基于LabVIEW的轉(zhuǎn)速與扭矩監(jiān)測系統(tǒng)設計

許 芹，張玉山，汪 嬋

(安徽科技學院 電氣與電子工程學院，安徽 鳳陽 233100）

剪板設備曲軸是設備的關鍵部件，承受載荷較大，并決定了設備的剪裁力。其扭矩、轉(zhuǎn)速等參數(shù)的測量對設備運行狀態(tài)的監(jiān)控、部件的設計有著重要的意義[1]。扭矩和轉(zhuǎn)速可以通過相應的傳感器測量得到，而功率則是根據(jù)測得的轉(zhuǎn)速和扭矩計算得出的。因此扭矩和轉(zhuǎn)速是主要的測試量參數(shù)。根據(jù)測量手段的不同，歸納起來有3中扭矩測量方法[2]:1)應變法測扭矩;2)轉(zhuǎn)角法測扭矩;3)反作用力法測扭矩。目前應用較多、技術較成熟方法是利用金屬應變片構成全橋電路通過測量軸上的應變來測得扭矩。轉(zhuǎn)速測量方法是通過對脈沖的測量實現(xiàn)的，可以分為頻率法(M法)和周期法(T法)，相應的傳感器有光電式和磁電式兩種[3]，M法適合于高速測量而T法適合與低速測量[4]。本研究設計了一套綜合無線傳輸技術和虛擬儀器技術的監(jiān)控系統(tǒng)。通過電阻應變片式扭矩傳感器測量軸上扭矩，采用磁電式轉(zhuǎn)速傳感器測量轉(zhuǎn)速，并通過PCI采集卡采集傳感器輸出信號，最后以虛擬儀器LabVIEW為開發(fā)平臺編寫上位機軟件用以實現(xiàn)后續(xù)數(shù)據(jù)處理和分析，并利用MySQL數(shù)據(jù)實現(xiàn)對測試數(shù)據(jù)進行存儲和報表生成。

1 測量原理

1.1 扭矩傳感器

由于剪板設備曲軸承載能力較大，采用電阻應變式扭矩測量，易實現(xiàn)且無需斷開軸系，即在旋轉(zhuǎn)軸的±45°方向上粘帖4個金屬應變片，構成惠斯通電橋，利用金屬應變片測量軸上應變，根據(jù)扭矩與應變的關系計算得到軸上扭矩的值。其原理如圖1所示。

扭矩測量裝置結構如圖2所示，在旋轉(zhuǎn)軸上套入環(huán)形保持架，并用緊定螺釘將其固定在軸上，使其可以隨旋轉(zhuǎn)軸一同旋轉(zhuǎn)。應變橋連通至位于保持架的信號處理電路[5]，將采集信號處理后通過無線傳輸模塊發(fā)出。

根據(jù)材料力學可知，當旋轉(zhuǎn)軸受到扭矩M作用時，軸表面處于純剪應力狀態(tài)，有最大應力τ=M/Wt。在與軸線呈±45°方向上有最大正應力σ1和σ2，其值為σ1=－σ2=τ。相應的應變?yōu)棣?和ε2，且ε1=－ε2=ε。根據(jù)廣義胡克定律有:

式中，M—軸上扭矩;Wt—抗扭界面模量;u—軸材料的泊松比;E—軸材料的彈性模量;對于實心軸，抗扭截面模量為，D為軸的直徑。

當軸在扭矩作用下產(chǎn)生應變時，金屬應變片的阻值發(fā)生變化。設應變橋供電電壓為ui，應變片初始電阻值為R1=R2=R3=R4=R，在應變作用下電阻值的改變分別為△R1，△R2，△R3和△R4，應變橋輸出電壓為:

式中，K為金屬應變片的靈敏系數(shù)。

由于軸上±45°方向上應變大小相等、方向相反，因此應變橋的輸出應變?yōu)?

根據(jù)(1)式和(3)式得:

1.2 轉(zhuǎn)速傳感器

轉(zhuǎn)速采用磁電式轉(zhuǎn)速傳感器利用頻率法測量。磁電式轉(zhuǎn)速傳感器主要由感應線圈、軟磁芯和永磁鐵兩部分組成，其測量原理如圖3所示。永磁鐵用于產(chǎn)生磁場，當測速齒輪轉(zhuǎn)動時，齒輪與傳感器間隙周期性變化，磁通量會以同樣的頻率變化，因而在感應線圈中感應出近似正弦波的電信號。

由傳感器的工作原理可知，傳感器輸出交流信號的頻率f與測速齒輪的轉(zhuǎn)速n和齒數(shù)z成正比，即:

2 硬件設計及器件選擇

硬件系統(tǒng)總體結構如圖4所示，包括信號測量、信號調(diào)理和信號采集三個模塊。扭矩傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器測量得到的微弱電壓信號經(jīng)信號調(diào)理模塊放大、整形和濾波等處理后進入PCI采集卡。PCI采集卡將輸入的模擬量電壓信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號并送入計算機。在計算機中開發(fā)上位機軟件根據(jù)傳感器的輸出電壓信號與實際物理參數(shù)間的關系對數(shù)字信號進行解析，轉(zhuǎn)換成實際的扭矩值和轉(zhuǎn)速值，并對數(shù)據(jù)進行存儲和顯示。

2.1 扭矩測量

如圖5所示，由于扭矩傳感器輸出的信號較微弱，且含有噪聲信號。因此在進行信號采集前必須經(jīng)過放大和濾波處理。根據(jù)系統(tǒng)要求，信號放大和濾波分別由如下芯片或電路實現(xiàn):

(1)扭矩傳感器輸出信號的放大器采用ADI公司的AD620儀器放大器，電路圖如圖5所示。AD620具有體積小、功率低、噪聲小以及供電電壓范圍大等特點，因而特別適合于傳感器接口、緊密電壓電路轉(zhuǎn)換等場合[6]。

AD620內(nèi)置兩個增益電阻為24.7KΩ，因此其放大系數(shù)為:

為了使放大電路具有精確的放大比，及保持穩(wěn)定的增益、避免增益溫度漂移，電路中編程電阻RG應選用具有低溫度系數(shù)，且精度范圍為0.1% ～1%[7]。

(2)為了消除扭矩傳感器輸出信號中的高頻成分，提高信號的信噪比，傳感器信號在進入PCI采集卡前需經(jīng)過濾波處理。本文以ADI公司的AD8605運算放大器設計了二階巴特沃斯低通濾波器，電路原理圖如圖6所示。

電路中，選擇 R1=9.31KΩ，R2=13.3KΩ，C1=0.033μF，C2=0.068μF，濾波器的截止頻率為300Hz。

2.2 轉(zhuǎn)速測量

由于轉(zhuǎn)速傳感器輸出的近似正弦波的信號幅值較低，且不穩(wěn)定，因此需經(jīng)過隔離放大處理，將輸出的信號轉(zhuǎn)換成正弦信號。為了方便對信號頻率的測量，利用過零比較電路將正弦波轉(zhuǎn)換成方波。

本研究選用一體化的ISO S1－P1－O3隔離變送器作為轉(zhuǎn)速傳感器信號調(diào)理模塊。ISO S－P－O系列隔離變送器是一種將轉(zhuǎn)速傳感器信號、正弦波、鋸齒波信號或者微弱的波形信號隔離轉(zhuǎn)換成與輸入頻率完全一致的方波信號的混合集成電路，能夠?qū)崿F(xiàn)200微弱信號的放大與整形。ISO S1－P1－O3接線圖如圖7所示。

其中，1，2引腳為信號輸入端，4，5引腳為電源供電，8，11引腳為信號輸出端。

2.3 數(shù)據(jù)采集卡

用臺灣研華公司的PCI－1742U數(shù)據(jù)采集卡作為數(shù)據(jù)采集設備。PCI－1742U是16位、16路高分辨率多功能數(shù)據(jù)采集卡，最高采樣率達1MHz，具有16位AD轉(zhuǎn)換器。PCI－1742U可以選擇為16路單端輸入或者8路差分輸入，且單端和差分輸入可以自由組合。PCI－1742U具有1個16位/10MHz計數(shù)器，可以方便的實現(xiàn)對轉(zhuǎn)速傳感器輸出信號頻率的測量。

3 軟件實現(xiàn)

測量系統(tǒng)軟件開發(fā)采用美國NI公司的虛擬儀器軟件LabVIEW，軟件主要包括以下幾個功能模塊，如圖8所示。

1)信號采集模塊信號采集模塊的功能是調(diào)用PCI－1742U數(shù)據(jù)采集卡的API函數(shù)，采用輪詢的方式實時讀取PCI－1742U輸入端口采集到的信號參數(shù)。

2)數(shù)據(jù)處理模塊數(shù)據(jù)處理模塊的功能是先將采集到的參數(shù)按照公式(4)和(5)分別轉(zhuǎn)換成對應的扭矩和轉(zhuǎn)速的值，并對扭矩和轉(zhuǎn)速進行頻譜分析。在軟件界面上顯示其實時的值、變化趨勢曲線和頻譜分析結果等。

3)數(shù)據(jù)庫模塊數(shù)據(jù)庫模塊的功能是提供數(shù)據(jù)存儲，查詢和報表打印等功能，方便對測試數(shù)據(jù)進行保存和分析。本文采用的數(shù)據(jù)庫為My SQL 5.5，利用Microsoft的數(shù)據(jù)源(ODBC)建立起LabVIEW和My SQL間的連接。在LabVIEW程序中利用設置的數(shù)據(jù)源名稱(DSN)實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的操作，如圖9所示。

4 結論與討論

本文設計了一套綜合無線傳輸技術和虛擬儀器技術的監(jiān)控系統(tǒng)，可以同時實現(xiàn)對傳動軸轉(zhuǎn)速和扭矩的測量。采用虛擬儀器技術開發(fā)了上位機軟件對測試結果進行顯示和分析，利用MySQL數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)對測試數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控并存儲，方便測試人員對測試數(shù)據(jù)進行分析和生成測試報表。本系統(tǒng)具有原理簡單，結構緊湊，重量輕，測試數(shù)據(jù)便于處理等特點，具有良好的應用前景。

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