基于单片机的扭矩测量技术研究

　　扭矩测量在各种机械产品的开发研究、质量检验、安全和优化控制等工作中是必不可少的内容。它不仅包括对扭力轴扭矩的测试,也包括对多种传动装置中旋转轴的扭矩测试。

　　扭矩测试的方法多种多样,有传统的贴应变片的方法,有各种光学、光电子学、磁学、电磁学等测试方法,以及各种相位和数字测试方法等。而扭矩传感器是一种重要的传感器,广泛应用于轧钢、汽车以及其它机械产品中,以优化动力驱动传动系统和实现智能控制。

　　随着各种系统的自动化程度和复杂性的提高,需要获取的信息越来越多,对传感器的精度、可靠性和响应速度提出了越来越高的要求。在旋转动力传递系 统中,最棘手的问题是旋转体上的应变桥的电压输入及检测到的应变信号输出如何可靠地在旋转部分与静止部分之间传递。用普通的有线电缆引出信号就可能无法满 足要求或者根本无法实现,而通常的做法是用导电滑环来完成,但是使用导电滑环限制了旋转轴的转速,导电滑环的使用寿命也较短。同时,由于接触不可靠引起信 号波动,因而造成测量误差增大甚至测量不成功[1-2]。

　　为了克服导电滑环的缺陷,所研制的传感器扭矩测量系统采用了无线遥测的方法,设计完成了扭矩传感器的无线数据采集系统,可以对扭矩传感器采集的数据进行无线传输,并做到了扭矩信号的传递与旋转与否无关,与转速大小无关,与旋转方向无关。

　　1　扭矩测量系统的工作原理及性能设计

　　考虑到许多扭矩测量的工作环境恶劣,测量系统的外壳需要防爆设计,安装在旋转轴上的无线发射信号将会被壳体完全屏蔽,外部无法接收,所以研制的 扭矩测量系统运用了局部的无线传输,其组成包括4部分:1)安装于旋转轴上的扭矩测量、无线数据发射电路,如图1;2)固定于壳体上的转速测量、无线数据 接收、串口通讯电路,如图2;3)固定于地面的数据接收、处理、显示装置,如图3;4)旋转轴上测量电路的感应供电装置,如图4[3]。

　　系统的工作原理:扭矩传感器将扭矩信号转化成电信号,经放大器放大后送入A/D转换器,单片机控制A/D转换器将采集的模拟信号转换成数字信号,通过发射模块发送出去。接收端接收到信号后进行分析处理,得到正确的扭矩数据,把数据送到上位机监测软件显示数据。

　　2　系统硬件电路设计

　　系统采取模块化的电路设计思想,包括电源电路、放大电路、A/D转换电路、单片机主体电路、无线发射电路、无线接收电路、RS232串口通讯电 路。这套测试系统在满足测试要求的同时兼顾了系统的成本,做了如下器件的选型:单片机,选用了ATMEL公司的AT89S52单片机;A/D转换,采用 16位Σ―Δ(电荷平衡式)A/D转换器AD7705;无线收发模块,采用了NORDIC公司的nRF2401单片射频收发芯片;直流/交流模块,采用 NE555芯片产生方波,用于无线感应供电。