基于WSNs與LabVIEW的扭矩測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蔡春麗， 柴壽臣， 李寶生

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第四十九研究所，黑龍江 哈爾濱 150001)

基于WSNs與LabVIEW的扭矩測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蔡春麗， 柴壽臣， 李寶生

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第四十九研究所，黑龍江 哈爾濱 150001)

針對(duì)目前扭矩扳手應(yīng)用過(guò)程中人為因素影響大，可控性差等問(wèn)題，應(yīng)用無(wú)線通信技術(shù)、微信號(hào)處理技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)、虛擬仿真技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種將WiFi無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs)與虛擬儀器相結(jié)合的扭矩測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)集扭矩測(cè)量、采集、校準(zhǔn)、分析、存儲(chǔ)、顯示及預(yù)警于一體，實(shí)現(xiàn)了多路扭矩參數(shù)的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)和有效控制。仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果表明：該系統(tǒng)測(cè)量精度可達(dá)0.4 %FS，功耗低，體積小，實(shí)時(shí)性好，操作簡(jiǎn)單，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行穩(wěn)定可靠，適用于鐵路機(jī)務(wù)、車輛檢修線、廠礦等對(duì)扭矩參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)； 扭矩傳感器； 扭矩測(cè)試； 測(cè)試系統(tǒng)

0 引 言

隨著工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化和智能化程度的日益提高，鐵路機(jī)車、精密儀表等大型交通生產(chǎn)設(shè)備性能不斷提升，對(duì)各種扭矩測(cè)量也提出了新的要求。在機(jī)械動(dòng)力系統(tǒng)中，扭矩量值準(zhǔn)確與否對(duì)保證鐵路機(jī)務(wù)、車輛、生產(chǎn)設(shè)備的精密性及線路維修質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。提高扭矩測(cè)量的準(zhǔn)確性、扭矩監(jiān)測(cè)和控制的實(shí)時(shí)性以及扭矩異常分析的可靠性，是減少事故發(fā)生、確保生產(chǎn)運(yùn)輸正常進(jìn)行、節(jié)省能源、提高系統(tǒng)效率的重要手段。

目前,國(guó)內(nèi)多用“凸塊—彈簧”式手動(dòng)扭力扳手控制扭矩量值。這種扳手的結(jié)構(gòu)決定了其自身精度不高(4 %左右),而在應(yīng)用時(shí)僅是憑手感和經(jīng)驗(yàn)，無(wú)法精確控制和知道扭矩的大小，安全隱患極大[1]。針對(duì)這種情況，本文設(shè)計(jì)出一種簡(jiǎn)單好用的非接觸式扭矩測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)扭矩量值，出現(xiàn)異常時(shí)進(jìn)行及時(shí)報(bào)警，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示、存儲(chǔ)、查詢及輸出報(bào)表等功能。

1 系統(tǒng)概述

本系統(tǒng)以高精度數(shù)字扭矩傳感器作為測(cè)量終端采集扭矩量值，基于簇結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs)。各網(wǎng)絡(luò)從節(jié)點(diǎn)按時(shí)鐘指令定時(shí)向主節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，主節(jié)點(diǎn)將接收到的數(shù)據(jù)以幀結(jié)構(gòu)打包發(fā)送給上位機(jī)，上位機(jī)依據(jù)地址解碼定位監(jiān)測(cè)點(diǎn)、分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、通過(guò)算法進(jìn)行動(dòng)態(tài)修正，并實(shí)時(shí)顯示各節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)量值與波形走勢(shì)，上位機(jī)與操作者間通過(guò)語(yǔ)音和指令確認(rèn)方式進(jìn)行實(shí)時(shí)交互，從而方便快捷地完成監(jiān)測(cè)功能。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 扭矩測(cè)量模塊

扭矩測(cè)量模塊是扭矩測(cè)量系統(tǒng)最重要的底層部件，它的可靠性和靈敏性直接影響系統(tǒng)測(cè)量的精準(zhǔn)性。經(jīng)過(guò)仿真試驗(yàn)，本模塊采用電阻應(yīng)變?cè)磉M(jìn)行設(shè)計(jì)[2,3]，其測(cè)量精度取決于應(yīng)變軸結(jié)構(gòu)、材料、應(yīng)變片性能、粘接工藝等，其中，應(yīng)變軸結(jié)構(gòu)尤為重要。

目前，扭矩測(cè)量多數(shù)用柱式或薄壁圓筒式彈性元件，它的致命弱點(diǎn)是軸向尺寸大，適應(yīng)性和通用性差，且精度不高，在被測(cè)件的空間尺寸受限制時(shí)，問(wèn)題尤為突出。為了實(shí)現(xiàn)小體積高精度的測(cè)量要求，鑒于輪輻式結(jié)構(gòu)軸向尺寸小、精度高、抗過(guò)載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[4]，本模塊采用輪輻式結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)如圖2所示，產(chǎn)品體積為Φ41 mm×86 mm。

圖2 輪輻式結(jié)構(gòu)

2.2 微信號(hào)處理模塊

由于電阻應(yīng)變產(chǎn)生的電信號(hào)非常微弱，只有幾到十幾毫伏，要不失真地測(cè)量出如此小的電信號(hào)，抑制電磁干擾的影響非常困難。另外，由于種種原因，外界環(huán)境變化時(shí)，在沒(méi)有外加扭矩的情況下，各電阻應(yīng)變片阻值會(huì)發(fā)生變化而使電橋失去平衡，發(fā)生“零點(diǎn)漂移”現(xiàn)象[5～7]。針對(duì)以上情況，本方案中電路部分采取了嚴(yán)密的屏蔽措施，基本排除外界電磁干擾影響，同時(shí)針對(duì)環(huán)境溫度的變化在“惠斯頓電橋”電路中采取了相應(yīng)的補(bǔ)償措施，并精心設(shè)計(jì)了“零位溫度自動(dòng)補(bǔ)償電路”，有效地控制了由于環(huán)境溫度變化而造成的零點(diǎn)漂移現(xiàn)象，從而確保了扭矩測(cè)量的高穩(wěn)定性與高精度。微信號(hào)處理電路原理如圖3所示。

圖3 微信號(hào)處理電路原理圖

2.3 電源模塊

基于產(chǎn)品小體積和高適用性限制，本系統(tǒng)中電源模塊采用三節(jié)聚合物鋰電池供電，串聯(lián)后電壓為11.1 V，容量為400 mAh。由于電路部分做了低功耗設(shè)計(jì)，工作電流為6～20 mA，故系統(tǒng)可連續(xù)工作24 h。電池充電接口設(shè)計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)接口，應(yīng)用普通電源適配器即可快速充電，能很好地滿足工程需求。

2.4 網(wǎng)絡(luò)通信模塊

網(wǎng)絡(luò)通信模塊負(fù)責(zé)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸。該模塊選用符合2.4 GHz IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的射頻收發(fā)器，器件功能強(qiáng)大，只需極少的外部元器件，性能穩(wěn)定，且功耗極低，可確保通信的有效性和可靠性[8]。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信采用分層通信協(xié)議，應(yīng)用基于LEACH路由選擇算法，使各個(gè)獨(dú)立的傳感器節(jié)點(diǎn)形成一個(gè)多跳的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，很好地延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的生命周期，保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)應(yīng)用NI公司研制的基于圖形化編程環(huán)境(LabVIEW)開(kāi)發(fā)平臺(tái)完成軟件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)軟件采用總分式結(jié)構(gòu)，依據(jù)實(shí)際使用需求，系統(tǒng)軟件分為系統(tǒng)校準(zhǔn)單元、系統(tǒng)測(cè)試單元、預(yù)報(bào)預(yù)警單元、數(shù)據(jù)回放單元及打印報(bào)表單元。系統(tǒng)主程序框圖如圖4所示，系統(tǒng)程序控制流圖如圖5所示。

圖4 主程序框圖

圖5 系統(tǒng)程序控制流程圖

3.1 校準(zhǔn)單元

測(cè)量終端工作原理和芯片本身特性決定了不同量程、不同產(chǎn)品的零點(diǎn)、上限輸出存在差異，這就導(dǎo)致了傳感器電壓輸出信號(hào)至扭矩值間轉(zhuǎn)換關(guān)系存在差異，為了滿足多種扭矩傳感器的精度要求，應(yīng)用軟件算法動(dòng)態(tài)獲取每只傳感器的靈敏度，從而更準(zhǔn)確地確定傳感器工作函數(shù)。

3.2 測(cè)試單元

測(cè)試單元主要完成系統(tǒng)信號(hào)采集、處理、顯示、存儲(chǔ)及打印報(bào)表功能。

系統(tǒng)測(cè)試單元不僅是系統(tǒng)測(cè)試終端檢測(cè)效果的展示平臺(tái)，也是對(duì)其性能的提升平臺(tái)。在軟件系統(tǒng)中，應(yīng)用動(dòng)態(tài)更新算法對(duì)采集上來(lái)的扭矩?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)修正，從而在硬件的基礎(chǔ)上，更進(jìn)一步提升了扭矩測(cè)量的精度。系統(tǒng)測(cè)試界面如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)測(cè)試界面

3.3 預(yù)報(bào)預(yù)警單元

這個(gè)單元主要功能是簡(jiǎn)單便捷地實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，從而使操作者快速直觀地掌握扭矩操作是否在規(guī)定閾值范圍內(nèi)，以達(dá)到安全效果。如果扭矩過(guò)大或過(guò)小，系統(tǒng)會(huì)以語(yǔ)音的方式提示，操作者可快速按預(yù)備解決方案予以解決，確保工作按質(zhì)完成。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)室條件下，制作一機(jī)械強(qiáng)度足夠大的測(cè)試架，間距1 m分別放置3只扭矩傳感器。連接好通信模塊，打開(kāi)傳感器通信開(kāi)關(guān)，啟動(dòng)上位機(jī)測(cè)試軟件，在不加負(fù)荷的情況下，運(yùn)行校準(zhǔn)單元，進(jìn)行零點(diǎn)校準(zhǔn)，校準(zhǔn)完成后，應(yīng)用特制裝置施加精確標(biāo)定砝碼(50 N·m)完成上限校準(zhǔn)。點(diǎn)擊確認(rèn)，測(cè)試系統(tǒng)自動(dòng)給出傳感器靈敏度，以1#傳感器為例，其值為A=0.028 Nm/mV，同時(shí)將相關(guān)參數(shù)更新進(jìn)指定文件，供測(cè)試單元使用。

校準(zhǔn)完成后，啟動(dòng)測(cè)試單元進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試，以1#傳感器為例，測(cè)試時(shí)應(yīng)用砝碼施加裝置在0～50 Nm范圍內(nèi)選取6個(gè)點(diǎn)進(jìn)行正反行程測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表1可知，系統(tǒng)最大測(cè)量誤差為0.195 N m。同法得出其他2只傳感器的誤差均小于0.195 N m，故系統(tǒng)精度達(dá)到0.4 %FS。

為了最大限度地簡(jiǎn)化硬件設(shè)計(jì)，縮小尺寸、減少重量、降低成本，本系統(tǒng)中通過(guò)軟件算法來(lái)進(jìn)一步提高系統(tǒng)的精度。在每一路中，依據(jù)采集到的數(shù)據(jù)，應(yīng)用最小二乘法擬合出傳感器特征參數(shù)，確定特征方程，進(jìn)而得出扭矩量值。1#傳感器扭矩?cái)M合曲線如圖7所示。

圖7 扭矩曲線

5 結(jié) 論

本文針對(duì)目前扭矩測(cè)量中存在的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單好用的無(wú)線扭矩測(cè)試系統(tǒng)，解決了應(yīng)用扭矩扳手測(cè)量時(shí)人為因素影響大、可控性差等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了多通道非接觸扭矩量值的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：系統(tǒng)測(cè)量精度高、體積小、響應(yīng)快、功耗低、安裝使用方便、長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行穩(wěn)定可靠，適用于鐵路機(jī)務(wù)、車輛檢修線、廠礦及其他生產(chǎn)線等場(chǎng)所應(yīng)用。

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Design of torque measuring system based on

WSNs and LabVIEW CAI Chun-li, CHAI Shou-chen, LI Bao-sheng

(The 49th Research Institute，China Electronics Technology Group Corporation，Harbin 150001，China)

Aiming at problems of big influence of human factors and poor controllability in process of torque wrench application presently,using wireless communication technology,micro signal processing technology,MCU technology,virtual simulation technology,design a type of torque test system based on WiFi wireless sensor networks (WSNs) combined with virtual instrument.The system integrates torque measurement,signal acquisition,calibration,analysis,storage,display and forecasting and warning and achieve real-time accurate monitoring and effective control of multiple torque parameters.Simulation and measurement results show that measurement precision of the system can reach 0.4 %FS,low power consumption,small size,good real-time performance,simple operation,stable and reliable，long time operation,and which is suitable for real-time monitoring of torque parameters in railway transportation,vehicle overhaul line,factories,and mines,etc.

WSNs; torque sensor; torque measurement; measurement system

2015—01—07

10.13873/J.1000—9787(2015)04—0066—03

TP 212

A

1000—9787(2015)04—0066—03

蔡春麗(1978-)，女，黑龍江哈爾濱人，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)闇y(cè)試測(cè)量技術(shù)、傳感器技術(shù)。