工程車輛無線扭矩測試系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

孫 玥

（上海巖土工程勘察設(shè)計研究院有限公司天津分公司，天津 300000）

如今，工程車輛多種多樣，在動力傳遞過程中，機械設(shè)備傳動系統(tǒng)的傳動軸必須承受扭矩驟變、過載運行、高振幅振動和沖擊的不利影響。實現(xiàn)傳動軸、半軸的扭矩檢測，有利于確保施工和生產(chǎn)設(shè)備的安全穩(wěn)定運行。在工程測試和產(chǎn)品開發(fā)的過程中，有利于優(yōu)化測試產(chǎn)品的性能，實現(xiàn)對設(shè)備的控制和管理。在車輛的運行過程中，半軸高速旋轉(zhuǎn)、安裝空間狹小、振動沖擊較大以及油污高溫環(huán)境，不適合采用體積較大、在線式傳輸?shù)呐ぞ貍鞲衅?。隨著MEMS、射頻技術(shù)的發(fā)展，集成電路制造技術(shù)日趨成熟，無線射頻收發(fā)器芯片種類越來越多，而且集成度越來越高，尺寸小巧的無線扭矩測試系統(tǒng)是目前需要的扭矩監(jiān)控方案。

1 扭矩測量技術(shù)的發(fā)展

扭矩是各種機械傳動軸的基本載荷形式，扭矩分為靜態(tài)扭矩和動態(tài)扭矩。半軸輸出的扭矩是一種動態(tài)扭矩。扭矩傳感器已廣泛應(yīng)用在現(xiàn)代測量。當(dāng)前，國內(nèi)外扭矩傳感器種類繁多，從原理上講，主要有壓磁式、轉(zhuǎn)角相位差式和應(yīng)變式等測量方法。每種方法都有其一定的適用范圍和優(yōu)缺點，其中應(yīng)變式測試是發(fā)展最成熟、應(yīng)用最廣泛、最成熟的測量方法之一。

近年來還有一些扭矩測量技術(shù)出現(xiàn)，如無線無源聲表面波測量、光纖式和電容式扭矩測量技術(shù)。無線無源聲表面波式又叫SAW傳感器，通過雷達技術(shù)測量軸變形前后被反射的SAW波的相速度的變化來測量扭矩。

2 無線扭矩測試系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1 無線扭矩測試系統(tǒng)的組成

無線扭矩測試系統(tǒng)是一套涵蓋多門測試技術(shù)的綜合性系統(tǒng)，涉及傳感器技術(shù)、應(yīng)變電測技術(shù)、射頻通信技術(shù)以及數(shù)字信號處理等多個學(xué)科。無線扭矩測試系統(tǒng)由傳感器、無線發(fā)射模塊、接收調(diào)理模塊和上位機軟件四部分組成。系統(tǒng)的發(fā)射器采用電池供電方式，這樣的設(shè)計主要為縮小無線發(fā)射器的體積，來滿足多種車型不同尺寸的半軸測試。測試系統(tǒng)的傳感器部分采用電阻應(yīng)變片來測扭矩信號。無線發(fā)射模塊采用2.4GHz短距離無線通信技術(shù)，其傳輸頻率為2.4GHz，而且該類型芯片種類較多，最后選擇nRF24L01無線傳輸模塊發(fā)送和接收數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)采集卡選用國家儀器NI公司的多通道采集模塊NI9205，上位機使用LabVIEW作為開發(fā)平臺。

2.2 無線扭矩測試系統(tǒng)的工作框圖

無線扭矩測試系統(tǒng)整體由兩部分組成：靜止部分和旋轉(zhuǎn)部分。旋轉(zhuǎn)部分如何與靜止部分進行通信，以及旋轉(zhuǎn)部分如何設(shè)計可謂系統(tǒng)設(shè)計的難點。發(fā)射器需要固定在旋轉(zhuǎn)軸上跟著軸一起旋轉(zhuǎn)。軸支持的最高轉(zhuǎn)速和發(fā)射器能承受的離心力大小，以及發(fā)射器可測試的軸直徑和傳輸?shù)届o止部分的距離都是人們需要考慮的因數(shù)。本課題的無線扭矩測試系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖1所示。

圖1 無線扭矩測試系統(tǒng)工作流程

無線扭矩測試系統(tǒng)的工作流程：無線扭矩測試系統(tǒng)的橋路激勵由可長時間工作的內(nèi)置電池提供，發(fā)射器固定在旋轉(zhuǎn)軸上。扭矩電阻應(yīng)變片輸出的微小電壓信號經(jīng)放大、平滑濾波、A/D轉(zhuǎn)換后經(jīng)發(fā)射模塊通過射頻傳輸由內(nèi)置天線傳輸?shù)届o止部分的接收天線。信號調(diào)理模塊將接收的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為高帶寬的模擬電壓信號。數(shù)據(jù)采集卡采集并存儲電壓值，由上位機軟件實時顯示和分析。

2.3 數(shù)據(jù)采集模塊和上位機軟件

上位機軟件搭載在NI的數(shù)據(jù)采集板卡。筆者選用NI-9205數(shù)據(jù)采集卡，它支持32通道的信號采集、USB通信、可以直接由上位機電腦供電。上位機采集軟件使用程序設(shè)計語言Labview來開發(fā)實現(xiàn)，完成實時數(shù)據(jù)波形顯示、信號強度指示、參數(shù)配置、濾波器選擇、采樣頻率設(shè)置、數(shù)據(jù)保存和數(shù)據(jù)回放等功能。

上位機軟件按主要功能可分為參數(shù)配置模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲及回放模塊和濾波模塊。主要功能模塊又包含實現(xiàn)具體功能的單一功能模塊，從而實現(xiàn)需求的各項功能。軟件采用良好的操作界面，操作簡便、數(shù)據(jù)顯示直觀、形象，各模塊間有必要的連鎖，保證軟件在可控的流程下工作。

3 系統(tǒng)關(guān)鍵模塊的詳細設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 無線發(fā)射模塊

首先考慮到發(fā)射模塊的體積要足夠小，目前市場上的半軸的直徑尺寸在20mm以上，弧形的設(shè)計可以很好地與半軸貼合，而且可以很好地固定。目前無線發(fā)射器需要的軸向尺寸為50.8mm，垂向高度19.8～20.1mm。這樣只要有2cm的安裝空間就可以實現(xiàn)測量。

3.2 放大電路方案

扭矩電阻應(yīng)變片輸出毫伏級電壓信號，為了減少噪聲和干擾，必須先放大應(yīng)變電橋產(chǎn)生的mv信號。筆者選擇PGA309來實現(xiàn)，PGA309是一個款可將差分信號進行編程的調(diào)節(jié)器，不僅放大了應(yīng)變片輸出的扭矩信號，并且為零點測量范圍、零點漂移、測量范圍漂移和線性誤差提供了精確的數(shù)字校準。外部校準參數(shù)存儲在非易失性存儲器中，為避免手動微調(diào)，保證長時間穩(wěn)定輸出。左上角為ADI的電壓參考芯片，可以提供校準，保證輸出一個穩(wěn)定的參考電壓。

3.3 無線收發(fā)模塊

目前市面上無線傳輸芯片和控制芯片種類較多。MSP430單片機具有可靠性高、功耗低、體積小、價格低和使用方便等優(yōu)點，NRF系列芯片外圍部件少、集成度高、功耗低，而且NRF24L01芯片可以連接各種單片機芯片。考慮到發(fā)射器要尺寸小，而芯片需成本低且電池供電低能耗，筆者采用MSP430單片機來做控制，NRF24L01芯片作為無線扭矩測試系統(tǒng)的射頻芯片。此款芯片內(nèi)部包含頻率發(fā)生器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器、解調(diào)器和增強型“SchockBurst”模式控制器等功能模塊。

3.4 開發(fā)環(huán)境

無線扭矩測試系統(tǒng)集射頻通信技術(shù)、應(yīng)變電測技術(shù)、信號處理技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為一身。Windows 7是上位機軟件所用操作系統(tǒng)，開發(fā)環(huán)境是LabVIEW 2015。LabVIEW是一種圖形化編程語言。它用圖標代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序。傳統(tǒng)文本編程語言根據(jù)語句和指令的順序確定執(zhí)行順序，而LabVIEW采用數(shù)據(jù)流編程，程序框圖中節(jié)點之間的數(shù)據(jù)流決定了程序執(zhí)行順序和VI功能。VI是指LabVIEW的程序模塊。

LabVIEW集成了信號采集、測量、分析和數(shù)據(jù)顯示等一系列功能，摒棄了傳統(tǒng)開發(fā)工具的復(fù)雜性，同時提供了強大的測控功能，保證了系統(tǒng)的靈活性。LabVIEW在同一個環(huán)境中集成了數(shù)據(jù)采集、分析與顯示功能，使得測試工程師能夠高效地集成一套完整的測試應(yīng)用系統(tǒng)。

4 無線扭矩測試系統(tǒng)的測試和驗證

扭矩標定試驗臺架通過一個高精度的在線扭矩傳感器來控制扭矩的輸入，保證輸出的扭矩是一個恒定的扭矩值。筆者采用取點法加擬合直線的方法來計算傳感器系統(tǒng)的線性度和靈敏度。常規(guī)半軸的測試輸出扭矩在0～900N·m，在這個范圍內(nèi)選取10個輸入點，采集并記錄無線扭矩測試系統(tǒng)的輸出。測試數(shù)據(jù)通過最小二乘法線性擬合，得出無線扭矩測試系統(tǒng)的輸出線性度良好，如圖2所示。

從圖2可以看出，系統(tǒng)的靈敏度為88.793（N·m）/V。本課題設(shè)計的無線扭矩測試系統(tǒng)的偏差最大的點在100N·m輸入值附近，根據(jù)線性度計算公式可以得出，系統(tǒng)的線性度為0.77%，考慮到重復(fù)性和安裝因素的影響，測試系統(tǒng)的精度在1%的精度范圍內(nèi)。

圖2 扭矩輸出擬合直線

5 結(jié)論

本課題設(shè)計的電池供電的數(shù)字化傳輸?shù)臒o線扭矩測試系統(tǒng)，經(jīng)過充分的需求分析、硬件設(shè)計和軟件開發(fā)以及對功能的細致實現(xiàn)，系統(tǒng)經(jīng)過試驗標定并在實際測試過程中取得了良好的效果，達到了課題設(shè)計的目標并已經(jīng)市場化。

當(dāng)前，成熟的無線產(chǎn)品多用于車輛傳動軸的扭矩測試，而此套系統(tǒng)是對當(dāng)前半軸扭矩測試的補充和完善。同時，一套系統(tǒng)可以支持多種車型的扭矩測試，不僅為和半軸相關(guān)的生產(chǎn)測試單位提供了測試方法，而且為企業(yè)節(jié)約了研發(fā)測試成本。本課題的核心電路還可以用于常規(guī)應(yīng)變式傳感器的采集與無線傳輸，具有良好的適應(yīng)性和性價比，有助于其更好地為整車廠提供測試服務(wù)?？梢?，無線扭矩測試具有很大的市場潛力和實際價值。

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