 芯片的人机交互等功能，同步测量转速、转角与三个扭矩信号，计算并保存测量所得的数据信息，与智能仪表发展需求相适应，具有良好的重复性与稳定性，且体积较小，实用价值突出。