一种在役球磨机传动轴扭矩的无线测量装置研制

　　扭矩是反映机械传动系统工作状态的重要参数，扭矩的测量对于机械设备的运行状态检测具有重要的实际意义。针对在役球磨机的状态监测，设计并研制了一种无线传输方式的传动轴扭矩测量系统。对现役设备进行扭矩测量，由于被测轴的不可拆卸而存在困难，作者采用应变式测量原理。首先确定系统方案，选择传感器，并设计了信号调理电路; 其次，设计了信号采集与无线传输模块; 最后，对所研制的应变式扭矩测量装置进行了灵敏度标定。

　　1 扭矩测量装置的总体方案

　　针对机械装置的扭矩测量，技术成熟且应用广泛的有磁电相位差型、磁弹性型、钢弦型、应变型等。其中，应变式传感器最适用于针对在役设备的扭矩测量，无需对原结构进行改造。因此，文中采用电阻应变片式测量原理。

　　电阻应变片式测量系统的体积小、质量轻，可直接粘贴在被测轴上，不需要改变原有传动系统的结构，适用于在役设备的运行参数在线监测; 而且测量范围大，能够从弹性变形测至塑性变形; 频率响应好，可测量静态到数千赫兹的动态应变。

　　如图1 所示，采用全桥应变电桥接线方式。

　　B、D 两点的不平衡电压与扭短间的关系为:

式中: UBD为B、D 两点的不平衡电压差 ( V) ; UAC为电桥激励电压 ( V) ; T 为扭矩 ( N·m) ; μ 为材料的泊桑 比; K为应变片的灵敏度; d 为轴的直径( mm) ; E 为材料的弹性模量。电桥输出电压 UBD为毫伏级的微弱信号，因此需要设计相应的放大电路。考虑在线监测扭矩时旋转轴上不方便布置有线传感器的信号线，采用无线信号传输方式。如图2 所示为信号采集与传输系统的总体方案。

　　信号采集与无线传输系统总体方案主要包括以下3 个部分:

　　( 1) 传感器。由与轴线成 45°和 135°的4 个应变片组成，按全桥方式接线;

　　( 2) 信号放大电路。采用精密仪表放大器INA125 芯片;

　　( 3) 信号采集与无线传输系统。采用基于 Zigbee技术的 CC2430 射频芯片。

　　2 信号调理放大电路模块的设计

　　采用精密仪表放大器 INA125 芯片进行应变信号的调理。INA125 芯片的共模抑制比高，在增益为100时，共模抑制比达 100 dB; 而且输入阻抗高达1 011Ω; 输出阻抗低至10 mΩ; 并且可为电桥的激励提供精准的参考电压。

　　所设计的放大电路如图3 所示。假设测量应变的范围: ±1. 0 ×10^{- 3}ε，应变片灵敏度为2，则其阻值变化范围是120 ±0. 24 Ω，在四臂全桥的结构下，其电压输出范围为-8 ～ 8 mV。通过调节放大电路的增益，使其输出约为4 V。并设计放大电路的通频带宽为500 Hz。实际电路见图4。