基于NFC的無源無線扭矩測量系統(tǒng)*

趙永峰，王 玉，賴富文，王文廉*

(1.中北大學儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西 太原 030051；2.中北大學電子測試技術國家重點實驗室，山西 太原 030051；3.中國人民解放軍 63853部隊)

扭矩在動力學中占有舉足輕重的地位，是工業(yè)動力傳遞的重要參數(shù)之一，所以扭矩的精準測量顯得尤為重要。目前，測量扭矩的方法多種多樣，大致分為有線測量和無線測量，不論是有線還是無線測量，都面臨一些大大小小的問題。

有線測量要避免的一大難題就是彈性軸在轉(zhuǎn)動的過程中導線的處理。目前的處理方式是加入一個集流環(huán)，弾性軸轉(zhuǎn)速低的情況下有較好的性能，但是當弾性軸轉(zhuǎn)速偏高時，集流環(huán)與弾性軸之間的摩擦損耗引起接觸電阻變化，產(chǎn)生噪聲干擾和零漂，對信號有很大的影響，導致采集到的數(shù)據(jù)誤差較大[1]。

無線測量不論是弾性軸轉(zhuǎn)速快慢，都有很好的測量精度，優(yōu)于集流環(huán)式；但是目前的無線測量系統(tǒng)包括信號放大電路、調(diào)理電路、射頻發(fā)射電路、射頻接收電路、電源管理電路和調(diào)制解調(diào)電路，整個系統(tǒng)電路復雜，價格昂貴，檢修困難[2-4]。

為了使測量系統(tǒng)達到更高的集成度和測量精度，采用NFC(近場通信)技術作為無源無線扭矩測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸媒介。NFC技術是由非接觸式射頻識別(RFID)演變而來，NFC采用電磁耦合感應技術，電磁場頻率是13.56 MHz，讀寫控制端用13.56 MHz信號激勵天線，產(chǎn)生磁場，通過近場耦合，將能量傳遞給目標，目標對磁場進行調(diào)制，將數(shù)據(jù)返回給發(fā)起設備完成通信；NFC技術憑借其通信穩(wěn)定、傳輸速率快、建立聯(lián)系時間短、受環(huán)境影響小等優(yōu)勢發(fā)展迅猛，一枚0.4 cm×0.4 cm的NFC芯片已經(jīng)在內(nèi)部集成了微型MCU、信號放大電路、調(diào)理電路、射頻發(fā)射電路、電源管理電路和調(diào)制解調(diào)電路，此外還有能量收集功能，為外部傳感器供電[5-11]。目前國內(nèi)外對NFC多處于靜態(tài)標簽的研究應用，無傳感器，多采用其ISO14443A/B協(xié)議做身份識別以及儲存固定信息；本系統(tǒng)采用其ISO15693協(xié)議，連接傳感器，實現(xiàn)動態(tài)數(shù)據(jù)傳輸。

基于NFC的無源無線扭矩測量系統(tǒng)采用經(jīng)典的應變式扭矩測量法，將箔式應變計柵絲方向與弾性軸圓柱面的母線呈45°或135°方向，每隔90°位置粘貼1片應變計，共粘貼4片組成全橋電路，當弾性軸受扭時，應變計產(chǎn)生形變，應變計電阻的變化通過電橋輸出與外加扭矩成正比的電壓信號，通過計算便可得到外加扭矩的大??；應變式扭矩測量法電路設計簡單、測量精度高，一直在廣泛使用[12-14]。

1 系統(tǒng)設計

1.1 系統(tǒng)工作原理

圖1描繪了基于NFC的無源無線扭矩測量終端的工作原理。一共分為五個部分，包括NFC天線、NFC芯片(RF430FRL152H，ISO15693協(xié)議)，調(diào)諧匹配電路、濾波放大電路以及全橋采集電路。將讀寫控制系統(tǒng)的天線靠近測量終端的天線，通過電磁耦合，終端系統(tǒng)被激活，經(jīng)過極短暫的時間后兩者建立連接完成；讀寫控制器通過空中編程的方式發(fā)送指令給測量終端，啟用內(nèi)部14-Bit Sigma-Delta ADC(SD14)、16-bit CRC、2KB-FRAM、Amplifier以及Power Supply System(包括能量收集功能)；當轉(zhuǎn)動弾性軸，恒流源式全橋采集電路采集輸出電壓，采集到的電壓信號經(jīng)放大濾波后由SD14(VREF＝0.9 V)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量存在FRAM中，讀寫系統(tǒng)通過向終端發(fā)送循環(huán)讀取指令來訪問FRAM中的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給PC端進行數(shù)據(jù)直觀反映。

圖1 NFC無源無線扭矩測量系統(tǒng)原理圖

1.2 NFC系統(tǒng)設計

NFC系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的核心，因此先設計完整的NFC系統(tǒng)來保證通信的穩(wěn)定性。

圖2是NFC系統(tǒng)電路圖，除了NFC芯片及其外圍電路外還有放大濾波電路。系統(tǒng)使用二階放大電路，第一階是NFC芯片內(nèi)部提供最大8倍的放大電路，第二階放大電路采用超低功耗低噪聲精密儀表放大器INA333，該芯片最大偏移電壓25μV，工作電壓1.8 V，靜態(tài)電流50μA，最大增益1 000，軌到軌輸出，能保證出色的精度。

圖2 NFC系統(tǒng)電路圖

1.3 NFC天線設計

NFC工作在13.56 MHz，屬于HF波段，需要使用線圈環(huán)路天線。線圈天線最重要的參數(shù)是其等效電感值，為了更好的匹配電容，其值通常在0.5μH~3.0μH之間。在設計天線之前通常先規(guī)劃好預設計天線的形狀、尺寸、線寬和圈數(shù)等，利用經(jīng)驗公式計算出等效電感值，再利用HFSS軟件仿真，之后設計出實際天線用矢量網(wǎng)絡分析儀測量實際電感值。

預設一塊矩形天線，如圖3所示:匝數(shù)N＝6、平均寬度w＝37 mm、平均高度h＝19 mm、軌跡寬度a＝0.5 mm、真空磁導率μ0＝4×10-7H/m、校正因子p＝1.8，根據(jù)經(jīng)驗公式:

圖3 矩形天線

計算出等效電感值Lest＝1.776μH，符合設計要求。

圖4為HFSS對預設天線的阻抗仿真圖，13.56 MHz頻率下的阻抗值 為:Z＝(1.436 2＋j151.563 4)Ω，計算出仿真天線的電感值為:Lsim＝1.779μH，可以發(fā)現(xiàn)Lsim和Lest相差非常小。

圖4 天線仿真阻抗值

按照預設天線尺寸做成實際的PCB天線，如圖5所示，使用矢量網(wǎng)絡分析儀測量實際天線，Smith圓圖在光標‘1’對 應13.56 MHz的 電 感 值 為Lreal＝1.840μH，與Lest、Lsim均相差很?。籗mith圓圖在光標‘2’對應天線的自諧振點，頻率為70.156 MHz，可推出天線的寄生電容CPara＝2.797 pF，已知NFC芯片的輸入電容為Cin＝35 pF，由公式:

圖5 矢量網(wǎng)絡分析儀實測的Smith圓圖

計算出需要匹配的諧振電容為CRES＝37.072 pF，以此構建諧振匹配電路。

1.4 應變系統(tǒng)設計

應變系統(tǒng)包括弾性軸和應變計。

選取一截直徑20 mm、長30 cm的45＃實心鋼柱作為弾性軸，根據(jù)公式:

計算出所選弾性軸可承受最大安全扭矩為M＝161 N·m。(D為弾性軸的直徑、Wp為軸截面的抗扭模數(shù)、M為軸上扭矩、[]為最大許用應力、τmax為軸截面上的最大剪應力、δ0.2為屈服強度、ns為安全系數(shù)取2)

弾性軸受扭發(fā)生應變時，橫截面會受到剪應力，這個力在軸中心處為零，在軸表面最大，因此如何粘貼應變計變得很重要。如圖6所示，將阻值為1 kΩ的箔式應變計柵絲方向與弾性軸圓柱面的母線呈45°或135°方向，每隔90°位置粘貼1片應變計，共粘貼4片組成全橋電路；此全橋電路有溫度補償功能，可消除導線的溫度影響，可消除彎曲應變，可消除壓縮(拉伸)應變，輸出精度是橋式單臂電路的4倍。根據(jù)廣義胡克定律:

圖6 應變計粘貼圖

式中:σ1＝τmax、ε1＝ε3＝-ε2＝-ε4得到剪應力和應變的關系:

結合公式:

推出扭矩與電阻變化量的關系:

式中:E為弾性軸的彈性模量、μ為弾性軸的泊松比，可知扭矩可以通過應變計電阻的變化來測量。

2 系統(tǒng)標定

首先要對終端系統(tǒng)進行實驗標定，根據(jù)應變計的測量原理可知其有效性對靜態(tài)和動態(tài)負載都相同，所以采用靜態(tài)試驗標定法。如圖7所示將弾性軸的一端固定防止自由旋轉(zhuǎn)，使用一根質(zhì)量均勻臂桿固定在弾性軸的一端，并使臂桿呈水平狀態(tài)，臂桿下掛精準砝碼，通過外加機械構件發(fā)生轉(zhuǎn)動產(chǎn)生可控扭矩，施加扭矩包括臂桿長度與砝碼重力的向量積以及臂桿自身重力產(chǎn)生的扭矩，通過增加/減少砝碼來增加/減少所施扭矩，利用讀寫控制端實時讀取輸出電壓的值，記錄所施加扭矩大小及其對應的輸出電壓值。

圖7 靜態(tài)標定示意圖

為了保證測量終端系統(tǒng)能與讀寫控制端實時保持穩(wěn)定通信，用吸波材料(鐵氧體膜)來減小金屬的渦流效應。NFC系統(tǒng)與讀寫控制端的最大感應距離是10.5 cm，最大穩(wěn)定通信距離是9.5 cm；當與弾性軸和橋式電路組成測量終端后，如圖8，測量系統(tǒng)PCB與讀寫控制端最大穩(wěn)定通信距離是4.5 cm。

圖8 標定實驗照片

3 實驗與數(shù)據(jù)分析

采用直徑10 mm、長100 cm的45號鋼柱作為均勻力臂杠桿，力臂杠桿自身重力產(chǎn)生的扭矩要計算在內(nèi)(12.5 N·m)。測試時，通過增加砝碼的個數(shù)實現(xiàn)扭矩的加載，通過相反過程來實現(xiàn)扭矩的卸載，以200 g的砝碼為間隔進行15個點的標定(量程42.5 N·m)。從讀寫控制端記錄對應的輸出電壓值，重復三次實驗，將每個標定點的實驗數(shù)據(jù)取平均值[15-16]。實驗數(shù)據(jù)如表1。

表1 實驗數(shù)據(jù)(輸出電壓)

將三次實驗輸出電壓的‘總均值’輸入MATLAB作為縱坐標，將理論標準扭矩作為橫坐標，如圖9(a)所示，利用最小二乘法得到扭矩和輸出電壓值的擬合特性曲線為:y＝13.697 7x＋165.560 0，x表示扭矩，y表示輸出電壓值。將輸出電壓根據(jù)擬合曲線轉(zhuǎn)化為扭矩，轉(zhuǎn)化結果如表2。

圖9

表2 實驗數(shù)據(jù)(測量扭矩)

分析、計算和評估扭矩測量系統(tǒng)的各項指標如下:

用MATLAB分別描繪實驗數(shù)據(jù)的線性度、遲滯性和重復性如圖9(b)、9(c)和9(d)通過分析和計算可知此測量系統(tǒng)各項性能指標均符合規(guī)范，不僅結構和選材得當，而且具有高測量精度。

4 結論

本文通過對目前扭矩測量系統(tǒng)的研究分析和總結，提出了基于NFC的無源無線扭矩測量系統(tǒng)，通過對系統(tǒng)的構建設計、仿真調(diào)試、實驗和數(shù)據(jù)分析驗證了系統(tǒng)的可行性。本系統(tǒng)通過NFC技術作為扭矩測量的媒介，在保證數(shù)據(jù)通信穩(wěn)定和快速的前提下不僅避免了傳統(tǒng)有線扭矩測量系統(tǒng)磨損帶來的較大誤差，而且因其高度集成化在電路結構上優(yōu)于一般的無線扭矩測量系統(tǒng)?；贜FC的無源無線扭矩測量系統(tǒng)不僅無線，而且無源，在某些特殊環(huán)境中可以長期使用，解決更換電池的不便。