動態(tài)扭矩檢測技術

蔡嘉欣

廣東省計量科學研究院 廣東廣州 510405

在現代工業(yè)技術水平不斷提升的背景下，工業(yè)產品質控與運行狀態(tài)監(jiān)測的重要性逐漸凸顯出來。其中，扭矩測量是設備測試與質檢等環(huán)節(jié)必要的測量項目。在實際應用中，扭矩會借助轉軸轉動形式動態(tài)化地輸出，在轉動轉軸的同時動態(tài)性地測量扭矩。一般來講，扭矩測量需借助傳感器技術完成，其測試系統(tǒng)也更具數字化、智能化和小型化特征。由此可見，深入研究并分析動態(tài)扭矩檢測技術十分有必要。

1 動態(tài)扭矩檢測系統(tǒng)設計研究

1.1 設計基本原理

動態(tài)扭矩檢測系統(tǒng)在啟動以后，DSP 模塊與ARM 模塊就會自動開展初始化工作，對工作參數進行設置。而扭矩傳感器信號與脈沖編碼器信號則會經連接器與指示儀表的內部電路連接，在信號處理后即可通過DSP 快速采集，在對所采集扭矩與轉速數據實施數字濾波處理以后，即可向ARM 模塊傳輸，進而結合用戶存儲校準數據進行校準操作，并經觸摸屏顯示出來[1]。

與傳統(tǒng)儀表相比，此儀表的優(yōu)勢集中體現在以下幾個方面：

首先，儀表扭矩傳感器的接口數量有三個，脈沖編碼器接口數量有一個且具備信號倍頻功能，能夠在線實時測量扭矩信號（3 路）與轉速信號（1 路），參考扭矩與轉速的數據信息對實時功率加以計算，以達到在線實時測量多個通道與多個參數的目的。

其次，儀表選擇7 寸觸摸屏用于顯示與操作，而用戶可通過觸摸屏輸入并操作儀表所顯示的內容，增強了人機交互的便利性。

最后，功能相對靈活。測量扭矩與轉速的基礎上，儀表還可以在線計算并顯示出來，能夠對扭矩測量值進行自動記錄，結合測量所得數據還可對測量所得平均值進行計算，并在外部存儲設備中直接保存，為后續(xù)使用提供便利。

1.2 軟件設計

此儀表選擇DSP 芯片與ARM 芯片，在協(xié)同作用下充分發(fā)揮其自身功能。儀表軟件部分包括DSP 處理器軟件與ARM 處理器軟件。前者選擇C 語言編程，而后者則選擇C++語言編程。

在啟動上電程序后即可開展程序的初始化，對DSP 運行參數加以設置，對外部中斷、SCI、控制寄存器、CPU 定時器和程序運行狀態(tài)參數等進行配置。完成初始化以后即可開展主程序循環(huán)，各子程序執(zhí)行之前要對狀態(tài)標志位加以判斷，進而確定子程序執(zhí)行與否[2]。

脈沖信號是動態(tài)扭轉傳感器輸出信號，通過外部中斷與定時器即可測量脈沖信號頻率，結合脈沖信號頻率與扭矩值對應關系確定動態(tài)傳感器轉軸扭矩的大小。輸入信號的頻率處于5-15 千赫茲，若在固定的采樣時間對脈沖數進行測量并計算脈沖頻率，必須經較長時間以增強測量的準確性，但會使儀表采樣的頻率下降，難以將扭矩數值變化反映出來。為此，通過測量固定脈沖數間的時間間隔，即可對脈沖信號頻率進行計算，不僅可確保測量的準確，同樣也能夠增加儀表采樣的頻率，進而增強動態(tài)測量的效果。在EQEP 模塊中設置了可編程定時器，在計時的基礎上即可倍頻技術脈沖編碼器兩相輸入，在對單位時間內脈沖計數計算的同時即可獲取旋轉主軸轉動的速度。

在啟動ARM 程序后即可進入主界面，可將扭矩當前數值與峰值直接顯示出來，但用戶需手動對數據進行記錄并開展后期處理工作。用戶能夠結合接入傳感器數量與通道號的差異對界面進行設置，并選擇所需顯示通道。對界面設置的過程中，需要單獨設置各通道參數，而設置界面則含括儀表自校準功能與傳感器校準功能兩種。

1.3 硬件原理

指示儀表硬件由數據交互接口、ARM 處理器、扭矩傳感器、觸摸屏、DSP 處理器等組成。其中，DSP 具有較強的數據處理能力，可對數據進行快速采集與處理。而ARM 處理器的網絡通信、觸摸屏輸入、監(jiān)控和顯示等功能也更完善。為此，此儀表聯合運用ARM 處理器和DSP 處理器。

DSP 處理器借助150 兆赫茲的時鐘頻率，可使得時鐘周期時間只有6.67 納秒，而控制器內則有浮點處理單元集成，使得處理浮點數的效率顯著提升。與此同時，能夠對輸入信號的頻率進行準確測量。扭矩傳感器的信號與脈沖編碼器信號可在處理信號調理電路以后向DSP 模塊輸入，進而采集兩路信號，對輸入扭矩和主軸轉速進行計算。

ARM 處理器能夠有效管理數據并實現人機交互等多項功能，在實際運行期間，可支持多個通信接口與電阻式的觸摸屏，使得用戶更好地控制并操作儀表。以ARM 處理器平臺為基礎，將LINUX操作系統(tǒng)嵌入其中，即可更好地開發(fā)儀表的UI 界面，充分發(fā)揮儀表的功能[3]。

2 動態(tài)扭矩檢測試驗與數據分析

指示儀表在自校準的過程中，借助精準度較高的波形發(fā)生器可輸出標準頻率的方波信號。因扭矩傳感器信號的輸出范圍在5-15千赫茲之間，將波形發(fā)生器設置成5 千赫茲、10 千赫茲、15 千赫茲，并使用指示儀表對方波信號進行采集。接入扭矩傳感器以后，使用500N·m 的靜重式扭矩標準機檢定傳感器。經試驗后發(fā)現，此傳感器出廠標稱的準確度是0.3%，而示值的相對誤差不超過0.2%，具有良好的示值重復性。

3 結語

綜上所述，在對采集多個通道與多個參數標準動態(tài)扭矩檢定儀器設計的過程中，協(xié)同DSP 芯片與ARM 芯片，動態(tài)化地測量扭矩，借助DSP 芯片采集運算能力與ARM 芯片的人機交互等功能，同步測量轉速、轉角與三個扭矩信號，計算并保存測量所得的數據信息，與智能儀表發(fā)展需求相適應，具有良好的重復性與穩(wěn)定性，且體積較小，實用價值突出。