基于射頻通信技術(shù)的扭矩測試系統(tǒng)

陳篤獎 徐軼群 楊國豪

（集美大學輪機工程學院，福建廈門 361021）

1 引言

在當今，隨著造船工業(yè)和船舶科學技術(shù)的迅速發(fā)展，對船舶機動性的要求越來越高，因而對船舶動力系統(tǒng)的動態(tài)性能指標要求越高。由于其使用工況復(fù)雜，需要頻繁地進行倒車、正車、緊急剎車、快速起動、突然加速或減速等非穩(wěn)態(tài)運行，動力裝置需承受相當大的瞬時扭矩峰值，易造成動力裝置軸系的損傷，因此對扭矩的工作狀況需要進行實時監(jiān)測[1]。此外，在柴油機修理后或者監(jiān)測機組工況和故障診斷時，精確測量軸功率又是必不可少的工作，而軸功率的測量往往要測量軸的扭矩。

傳統(tǒng)的扭矩測試方法由于不能夠?qū)Ω咚傩D(zhuǎn)的轉(zhuǎn)軸上傳感器采集到的信號通過有線連接將數(shù)據(jù)傳送到計算機上，因此都采用間接測試方法，如轉(zhuǎn)速傳感器測量方法，即通過測量轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速，進行分析并與理論計算書對比，從而推算出扭矩力；還有相位式扭矩測量方法，通過測試轉(zhuǎn)軸上固定的一對齒輪之間的相位差，從而算出相應(yīng)的扭矩值大??；此外還有通過觀測灑在轉(zhuǎn)軸上的均勻磁粉的變形情況得出扭矩力的方法。上述方法往往精度差，誤差大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格昂貴等。因此，本文提出利用電阻應(yīng)變片直接貼到轉(zhuǎn)軸上，并通過射頻無線通信的方法將傳感器采集的信號發(fā)送到上位機的思想，該方法不僅能夠直接測試扭矩力，測試精度高，數(shù)據(jù)采集準確可靠，而且具有結(jié)構(gòu)簡單，體積小，功能強大，價格便宜等優(yōu)點。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個測試系統(tǒng)主要分為數(shù)據(jù)采集端和數(shù)據(jù)接收端兩個部分，兩者之間通過無線通道進行通信。數(shù)據(jù)采集端負責采集傳感器傳送的信號并將其傳輸?shù)桨l(fā)射模塊進行發(fā)射，而數(shù)據(jù)接收端則負責接收發(fā)射模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)并進行處理，然后將其送到上位機。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

數(shù)據(jù)采集端由傳感器、放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、微處理器（單片機）及無線發(fā)射模塊組成。軸受力時產(chǎn)生的扭矩力經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)放大器適當放大后送往A/D轉(zhuǎn)換器。A/D轉(zhuǎn)換器將放大后的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后經(jīng)微處理器進行控制處理后送往無線發(fā)射模塊打包發(fā)出。數(shù)據(jù)接收端由無線接收模塊、微處理器及主控計算機組成。數(shù)據(jù)接收端收到采集端發(fā)送的數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)按照通信協(xié)議拆包，取出有效數(shù)據(jù)并通過串口發(fā)送給計算機，由計算機對采集到的數(shù)據(jù)進行分析和處理。

3 關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)

3.1 傳感器及其電路

在本文中，采用電阻應(yīng)變片作為傳感器來對轉(zhuǎn)軸的力矩進行測試。電阻應(yīng)變片根據(jù)電阻變化率R/R△與應(yīng)變成線性關(guān)系的原理來對扭矩進行測量，它具有頻率范圍寬、頻響特性好，靈敏度高，增益倍數(shù)大等優(yōu)點[2]。

圖2 應(yīng)變片在轉(zhuǎn)軸上的粘貼

當軸在扭矩作用下發(fā)生變形時，兩個主應(yīng)力分別與軸成 45°和 135°夾角，此時，貼于軸上的電阻應(yīng)變片亦產(chǎn)生變形，從而引起電阻值的變化，其變化大小與貼片處軸的平均應(yīng)變成正比[3]。由于轉(zhuǎn)軸在受到扭力作用時，中間部分是最脆弱的部分，也是最容易斷裂的部分，因此，為了提高測量的靈敏度及可靠性，本測試系統(tǒng)在中間軸上分別以 45°和 135°沿軸線頂角貼好兩組應(yīng)變片（圖2）。然后把兩組應(yīng)變片的8根引線點焊到接線端子，組成電橋，再將平衡橋路的4個結(jié)點正確接到發(fā)射部分的電路上面。

3.2 數(shù)據(jù)采集技術(shù)

由于傳感器傳輸?shù)碾妷盒盘栃?，一般為幾毫伏左右，而且傳輸?shù)氖悄M量信號，所以傳感器傳輸?shù)男盘栆?jīng)過放大器進行信號放大并通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后將其采集到微控制器內(nèi)部，這里 A/D轉(zhuǎn)換器選擇美國半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的ADC0808芯片，微控制器采用Intel公司生產(chǎn)的MCS-51系列單片機中的8031。

圖3 ADC0808與微控制器8031連接圖

圖3為A/D轉(zhuǎn)換器與8031的連接電路圖，在上圖中，ADC0808轉(zhuǎn)換器的片選信號由 P2.7線選控制，當8031產(chǎn)生WR寫信號時，則由一個或非門產(chǎn)生轉(zhuǎn)換器的啟動 START和地址鎖存信號 ALE（高電平有效），同時將地址總線送出的通道地址 A、B、C鎖存，模擬量通過被選中的通道送到A/D轉(zhuǎn)換器，并在START下降沿時開始逐位轉(zhuǎn)換，當轉(zhuǎn)換結(jié)束時，轉(zhuǎn)換結(jié)束信號EOC變高電平。經(jīng)反相器可向CPU發(fā)中斷請求，當8031產(chǎn)生RD讀信號時，則由一個或非門產(chǎn)生OE輸出允許信號（高電平有效），使A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果讀入8031單片機[4]。

3.3 無線通信及軟件設(shè)計

nRF401的應(yīng)用電路如圖4所示。

圖4中，如果nRF401處于發(fā)射狀態(tài)，則通過單片機控制，使得 TXEN=0，CS=0，PWR-UP=1；如果 nRF401處于接收狀態(tài)，則設(shè)置單片機，使TXEN=1，CS=0，PWR-UP=1。圖中DI接口為芯片的串行數(shù)據(jù)輸入接口，它要接到單片機的TXD口，而DO為芯片的串行輸出口，接到單片機的RXD口，完成數(shù)據(jù)的串行接收與發(fā)送。[5]

圖4 nRF401應(yīng)用電路圖

單片機一上電就先初始化系統(tǒng)和串口，然后進入待機模式，一旦串口中發(fā)生中斷，單片機就轉(zhuǎn)換工作模式，處理中斷程序。下面是數(shù)據(jù)接收和發(fā)送的部分程序代碼：

接收數(shù)據(jù)：

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)采用高集成度無線收發(fā)一體芯片nRF401作為無線傳輸芯片，大大減少了系統(tǒng)的體積，降低了系統(tǒng)功耗，降低了系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計的難度。本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，具有通用性，可以嵌入到各種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、遙控遙測系統(tǒng)中，為低成本實現(xiàn)無線通信提供了一套解決方案。

[1]胡賓, 劉偉等. 動力裝置軸系動態(tài)扭矩直接測試方法研究[J]. 柴油機, 2005, 27(2).

[2]康魯杰,楊繼紅. 電阻應(yīng)變片的選用[J]. 科技應(yīng)用,2004年, 33(6).

[3]甘少煒,范世東等. 船舶柴油機軸功率測量系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 船海工程, 2006, (1).

[4]萬福君,潘松峰等. 單片微機原理系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用[M]. 北京: 中國科學技術(shù)大學出版社, 2003年7月.

[5]郎為民. 射頻識別(RFID)技術(shù)原理與應(yīng)用[M]. 北京:機械工業(yè)出版社, 2006年6月.