基于C#參考式扭矩傳感器標(biāo)定及測試系統(tǒng)的研制

沈 強，張 瑾，李 淘，弓海陵，鄒冰玉，代峰燕

(北京石油化工學(xué)院機械工程學(xué)院，北京 102617)

扭矩是機械動力輸出中非常重要的參數(shù)，涉及到工業(yè)、農(nóng)業(yè)、科研和生活等領(lǐng)域[1-2]。通過測量扭矩參數(shù)來評價動力機械的綜合性能和機械設(shè)備的可靠性[3-7]。

為檢測扭矩參數(shù)，扭矩傳感器被廣泛應(yīng)用于動力機械設(shè)備中，如將扭矩傳感器應(yīng)用于智能服務(wù)或可穿戴機器人的關(guān)節(jié)中，以實現(xiàn)安全的人機交互[4]。隨著近年來扭矩測量的廣泛應(yīng)用，對扭矩傳感器性能有了更高要求，也對扭矩傳感器的校準(zhǔn)和測試提出更多的需求。為解決各行業(yè)中具體的扭矩測量和校準(zhǔn)需求問題，科研人員提出了不同系統(tǒng)技術(shù)方案。

王兆魯?shù)萚5]針對裝甲車動力傳動軸系統(tǒng)中傳遞扭矩值與軸徑的關(guān)系，提出了扭矩靜、動標(biāo)定試驗臺建設(shè)的技術(shù)方案。鄭熙云等[6]對現(xiàn)有動態(tài)扭矩/轉(zhuǎn)角傳感器的機構(gòu)特點和測量原理進(jìn)行研究，設(shè)計出1套多參數(shù)校準(zhǔn)裝置，該裝置可檢測轉(zhuǎn)角和扭矩2種參數(shù)。馬相龍等[7]設(shè)計一種新型100 N·m負(fù)階躍動態(tài)扭矩校準(zhǔn)裝置，裝置中利用火工拔銷器產(chǎn)生負(fù)階躍動態(tài)扭矩，降低了負(fù)階躍動態(tài)扭矩下降時間，同時采用空氣軸承的支承方式，提高動態(tài)扭矩的傳遞精度。劉志遠(yuǎn)等[8]針對國內(nèi)旋轉(zhuǎn)動力機械動態(tài)扭矩測量存在的問題，設(shè)計了一種將 WIFI 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs)與虛擬儀器相結(jié)合的旋轉(zhuǎn)輪軸扭矩測試系統(tǒng)，實現(xiàn)了動態(tài)扭矩參數(shù)的實時準(zhǔn)確監(jiān)測、在線校準(zhǔn)、存儲、分析、顯示、預(yù)警及生成報表等功能。李響等[9]針對某試驗臺扭矩傳感器測量精度低的問題，設(shè)計了以TwinCAT軟件PLC和面向?qū)ο蟾呒壵Z言C#為基礎(chǔ)的扭矩傳感器校準(zhǔn)系統(tǒng)，實現(xiàn)控制扭矩加載、數(shù)據(jù)采集、校準(zhǔn)數(shù)據(jù)處理、校準(zhǔn)公式計算和繪制校準(zhǔn)曲線。

以上技術(shù)方案雖然能較好地解決其相應(yīng)的問題，但是也存在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、部分定位精度較低、傳遞扭矩較小、一般只解決靜態(tài)或動態(tài)的相關(guān)測量或測試以及通用性較差等問題。

扭矩傳感器具體分為靜態(tài)和動態(tài)兩類，動態(tài)扭矩傳感器可連續(xù)測量正反轉(zhuǎn)扭矩，也可以用于靜態(tài)測量，但靜態(tài)扭矩傳感器不能用于動態(tài)測量[10]。在實驗室校準(zhǔn)環(huán)境下，筆者設(shè)計了一種參考式扭矩傳感器標(biāo)定及測試系統(tǒng)，以中等范圍量程的扭矩傳感器為對象，實現(xiàn)靜態(tài)標(biāo)定和動態(tài)測試，滿足動態(tài)傳感器和靜態(tài)傳感器的適用性。系統(tǒng)中試驗臺的扭矩傳感器對中采用錐柄結(jié)構(gòu)，利用錐度配合實現(xiàn)傳感器的安裝定位和對中。系統(tǒng)軟件負(fù)責(zé)控制試驗臺的推桿運動、數(shù)據(jù)采集、顯示、分析和儲存等。

1 扭矩傳感器標(biāo)定及測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

該參考式扭矩傳感器標(biāo)定及測試系統(tǒng)既可以對扭矩傳感器進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定，同時也可以對扭矩傳感器進(jìn)行動態(tài)測試。該系統(tǒng)的硬件包含基座、導(dǎo)軌、滑動支架、標(biāo)準(zhǔn)扭矩傳感器、調(diào)平主軸、待測扭矩傳感器、溫度傳感器、對中機構(gòu)、濕度傳感器、加載機構(gòu)和控制PC。其中，加載機構(gòu)包括用于靜態(tài)標(biāo)定的杠桿、砝碼和用于動態(tài)測試的豎直電動推桿。對中機構(gòu)作為重要組成部分采用錐柄的結(jié)構(gòu)，利用錐度配合，設(shè)備對中性好，使試驗臺定位精度高、連接剛性好，而且更換傳感器時裝卸方便；為了簡化設(shè)備的結(jié)構(gòu)，將靜態(tài)標(biāo)定和動態(tài)測試的相關(guān)機構(gòu)相結(jié)合，為此試驗臺在基座平臺的一側(cè)安裝有橫置電動推桿，其被用于切換試驗設(shè)備靜態(tài)標(biāo)定狀態(tài)和動態(tài)測試狀態(tài)，具體工作方式為推動豎直電動推桿左右移動，使豎直電動推桿在動態(tài)測試位置和靜態(tài)標(biāo)定位置進(jìn)行切換。豎直電動推桿豎直放置，安裝在與之垂直的杠桿上，當(dāng)此推桿處于動態(tài)測試位置時用于動態(tài)測試時的加載及卸載；當(dāng)此推桿處于靜態(tài)標(biāo)定位置時，其處于空置狀態(tài)，在靜態(tài)標(biāo)定加載和卸載過程中不做任何動作。

傳感器扭矩測量一般采用高一等級精度的扭矩傳感器或杠桿加砝碼的方法進(jìn)行比對[11]。對于靜態(tài)標(biāo)定的實現(xiàn)，該系統(tǒng)采用杠桿施加砝碼和待測傳感器與高精度標(biāo)準(zhǔn)扭矩傳感器對比相結(jié)合的方式進(jìn)行傳感器扭矩測量。該參考式扭矩傳感器標(biāo)定及測試試驗臺通過電動推桿的往復(fù)直線運動進(jìn)行加載或卸載，并對兩扭矩傳感器的輸出值進(jìn)行同步數(shù)據(jù)采集和顯示，從而實現(xiàn)對待測傳感器動態(tài)測試的功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 實驗平臺控制系統(tǒng)硬件

系統(tǒng)硬件主要包含參考式扭矩傳感器標(biāo)定及測試試驗臺本體、通用繼電器板和數(shù)據(jù)采集設(shè)備。數(shù)據(jù)采集設(shè)備為中泰EM9636M型號設(shè)備。EM9636M是16位100 kHz多功能采集設(shè)備，板載180K硬件緩沖區(qū)保證其可以長時間連續(xù)采集，使用網(wǎng)絡(luò)接口，無需安裝驅(qū)動即可操作設(shè)備，它是多功能高精度數(shù)據(jù)采集設(shè)備，帶模擬輸入、模擬量輸出、數(shù)字量輸入、數(shù)字量輸出、計數(shù)、測頻、離線采集等功能，可以測量工業(yè)現(xiàn)場的電壓、電流、熱電阻、頻率、基于橋路的傳感器、扭矩等信號。該數(shù)據(jù)采集設(shè)備使用網(wǎng)絡(luò)接口，通過以太網(wǎng)與PC機連接，主要用于實現(xiàn)試驗臺中各個傳感器數(shù)據(jù)的采集和控制與輸出IO輸出狀態(tài)。通用繼電器板為中泰PS-002型設(shè)備，通過接收數(shù)據(jù)采集設(shè)備的IO輸出，控制設(shè)備中繼電器開關(guān)的打開和閉合來控制電壓輸出、截止，以此控制試驗臺2個推桿運動的啟停和方向。

3 實驗平臺軟件設(shè)計

參考式扭矩傳感器標(biāo)定及測試軟件系統(tǒng)基于C#語言開發(fā)，并結(jié)合Access數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲。另外系統(tǒng)中傳感器的初始參數(shù)信息，如零點值、滿度值和量程等以XML格式文件儲存。

設(shè)置PC中的IP地址與采集設(shè)備適配，通過以太網(wǎng)使PC與數(shù)據(jù)采集設(shè)備構(gòu)建連接通道，測控軟件系統(tǒng)通過調(diào)用EM9636M數(shù)據(jù)采集設(shè)備的動態(tài)鏈接庫達(dá)到對該設(shè)備在功能上連接和控制的目的。

測控軟件系統(tǒng)包括系統(tǒng)信息設(shè)置、試驗臺設(shè)備檢測、靜態(tài)標(biāo)定、動態(tài)測試、數(shù)據(jù)管理和系統(tǒng)幫助等模塊，如圖2所示。

圖2 軟件功能組成

在系統(tǒng)信息模塊中可以設(shè)置被測扭矩傳感器的基本信息和多個傳感器的參數(shù)，其中被測傳感器的基本信息包括傳感器的編號、型號、生產(chǎn)廠家和送檢單位等，并保存在數(shù)據(jù)庫中；設(shè)置參數(shù)的傳感器包括待測扭矩、溫度和濕度傳感器，可以通過對XML文件中的內(nèi)容進(jìn)行讀寫來實現(xiàn)傳感器參數(shù)信息地修改和恢復(fù)初始值等操作，標(biāo)準(zhǔn)傳感器的參數(shù)信息被寫在單獨的默認(rèn)XML文件中，不可通過系統(tǒng)軟件修改。設(shè)備檢查模塊可以在進(jìn)行試驗前檢查設(shè)備推桿和采集設(shè)備是否正?？捎?。靜態(tài)標(biāo)定模塊實現(xiàn)被測扭矩傳感器的靜態(tài)標(biāo)定功能。動態(tài)測試模塊實現(xiàn)被測扭矩傳感器的動態(tài)測試功能。數(shù)據(jù)管理模塊用于試驗數(shù)據(jù)的查詢、刪除和報告生成，根據(jù)傳感器編號或時間范圍可以查詢相應(yīng)的數(shù)據(jù)，操作人員單選或多選顯示的數(shù)據(jù)，可以對選中數(shù)據(jù)實現(xiàn)刪除操作，也可以由選中的數(shù)據(jù)生成報告。系統(tǒng)幫助模塊實現(xiàn)操作人員對幫助文檔的查閱，幫助文檔內(nèi)有詳細(xì)的系統(tǒng)使用說明。

3.1 靜態(tài)標(biāo)定模塊3.1.1 界面設(shè)計

靜態(tài)標(biāo)定模塊中，采用杠桿加砝碼和游標(biāo)調(diào)節(jié)的方法進(jìn)行載荷加載和卸載，扭矩測量采用高一等級精度的標(biāo)準(zhǔn)扭矩傳感器與待測扭矩傳感器比對進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，靜態(tài)界面如圖3所示。

圖3 靜態(tài)標(biāo)定界面

3.1.2 靜態(tài)標(biāo)定

根據(jù)模塊的功能設(shè)定，操作人員進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定時，首先在模塊界面的下拉框中選擇或輸入傳感器編號，當(dāng)傳感器編號經(jīng)過與數(shù)據(jù)庫中編號進(jìn)行對比和判定，并被系統(tǒng)判定此傳感器編號已存在，界面才可以開啟界面的其他功能并進(jìn)行后續(xù)操作，靜態(tài)標(biāo)定流程如圖4所示。

圖4 靜態(tài)標(biāo)定流程

在靜態(tài)標(biāo)定開始后，軟件會借助數(shù)據(jù)采集設(shè)備的動態(tài)鏈接庫實現(xiàn)對數(shù)據(jù)采集設(shè)備繼電器板卡的控制，打開數(shù)據(jù)連接通道，讀取標(biāo)準(zhǔn)扭矩、待測扭矩、溫度和濕度等傳感器的數(shù)據(jù)。實際操作中，為方便后續(xù)觀測和操作需要消除扭矩初始值，因此進(jìn)行零點修正以清除初始值歸零。靜態(tài)標(biāo)定時，操作人員向杠桿的砝碼吊桿上添加砝碼，利用砝碼的重力使杠桿繞著扭軸轉(zhuǎn)動產(chǎn)生扭矩，觀察界面中標(biāo)準(zhǔn)扭矩傳感器的扭矩值，若有微小偏差，可調(diào)節(jié)游標(biāo)進(jìn)行扭矩的微加載，在測控界面中的示值達(dá)到或接近校準(zhǔn)值并穩(wěn)定后，將標(biāo)準(zhǔn)和待測兩扭矩傳感器的數(shù)據(jù)記錄。每次采集數(shù)據(jù)時，軟件采集兩扭矩傳感器各一組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)包含10個數(shù)據(jù)值，最終將一組數(shù)據(jù)的算數(shù)平均值記錄在界面和保存進(jìn)數(shù)據(jù)庫中。使用上述方式，通過改變放置在吊桿上砝碼的總質(zhì)量，使加載機構(gòu)來改變施加的扭矩，實現(xiàn)加載和卸載過程的數(shù)據(jù)采集，對扭矩傳感器進(jìn)行正反行程的靜態(tài)標(biāo)定。

該模塊采用多線程技術(shù)，數(shù)據(jù)采集過程中，可以實現(xiàn)電壓和頻率以不同采集方式協(xié)調(diào)同步采集。在采集兩扭矩傳感器數(shù)據(jù)的同時，軟件還可以同時采集標(biāo)定時的環(huán)境溫度和濕度數(shù)據(jù)并顯示，環(huán)境數(shù)據(jù)可以和扭矩數(shù)據(jù)一同保存進(jìn)數(shù)據(jù)庫，為后續(xù)查閱數(shù)據(jù)和報告生成提供測試環(huán)境的信息。

3.1.3 數(shù)據(jù)分析及處理

在靜態(tài)標(biāo)定中，為實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1845—2001選擇靜態(tài)性能指標(biāo)中的分辨力、靈敏度、線性度、重復(fù)性和總不確定度等為分析指標(biāo)。以重復(fù)性和總不確定度等相關(guān)的指標(biāo)為例，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中的相應(yīng)靜態(tài)性能指標(biāo)計算流程，編寫了相關(guān)的指標(biāo)計算算法。實現(xiàn)待測扭矩傳感器采集數(shù)據(jù)的分析，并計算出重復(fù)性和不確定度。

傳感器重復(fù)性是其偶然性誤差的極限值，可以在一定置信度下用某點的一組測量值的樣本標(biāo)準(zhǔn)偏差的極限值來表示該點的重復(fù)性，最后取各點處重復(fù)性中的最大值為重復(fù)性指標(biāo)，計算式為[12]：

(1)

式中：c為包含因子，c=t0.95；Smax為最大的樣本標(biāo)準(zhǔn)偏差，N·m；YFS為滿量程輸出。

YFS的計算式為[12]：

YFS=Ymax-Ymin

(2)

式中：Ymax為工作特性下的輸出最大值， N·m；Ymin為工作特性下的輸出最小值， N·m。

由于傳感器為正反雙行程，所以計算Smax時采用貝塞斯算法，計算式為[12]：

(3)

(4)

最后，查出最大值Smax：

Smax={Su，i，Sd，i}max

(5)

在參比工作條件下，實際特性相對于工作特性的偏差在指定的置信度下都不超過的一個極限范圍為總不確定度，此處按照標(biāo)準(zhǔn)采用極限點包線的方式計算傳感器的總不確定度[12]：

(6)

式中：ΔYLHR，max為極限點包線相比于傳感器工作特性直線的最大偏差，N·m。

3.1.4 程序關(guān)鍵部分代碼

程序中重復(fù)性和不確定度計算流程如圖5所示。

圖5 靜態(tài)標(biāo)定流程

3.2 動態(tài)測試模塊3.2.1 界面設(shè)計

動態(tài)測試模塊中，使用豎直電動推桿做上下往復(fù)直線運動實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)扭矩傳感器和待測扭矩傳感器的加載和卸載，但是考慮到電動推桿的運行速度較慢，難以實現(xiàn)載荷階躍變化，因此采用圍繞中心扭矩在一定范圍內(nèi)加載和卸載的方式，實現(xiàn)2個扭矩傳感器的三角形扭矩加載，動態(tài)測試界面如圖6所示。

圖6 動態(tài)測試界面

3.2.2 動態(tài)測試

在動態(tài)測試過程中，與靜態(tài)模塊中的功能設(shè)定相同，操作人員首先選擇或輸入傳感器編號，只有判定傳感器編號已存在，界面才可以進(jìn)行后續(xù)的功能，動態(tài)測試流程如圖7所示。

圖7 動態(tài)測試流程

在動態(tài)測試界面中設(shè)置中心扭矩值和動態(tài)范圍。動態(tài)范圍的設(shè)定圍繞中心扭矩值的上、下2個極限值，要求上、下移動的范圍不超過中心扭矩值的60%。選擇載荷譜的類型為三角形載荷譜，可實現(xiàn)三角形扭矩加載。推桿啟動后，軟件會設(shè)置數(shù)據(jù)采集設(shè)備的2個IO端口的輸出狀態(tài)，通用繼電器板通過接收采集設(shè)備的IO輸出狀態(tài)控制繼電器開關(guān)的打開和閉合，以此控制試驗臺橫向電動推桿的運動，橫向電動推桿沿著小導(dǎo)軌直線運動，將試驗臺的豎直推桿工作狀態(tài)切換到動態(tài)測試。

開始測試時，軟件會設(shè)置數(shù)據(jù)采集設(shè)備的另外2個IO端口的輸出狀態(tài)，通用繼電器板接收IO輸出狀態(tài)，控制繼電器開合，以此控制試驗臺豎直電動推桿的運動，豎直電動推桿開始作向上直線運動，在推力作用下杠桿開始繞著扭軸轉(zhuǎn)動，從而產(chǎn)生扭矩；同時軟件讀取標(biāo)準(zhǔn)扭矩傳感器、待測扭矩傳感器的數(shù)據(jù)，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)傳感器的讀取數(shù)據(jù)達(dá)到設(shè)置的中心扭矩后，數(shù)據(jù)開始記錄在界面的波形控件中，顯示動態(tài)曲線，當(dāng)讀取的標(biāo)準(zhǔn)扭矩傳感器數(shù)值達(dá)到動態(tài)范圍的上限值時，推桿向下運動，進(jìn)行反向加載，同理，當(dāng)達(dá)到下限值時，推桿向上運動，進(jìn)行正向加載操作。

測試過程中為實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和控制推桿運動協(xié)調(diào)，保證數(shù)據(jù)采集精度，采用C#中多線程技術(shù)中的多線程計時器System.Timers.Timer。設(shè)置2個計時器，其中一個控制待測扭矩值的采集和圖表繪制；另一個控制標(biāo)準(zhǔn)扭矩值的采集、繪制以及判斷并改變IO輸出狀態(tài)，進(jìn)而控制豎直推桿的運動方向。在數(shù)據(jù)采集完成后，可以將數(shù)據(jù)記錄進(jìn)Access數(shù)據(jù)庫，也可以根據(jù)數(shù)據(jù)生成動態(tài)測試報告。

4 結(jié)論

設(shè)計了一種結(jié)構(gòu)較為簡單、實際操作容易的參考式扭矩傳感器標(biāo)定及測試系統(tǒng)，系統(tǒng)試驗臺的定位精度高、對中性好、連接剛性好、傳遞扭矩大、測控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)可視化程度高，可在一個系統(tǒng)上實現(xiàn)靜態(tài)標(biāo)定與動態(tài)測試2個功能，可對靜態(tài)標(biāo)定數(shù)據(jù)進(jìn)行重復(fù)性等性能指標(biāo)的分析，操作界面人機交互性好。軟件中采用多線程技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集命令和控制命令，使采集過程和試驗臺控制過程更加協(xié)調(diào)同步，保證了數(shù)據(jù)采集的精度。

同時C#語言具有良好的跨平臺性和編碼簡單的特性，未來可以根據(jù)需求實現(xiàn)跨平臺Linux的移植和功能的增加，使該系統(tǒng)的功能更加豐富，實現(xiàn)更加智能化的操作。