基于SOC和无线传输的扭矩仪的研制

　　扭矩又称转矩,是一个常见而重要的物理量,在现代化工业生产和科学实验中有关扭矩的检测非常普遍。从测量原理上来看,目前主流的扭矩仪可分为:应变型、相位差型、磁弹性型。应变型扭矩仪结构简单,频响高,得到了广泛的应用。本文介绍的扭矩仪是应变型的。

　　应变型扭矩仪是根据电阻应变原理,把弹性体受扭矩产生的变形转换成与其成线性关系的电信号,从而来完成对扭矩的测量。对旋转件上扭矩信号的测量、电源供给和信号输出是其必须解决的一个特殊问题。早期的产品采用集流环和电刷来解决这个问题[1]。在这种方式中,接触部位的摩擦阻力和接触零件的磨损会产生误差,且工作转速愈高,该缺点愈严重。因此,随着各种机械的高速化发展,该种方式逐渐被淘汰。

　　近几年来,也出现了采用线圈耦合供电和无线遥测方式的扭矩仪。其工作原理是先对信号进行电压/频率变换,然后将转换后的频率信号通过无线调制的方式输出。整个测量过程,只是一个简单的变换过程,其转换精度、噪声的抑制难以保证。在基于SOC(system on chip)和无线传输研制的扭矩仪中,采用SOC芯片将信号放大、A/D转换与敏感弹性元件集成于一体,在转轴上实现对扭矩信号的智能化采集,从而使得测量精度、测量灵活性有了较大的提高和扩展;通过全球开放的2. 4 GHz频段将量化数据传送,接收装置界面友好,多种输出信号模式与用户系统连接简单方便。

　　1　系统总体设计

　　基于SOC和无线传输扭矩仪的总体方案如图1所示,由采集模块和接收模块两大部分组成。采集模块是整个扭矩仪的核心部分,该模块由应变电桥、信号调理单元、数据采集单元、无线传输单元4部分组成。采集模块固定在转轴上,随转轴一起转动,完成对扭矩信号的采集、处理和发送。接收模块固定在转轴套筒上,不随转轴转动。接收模块接收采集模块发送出来的数据,并在前面板上显示,同时以频率信号、4~20 mA电流环、脉宽调制和RS2485直接数字码4种形式输出信号,提供与用户系统多样化的接口。

　　2　采集模块设计

　　采集模块用高效能的锂电池供电,可以避免采用线圈耦合供电时带来的交流干扰。应变电桥输出的模拟信号经过调理电路的放大、滤波及极性转换后送入SOC芯片C8051F002[2], C8051F002对信号进行第二级放大、A/D转换及数据的修正和处理后,封装成数据包由RF单元以2. 4 GHz的高频载波发送。

　　2. 1　电源管理

　　采集模块采用4. 2 V锂电池并联供电,体积小,供电能力强,大大增加系统的持续工作时间。电池供电的系统中,系统低功耗的设计尤为重要。为了降低功耗,系统设计成在3 V的低电压下工作,电源芯片TPS76903将电池的4. 2 V供电转换成满足电桥供电和模拟、数字电路正常工作的3 V。电源设计如图2所示。