一种非接触式扭矩测试系统的设计

　　在旋转动力传递系统中，扭矩是众多机械测量中的一个重要的参数。由于在这类系统中的转动部件高速旋转的特点，相比传统的接触式测量方法，使得扭矩测量中的传感器供电和数据传输过程比较困难。目前，传统的扭矩测试从供电方式上可分为接触式和非接触式供电，前者常采用导电滑环来实现，但由于其采用摩擦接触，因此不可避免的产生发热和磨损，影响了转轴的转速及滑环的使用寿命，还有些系统采用电池供电，而电池储能有限，给测量带来不便，因此，非接触式供电成为解决以上问题的有效方法。目前常用的非接触式供电有光电能传输，射频电能传输和感应电能传输等，由于光电能损耗大，射频电能传输受天线影响较大，因此本文选用了感应电能传输方式。

　　另外，本系统采用无线传输技术来传输传感器输出的测量信号。

1 系统硬件结构

　　扭矩测量主要有三个环节：信号的拾取，信号的处理（含信号传输）及信号的显示和记录。系统的总体结构如图1 所示，本文采用的扭矩传感器是以金属材料为敏感元件的专用测扭应变片。由物理学可知大多数金属在弹性变形范围内的应变与电阻变化率成线性关系，应用这一金属丝的应变效应，将应变片用应变胶粘在被测的弹性轴上组成应变桥，给应变桥供电，当弹性轴受扭时应变桥输出同扭矩大小成线性关系的电压信号。将所得的电压信号进行滤波放大，使其电压范围符合MCU 片内AD采样要求，进行AD转换后将转换结果送入编码器，在对测量信号进行编码后送入发射模块。接收模块接收到测量信号后经过解码器送入MCU进行处理显示。整个发射部分被固定在被测轴上，由静止端的变压器初级绕组感应供电。

2 非接触供电

　　由于扭矩检测部分处于高速旋转状态，因此本系统采用感应电能传输技术。这种传输方式应用变压器进行能量传输，与传统的变压器不同的是，这里的变压器是将初次级绕组分开，分别处于不同的磁芯上，交流电源信号从固定的初级绕组通过交变磁场感应到旋转的次级绕组，经过整流稳压后为轴上电路供电。旋转变压器的剖面结构如图2所示。

　　变压器初级和次级磁芯均选择具有环形结构的罐形磁芯，将初次级绕组分别绕于各自的骨架上，线圈的轴线与旋转轴重合。变压器的初级固定在支架上，而次级固定在旋转轴上，初次级间距一般约0.15 mm。对于变压器来说，交变电流的频率越高其体积越小，为了便于安装，可将频率提高，降低变压器的体积。磁芯材料直接影响到变压器性能，这里选择饱和磁感应度较高的铁氧体材料R2KB，其最高使用频率为150 kHz。由于这种变压器初次级分离，耦合系数较低，因此常通过提高电源效率及利用电容容抗补偿漏电抗等方法提高感应电源的传输功率。

　　变压器初级输入的交流信号采用100 kHz 的方波信号，由555 产生，但由于555 输出的电流非常小，必须对电流信号进行功率放大才能给变压器提供足够的激磁电流。这里采用14 W的HI-F1音频功率放大器TDA2030AT，它采用TO-220 封装，外围元件少，性能优异，具有频率响应宽和速度快等特点，应用电路如图3 所示。

　　值得注意的是，要想让功放电路输出较大功率，必须注意阻抗匹配问题，只有在TDA2030 负载阻抗在4~16 之间，电路才能达到最佳阻抗匹配，为此可减小变压器的初级绕组电阻，但这样会使得初次级绕组的电流增大而增加铜损和铁损，致使变压器的效率降低。因此，变压器的输出效率和功放的输出功率存在一定的矛盾，要根据实际需要进行调整。

　　变压器次级输出的是交流信号，为了给轴上的应变桥及调理电路供电，需将交流信号整流并稳压，这里采用稳压管7805 及7812 提供5 V和12 V的直流电。

3 信号调理

　　由于应变桥输出的扭矩测量电压信号通常为mV 级，并且存在一定的共模干扰信号，因此有必要对信号进行放大。放大电路须具备较高的共模抑制比，高稳定性，低零漂，高精度等特点，因此这里选择采用仪表放大器AD623，它具有低功耗，高输入阻抗，优良的共模抑制等特点。调理电路如图4 所示。

　　AD623增益大小G 由电阻R1 决定，根据公式R1=100 k赘/（G-1）来取值，由于本设计中MCU 选取的为AD滋C812，内嵌12 位AD 转换器，片内提供2.5 V基准电压，当AD 的基准电压选择片内的2.5 V电压时，其有效的模拟电压输入为0~2.5 V，为了保证输入的电压在这个范围之内，放大电路的增益选择为51，因此R1 选择2 k赘的精密电阻。OP491组成电压跟随器，保证了模拟输入前端的输出阻抗很小。为了避免不合要求的电压损坏AD转换器，使用两个二极管保证AD的输入电压在0~5 V范围内。

 

0 引言

　　在旋转动力传递系统中，扭矩是众多机械测量中的一个重要的参数。由于在这类系统中的转动部件高速旋转的特点，相比传统的接触式测量方法，使得扭矩测量中的传感器供电和数据传输过程比较困难。目前，传统的扭矩测试从供电方式上可分为接触式和非接触式供电，前者常采用导电滑环来实现，但由于其采用摩擦接触，因此不可避免的产生发热和磨损，影响了转轴的转速及滑环的使用寿命，还有些系统采用电池供电，而电池储能有限，给测量带来不便，因此，非接触式供电成为解决以上问题的有效方法。目前常用的非接触式供电有光电能传输，射频电能传输和感应电能传输等，由于光电能损耗大，射频电能传输受天线影响较大，因此本文选用了感应电能传输方式。

　　另外，本系统采用无线传输技术来传输传感器输出的测量信号。

1 系统硬件结构

　　扭矩测量主要有三个环节：信号的拾取，信号的处理（含信号传输）及信号的显示和记录。系统的总体结构如图1 所示，本文采用的扭矩传感器是以金属材料为敏感元件的专用测扭应变片。由物理学可知大多数金属在弹性变形范围内的应变与电阻变化率成线性关系，应用这一金属丝的应变效应，将应变片用应变胶粘在被测的弹性轴上组成应变桥，给应变桥供电，当弹性轴受扭时应变桥输出同扭矩大小成线性关系的电压信号。将所得的电压信号进行滤波放大，使其电压范围符合MCU 片内AD采样要求，进行AD转换后将转换结果送入编码器，在对测量信号进行编码后送入发射模块。接收模块接收到测量信号后经过解码器送入MCU进行处理显示。整个发射部分被固定在被测轴上，由静止端的变压器初级绕组感应供电。

2 非接触供电

　　由于扭矩检测部分处于高速旋转状态，因此本系统采用感应电能传输技术。这种传输方式应用变压器进行能量传输，与传统的变压器不同的是，这里的变压器是将初次级绕组分开，分别处于不同的磁芯上，交流电源信号从固定的初级绕组通过交变磁场感应到旋转的次级绕组，经过整流稳压后为轴上电路供电。旋转变压器的剖面结构如图2所示。

　　变压器初级和次级磁芯均选择具有环形结构的罐形磁芯，将初次级绕组分别绕于各自的骨架上，线圈的轴线与旋转轴重合。变压器的初级固定在支架上，而次级固定在旋转轴上，初次级间距一般约0.15 mm。对于变压器来说，交变电流的频率越高其体积越小，为了便于安装，可将频率提高，降低变压器的体积。磁芯材料直接影响到变压器性能，这里选择饱和磁感应度较高的铁氧体材料R2KB，其最高使用频率为150 kHz。由于这种变压器初次级分离，耦合系数较低，因此常通过提高电源效率及利用电容容抗补偿漏电抗等方法提高感应电源的传输功率。

　　变压器初级输入的交流信号采用100 kHz 的方波信号，由555 产生，但由于555 输出的电流非常小，必须对电流信号进行功率放大才能给变压器提供足够的激磁电流。这里采用14 W的HI-F1音频功率放大器TDA2030AT，它采用TO-220 封装，外围元件少，性能优异，具有频率响应宽和速度快等特点，应用电路如图3 所示。

　　值得注意的是，要想让功放电路输出较大功率，必须注意阻抗匹配问题，只有在TDA2030 负载阻抗在4~16 之间，电路才能达到最佳阻抗匹配，为此可减小变压器的初级绕组电阻，但这样会使得初次级绕组的电流增大而增加铜损和铁损，致使变压器的效率降低。因此，变压器的输出效率和功放的输出功率存在一定的矛盾，要根据实际需要进行调整。

　　变压器次级输出的是交流信号，为了给轴上的应变桥及调理电路供电，需将交流信号整流并稳压，这里采用稳压管7805 及7812 提供5 V和12 V的直流电。

3 信号调理

　　由于应变桥输出的扭矩测量电压信号通常为mV 级，并且存在一定的共模干扰信号，因此有必要对信号进行放大。放大电路须具备较高的共模抑制比，高稳定性，低零漂，高精度等特点，因此这里选择采用仪表放大器AD623，它具有低功耗，高输入阻抗，优良的共模抑制等特点。调理电路如图4 所示。

　　AD623增益大小G 由电阻R1 决定，根据公式R1=100 k赘/（G-1）来取值，由于本设计中MCU 选取的为AD滋C812，内嵌12 位AD 转换器，片内提供2.5 V基准电压，当AD 的基准电压选择片内的2.5 V电压时，其有效的模拟电压输入为0~2.5 V，为了保证输入的电压在这个范围之内，放大电路的增益选择为51，因此R1 选择2 k赘的精密电阻。OP491组成电压跟随器，保证了模拟输入前端的输出阻抗很小。为了避免不合要求的电压损坏AD转换器，使用两个二极管保证AD的输入电压在0~5 V范围内。

 

4 无线收发电路

　　发射接收示意图如图5所示，应变桥输出的电信号经过调理电路进行AD 转换，并将转换后的十二位并行数据依次送入编码器编码后由发射模块发射至接收模块。接收到的信号经过解码后送入单片机进行数据处理，得到扭矩值并显示。本系统采用的是数字信号传输，虽然模拟信号非常便于传输，但由于其对干扰信号十分敏感，容易在传输过程中造成幅值和相位的畸变，而数字信号的对这些噪声不敏感，因此抗干扰性较强。

　　本文中的编码器选择PT2262，通过外接振荡电路产生振荡，外接振荡电阻可根据需要进行适当的调节，阻值越大振荡频率越慢，编码的宽度越大，发送一帧数据的时间越长。当AD滋C812 给发送端TE 一个大于2262 连续发送三组码的周期的低脉冲时，就可以触发振荡器产生振荡，地址和输入的数据将一起被编码。PT2262 编码器的高8位地址码和低4 位数据码组成一个码字，因此AD采样结果分三次发送，由高到低逐次发送这12 位数据。发送数据时每帧数据中间都由同步码隔开,同步码的长度为4 倍的地址/数据码位宽的长度，其中含一个1/8 地址/数据码位宽度的脉冲。

　　解码器采用与PT2262 配套的PT2272，解码器PT2272 的地址码必须与编码器PT2262 的地址码完全相同时，才能对接收到的数据进行解码并输出。PT2262 每次发射时至少发射4 组字码，PT2272 只有在连续两次检测到相同的地址码和数据码时才会令VT 端为高电平同时用数据码中的“1”驱动相应的数据输出端为高电平。VT 端与AD滋C812 的外部中断脚相连，当VT端为高时，说明接收到数据，触发单片机中断，读入数据进行处理。需要注意的是，当PT2262和PT2272 配套使用时，解码器的时钟振荡频率必须是编码器时钟振荡频率的2.5耀8 倍，编解码电路的振荡电阻分别采用3.3 M赘和680 k赘即可有较好的收发距离。

　　发射模块选择微功率无线发射模块F05P，接收模块为超再生接收模块J04V。F05采用声表谐振器稳频，SMT 树脂封装，频率一致性较好，免调试，具有较宽的工作电压范围及低功耗特性。F05天线长度在0耀250 mm 之间调节。接收模块J04V的电压在3-3.2 V时具有最佳的接收灵敏度。另外接收电路不适合使用纹波系数跃50 mV 的开关

　　电源，因为接收模块对电源的纹波很敏感。F05和J04V 都应垂直安装在抑制板边部，并应距离周围器件5 mm以上，以免受分布参数影响而停振。

5 软件设计

　　本系统采用单片机AD滋C812 进行控制，发射端单片机主要负责对扭矩测试信号进行AD采样并将结果送入编码器发射，接收端在接收到正确信号后进行数据处理并显示。为了提高传输的准确性，PT2262 的一帧数据连续发送4 次。当给TE一个持续的低电平时，PT2262 就连续发送数据，每一帧发送4 次。AD转换的结果由高到低分三次发送，根据所选的振荡电阻阻值，可得出发送完一帧数据的时间大约为30 ms，因此单片机每次使能编码器发送数据的时间间隔应跃30 ms。

　　由于F05 对过宽的调制信号易出现调制效率下降、收发距离变近的现象，而当脉冲低电平宽度跃10 ms 时，接收到的数据第一位极易被干扰（即零电平干扰）而引起不解码，因此在通信过程中以0CH作为一帧数据的开头，0AH为结尾。接收端采用中断方式，当接收端检测到正确的数据才进行处理。发射和接收端单片机的程序流程图如图6所示。

6 结语

　　本文详细介绍了扭矩测试系统的软硬件设计。在硬件设计中，介绍了基于感应电能传输的非接触供电方式为旋转轴上的测试电路供电，在扭矩测试信号传输方面，采用了数字信号通信方法，加入了简单的握手协议，降低了接收误码的可能性。本设计成本低，结构简单，具有一定的实用性。