基于環(huán)形陣列扭矩傳感器的高精度扭矩測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

喻洪麟，陳 薇，何安國(guó)

（1．重慶大學(xué)光電技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044;2．重慶大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，重慶 400044）

0 引言

扭矩測(cè)量是研究大型機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)在各種載荷和工作環(huán)境下動(dòng)態(tài)特性的關(guān)鍵方法，受到越來(lái)越多專家與工程技術(shù)人員的高度重視。目前，國(guó)內(nèi)外采用在旋轉(zhuǎn)軸表面粘貼應(yīng)變片、涂敷磁致伸縮材料、放置壓電晶體和弦振等［1，2］方式感受旋轉(zhuǎn)軸的變形來(lái)測(cè)量扭矩，這些測(cè)量方法只是適用于一般的工程環(huán)境，當(dāng)所處的環(huán)境異常惡劣（高溫、振動(dòng)、電磁干擾等）時(shí)，這些常規(guī)的扭矩的測(cè)量方法很難獲得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)［3］。因此，國(guó)內(nèi)外眾多專家學(xué)者都致力于新型的扭矩傳感器及其測(cè)量系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與研制。

環(huán)形空間陣列扭矩傳感器是一種基于交流電磁感應(yīng)技術(shù)的非接觸式傳感器［4］，其器件和電路元件均密封于機(jī)殼內(nèi)，不受測(cè)量環(huán)境因素的影響，比較適于極端惡劣環(huán)境下扭矩動(dòng)態(tài)測(cè)量，本文針對(duì)環(huán)形空間陣列傳感測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量精度不高與噪聲干擾的問(wèn)題，結(jié)合環(huán)形空間陣列傳感器的工作原理與輸出信號(hào)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了測(cè)量系統(tǒng)框架，并利用多重相關(guān)法來(lái)降低信號(hào)干擾和求解相位差，比較適用于環(huán)形空間陣列空間傳感器，滿足極端環(huán)境下機(jī)械傳動(dòng)軸扭矩的動(dòng)態(tài)測(cè)量。

1 環(huán)形陣列器工作原理

傳感器主要由環(huán)型空間陣列和磁電式檢測(cè)器組成，如圖1所示。

圖1 環(huán)形陣列器原理結(jié)構(gòu)圖Fig 1 Structure of ring array sensor

環(huán)型空間陣列由1個(gè)非磁性不銹鋼管構(gòu)成，管內(nèi)塞滿緊密排列且特性完全相同的高精度磁性鋼球，磁電式檢測(cè)器固定在環(huán)形空間陣列外部且能屏蔽外部環(huán)境的電磁干擾，內(nèi)部固定2組特殊線圈與部分處理電路。傳感器隨軸系轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，檢測(cè)器將相對(duì)于環(huán)形球陣列運(yùn)動(dòng)。當(dāng)檢測(cè)器內(nèi)部的感應(yīng)線圈1/2/3/4運(yùn)動(dòng)時(shí)間為t時(shí)，并設(shè)某一磁性小球的球心為O點(diǎn)，此時(shí)所對(duì)應(yīng)的互感系數(shù)為

其中，ω0為軸的角速度，R為球心到轉(zhuǎn)軸軸心的距離，D為磁性鋼球的直徑，k1為常量，與ω0和激勵(lì)線圈的等效電阻與電感有關(guān)，A為互感系數(shù)產(chǎn)生的直流分量。

當(dāng)施加的激勵(lì)信號(hào)為U=U0sinωt，轉(zhuǎn)軸不受扭力時(shí)，感應(yīng)線圈輸出電壓為

其中，k2為常量，k=k1k2，從上式明顯可以看出:感應(yīng)線圈的輸出電壓是一個(gè)調(diào)幅信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行解調(diào)即可得環(huán)形陣列器旋轉(zhuǎn)t時(shí)所產(chǎn)生的位移與角度。

2 環(huán)形陣列器的測(cè)量框架

針對(duì)環(huán)形陣列器的輸出信號(hào)微弱且存在較大的干擾，系統(tǒng)采用三星公司生產(chǎn)的基于ARM920T內(nèi)核的S3C2440AL芯片，其總線采用最新的AMBA架構(gòu)，時(shí)鐘頻率高、處理速度快，能夠完成比較復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理運(yùn)算［5，6］。S3C2440AL外設(shè)接口豐富，無(wú)需再額外添加外圍擴(kuò)展器件，功耗低、簡(jiǎn)單方便，特別適合用于對(duì)成本與功率要求比較高的應(yīng)用，根據(jù)傳遞扭矩測(cè)量方法，設(shè)計(jì)出基于環(huán)形陣列器的扭矩測(cè)量系統(tǒng)如圖2所示。兩路具有相位差的調(diào)幅信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理（包括放大、整形及濾波等）轉(zhuǎn)換為適合A/D轉(zhuǎn)換器采樣的電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)多重相關(guān)器進(jìn)一步轉(zhuǎn)化和去噪，由A/D采樣，再經(jīng)微控制器控制經(jīng)串口上傳至上位機(jī)系統(tǒng)顯示。

圖2 測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig 2 Structure diagram of measuring system

該測(cè)量系統(tǒng)中，當(dāng)轉(zhuǎn)軸受到扭矩的作用時(shí)，固定環(huán)形陣列器的2個(gè)橫截面將會(huì)產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，即產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的扭轉(zhuǎn)角φ，此時(shí)表現(xiàn)為感應(yīng)線圈的感應(yīng)電壓的相位變化

考慮到扭轉(zhuǎn)角不會(huì)很大，則可以由以上兩調(diào)制信號(hào)之間的相位差φ得出旋轉(zhuǎn)軸的扭轉(zhuǎn)角，即

將上式帶入傳遞法扭矩測(cè)量公式［7］，既可以通過(guò)轉(zhuǎn)軸兩端安裝的環(huán)形陣列器輸出電壓信號(hào)的相位差又可得旋轉(zhuǎn)軸所受到扭矩值。

2．1 信號(hào)調(diào)理模塊設(shè)計(jì)

環(huán)形空間傳感器主要是利用電磁感應(yīng)原理將軸所受扭力矩的變化轉(zhuǎn)換為能用數(shù)字表征的電信號(hào)的變化，信號(hào)微弱調(diào)幅的信號(hào)，必須經(jīng)過(guò)放大、整形及相位求解后才能被轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，最終顯示在上位機(jī)顯示屏中。模擬信號(hào)的處理是影響整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)性能的重要因素之一，設(shè)計(jì)時(shí)要注意保證信號(hào)的質(zhì)量，提高信噪比，盡量減少畸變;根據(jù)采集模塊的A/D芯片設(shè)計(jì)比較合理的驅(qū)動(dòng)電路。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的調(diào)理電路運(yùn)算和濾波主要采用低噪聲、高精度芯片OPA2227，其還具有抗混疊的優(yōu)越性能，如圖3所示。圖中S1為磁電檢測(cè)器1端的模擬信號(hào)輸入，REFI和REFO構(gòu)成差分電路，經(jīng)初步處理的信號(hào)以差分方式進(jìn)入到A/D轉(zhuǎn)換模塊。

圖3 信號(hào)調(diào)理電路Fig 3 Signal conditioning circuit

2．2 A/D轉(zhuǎn)換模塊與S3C2440AL接口設(shè)計(jì)

S3C2440AL自帶8通道10位A/D轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換精度卻難以滿足本工業(yè)級(jí)測(cè)量系統(tǒng)的需要，系統(tǒng)選取TI公司24位高精度A/D轉(zhuǎn)換器ADS1274，根據(jù)采集的速度和耗能要求設(shè)置其工作模式，無(wú)需寄存器編程，數(shù)據(jù)輸出選擇SPI串行接口，便于與控制器連接。ADS1274工作溫度范圍為－40～+125℃，抗振動(dòng)，能在惡劣環(huán)境下正常工作。系統(tǒng)采用SPI接口協(xié)議和TDM動(dòng)態(tài)位置分配數(shù)據(jù)格式，系統(tǒng)中控制器與A/D芯片的接口如圖4所示。

圖4 控制器與ADS1074接口連接原理圖Fig 4 Connection principle of controller and ADS1274 interface

系統(tǒng)采用 SPI協(xié)議，ADS1274工作時(shí)時(shí)鐘最高為27 MHz，轉(zhuǎn)換頻率就高達(dá)105．469 kHz，通過(guò)設(shè)置控制器的PWM來(lái)設(shè)置 ADS1274采樣頻率，通過(guò)管腳 TOUT1為ADS1274提供時(shí)鐘信號(hào)CLK，設(shè)置ADS1274的工作模式為高速模式，則采樣頻率fs=fpwm/256。由于控制器的管腳TOUT1最高頻率為12．5 MHz，則最高采樣頻率也高達(dá)48．82 kHz。

3 多重相關(guān)法求相位差

經(jīng)過(guò)放大整形后的信號(hào)仍然是調(diào)幅信號(hào)，必須對(duì)傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行解調(diào)［7，8］，經(jīng)過(guò)解調(diào)后的傳感器感應(yīng)線圈信號(hào)為

其中，α為常量，與感應(yīng)線圈電壓與激勵(lì)線圈電壓故有相差。

經(jīng)過(guò)前期調(diào)理后的信號(hào)還會(huì)有環(huán)境噪聲、A/D量化噪聲、放大器噪聲等，如果直接求取其相位差來(lái)計(jì)算扭矩值會(huì)存在較大的誤差，會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)的測(cè)量精度，一般這些干擾信號(hào)在形式上與白噪聲非常接近，與系統(tǒng)中的有用信號(hào)相關(guān)性非常小，利用多重自相關(guān)［9］可極大地提高信號(hào)的信噪比，多次互相關(guān)則可準(zhǔn)確地提取被噪聲嚴(yán)重干擾的相位差。測(cè)量框圖如圖5所示。

圖5 多重相關(guān)法測(cè)量相位差框圖Fig 5 Block diagram of phase difference measurement by multiple correlation

傳感器的輸出信號(hào)含有交流電磁感應(yīng)產(chǎn)生的直流分量，濾除直流成分后的信號(hào)是含噪聲的調(diào)制信號(hào)，兩環(huán)形陣列器輸出的含有噪聲N（t）信號(hào)可以表示為

令K=kU0sin α，對(duì)U1取自相關(guān)運(yùn)算得

式（2）中的第一項(xiàng)是信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)，第二，三項(xiàng)是信號(hào)與噪聲以及噪聲與信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)，最后一項(xiàng)是噪聲的自相關(guān)函數(shù)。理論上，環(huán)境噪聲和采集電路噪聲都是各自具有的相關(guān)性非常弱，也即當(dāng)T趨向無(wú)窮大時(shí)，后三項(xiàng)基本趨于零，故經(jīng)過(guò)一次自相關(guān)運(yùn)算的信號(hào)可以表示為

從式（9）可以看出:信號(hào)經(jīng)過(guò)一次自相關(guān)后相位信息丟失了，而信號(hào)的幅值與頻率則可以根據(jù)解析關(guān)系計(jì)算出。但是實(shí)際上T不是趨向無(wú)窮大的，這就使得后三項(xiàng)不是完全為零的，故經(jīng)過(guò)一次自相關(guān)后的信號(hào)可以表示為

其中，N'1（t）比原來(lái)的噪聲N1（t）小很多，此時(shí)不但信號(hào)的信噪比大大提高了，也提高了信號(hào)相位差的測(cè)量精度，對(duì)兩環(huán)形陣列器輸出信號(hào)求互相關(guān)運(yùn)算

信號(hào)在取一次自相關(guān)運(yùn)算后頻率不變，相位變?yōu)榱?，噪聲大幅度減少;信號(hào)在取一次互相關(guān)運(yùn)算后頻率不變，相位差的值保留下來(lái)，同時(shí)信號(hào)噪聲也大幅度減少，干擾得到較好抑制。如再根據(jù)多重相關(guān)原理將自相關(guān)器與互相關(guān)器的各自輸出信號(hào)看成新的信號(hào)，然后依次通過(guò)多個(gè)相同的自相關(guān)器與互相關(guān)器進(jìn)行運(yùn)算，就能夠基本濾除干擾信號(hào)，極大地提高相位差測(cè)量的準(zhǔn)確度，進(jìn)而整個(gè)扭矩測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量精度也會(huì)有較大幅度的提高。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)圖2所示的測(cè)量系統(tǒng)將2個(gè)內(nèi)球直徑均為12．7 mm環(huán)形陣列傳感器安裝到的傳動(dòng)軸上，間距為1 m，并施加幅值為5V、頻率為1kHz的激勵(lì)信號(hào)，搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖6所示。

圖6 傳感器信號(hào)測(cè)試裝置Fig 6 Testing device of sensor signal

測(cè)量系統(tǒng)中ADS1274在微控制器S3C2440AL的控制下進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，采集的速率設(shè)置為20 kS/s。鑒于工程應(yīng)用的要求，一般取兩次到三次相關(guān)即可以滿足。實(shí)驗(yàn)時(shí)，保持轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速不變，連續(xù)變化所加載在轉(zhuǎn)軸上的標(biāo)準(zhǔn)扭矩值，并將采集到的相位差通過(guò)串口上傳到PC機(jī)，再經(jīng)過(guò)一系列的運(yùn)算求出所加載的扭矩值，分別記錄一次相關(guān)與二次相關(guān)所采集的相位差φ1，φ2以及其運(yùn)算后的扭矩值N1，N2部分?jǐn)?shù)據(jù)如表1所示。

為了更為直觀地反映多次相關(guān)測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，將一次相關(guān)與多次相關(guān)所得到的相差與理論相差以散點(diǎn)形式描繪，如圖7。

從圖中數(shù)據(jù)可以看出:二次相關(guān)求得的相位差比一次相關(guān)更接近理論值，表中實(shí)測(cè)扭矩值也更接近扭矩標(biāo)準(zhǔn)值，精度也相應(yīng)提高，也就是說(shuō)無(wú)需對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行硬件軟件的大規(guī)模改動(dòng)就提高了系統(tǒng)相位差測(cè)量精度，即準(zhǔn)確獲取了傳動(dòng)軸所受扭矩。表1中數(shù)據(jù)還顯示:在傳動(dòng)軸未加載扭矩時(shí)，兩環(huán)形陣列器信號(hào)之間仍有相位差，這主要是由環(huán)形陣列器的安裝位置之間有一定的距離引起的，可以歸結(jié)為系統(tǒng)誤差，通過(guò)系統(tǒng)誤差修正和數(shù)據(jù)標(biāo)定來(lái)解決，同時(shí)也說(shuō)明，該扭矩測(cè)量系統(tǒng)具有較高的靈敏度，精度也滿足系統(tǒng)要求。

表1 實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)Tab 1 Experimental measurement data

圖7 相位差數(shù)據(jù)散點(diǎn)圖Fig 7 Scatter diagram of phase difference data

5 結(jié)論

本文針對(duì)環(huán)形陣列扭矩傳感器特殊結(jié)構(gòu)與工作原理搭建一個(gè)以S3C2440AL為核心的非接觸扭矩測(cè)量系統(tǒng)，重點(diǎn)研究了環(huán)形空間陣列器的輸出信號(hào)特點(diǎn)，利用多重相關(guān)法對(duì)傳感器雙通道的信號(hào)進(jìn)行處理，降低噪聲干擾與提高相位差測(cè)量精度，進(jìn)而提高整個(gè)扭矩測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量精度，同時(shí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也表明該測(cè)量系統(tǒng)是可行的，能實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地反映傳動(dòng)軸所受扭矩的變化。此外，該測(cè)量系統(tǒng)體積小、功耗低，在震動(dòng)、高溫條件下能夠有效運(yùn)行，比較適用于惡劣環(huán)境。

［1］ 柴繼新，王恩峰，范小燕，等．幾種常見(jiàn)的電阻應(yīng)變式旋轉(zhuǎn)扭矩傳感器［J］．計(jì)測(cè)技術(shù)，2010，30（2）:34 －36．

［2］ Vega J，Ruiz M，Sanchez E，et al．Real-time lossless data compression techniques for long-pulse operation［J］．Fusion Engineering and Design，2007，82:1301 －130．

［3］ 胡 澤，肖宇恒，葛 亮，等．應(yīng)變式井下工程參數(shù)測(cè)量傳感器組橋與布片研究［J］．自動(dòng)化儀表，2012，33（5）:77 －79．

［4］ 吳永烽，喻洪麟，何安國(guó)．環(huán)形球柵扭矩測(cè)量原理研究［J］．儀器儀表學(xué)報(bào)，2010，33（11）:2580 －2585．

［5］ 鐘小勇，張小紅．基于ARM的鋼絲繩檢測(cè)系統(tǒng)研究［J］．傳感器與微系統(tǒng)，2011，30（3）:81 －83．

［6］ Qin Xu，F(xiàn)an Panguo，Xu Zhuoju．A new design of high-speed multi-task real-time data acquisition system［J］．Computer Measurement＆ Control，2010，18（10）:2444 －2447．

［7］ Guo Dongmei．Quadrature demodulation technique for self-mixing interferometry displacement sensor［J］．Optics Communications，2011，284（24）:5766 －5769．

［8］ 孟 鑫，宮銘舉，張愛(ài)玲，等．一種光源調(diào)頻的相位生成載波的反正切解調(diào)方法［J］．天津理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，28（3）:38－40．

［9］ He Xianlong，Zhao Lizhen．Analysis of shear wave velocity based on multiple cross-correlation functions［J］．Rock and Soil Mechanics，2010，31（8）:2541 －2545，2552．