一种旋转构件扭矩信号测试系统

1、一种旋转构件扭矩信号测试系统谭定忠 1, 雷红旗 2, 王殿君 3, 姜正武 3(1. 哈尔滨工业大学 机电工程学院 , 黑龙江 哈尔滨 150001; 2. 中央广播电视大学 教务处 , 北京 100031; 3. 哈尔滨工程大学 机电工程学院 , 黑龙江 哈尔滨 150001摘 要 :介绍了一种基于 AVR 单片机和无线传输模块的旋转构件扭矩信号测试系统的结构和工作原理 , 并进行了实验 ; 实验证明 , 该系统能够满足高速旋转构件动态扭矩信号测量时对速度和准确度的要求 。 关键词 :扭矩 ; 动态测量 ; AVR 单片机 ; 无线传输中图分类号 :TP216 文献标识码 :A 文章编号

2、:1000-9787(2002 04-0057-02R evolving spindle dynamic torque measure system TAN Ding 2zhong 1, L EI Hong 2qi 2, WAN G Dian 2jun 3, J IAN G Zheng 2wu 3(1. Coll of Mech and E lct E ngin. , H arbin I nstitute of T echnology , H arbin 150001,China ;2. Dean s Off ice ,China C entral R adio &TV U niver

3、sity , B eijing 100031,China ;3. Coll of Mech and E lct E ngin. , H arbin E , HAbstract :The structure and principal of dynamic torque measure spindle sin 2 gle chip processor and wireless transfcer are and proved that the system can meet the demand on velocityK ey w ords :torque ; ; ; wireless tran

4、sfer0 引 言试 , 虽然人们试图通过各种办法对动态扭矩信号进 行测量 , 研制出了磁弹性扭矩传感器 、 振弦式扭矩传 感器 、 以及各种基于其它物理效应的扭矩传感器 , 但 目前应用最广泛的是基于应变测量的扭矩测试方 法 。 对旋转构件进行扭矩测量时 , 通常将应变计粘 贴在被测轴上 , 或将扭矩传感器与被测轴刚性连接 在一起 , 通过集流器将应变信号传送至测量仪器 。 常用的集流器有拉线式 、 电刷式 、 水银式 、 感应式四 种 , 拉线式集流器使用时磨损严重 , 是一次性使用的 集流器 , 适用于低速旋转构件应变测量 ; 电刷式集流 器工作性能较好 , 可用于较高转速下扭矩测量 ,

5、 但构 件高速旋转时定子 、 转子发热会导致信号漂移 , 从而 出现测量误差 ; 水银集流器有毒 , 近年来已很少使 用 ; 感应式集流器是利用电磁感应传递应变信号的 非接触集流器 , 但其动静线圈之间的间隙和变压器 损耗会引起标定值变化 , 间隙变化所引起的磁阻变 化也会影响测量结果 , 而且其测量的转速不高 、 且价收稿日期 :2001-11-30 格较高 , 难以满足不同层次的用户的要求 1。因此 提出了一种基于 AVR 单片机和无线收发模块的动 态扭矩信号测试系统 , 该系统体积小 、 成本低 、 工作 可靠 , 可用于高速旋转构件的扭矩测量 。1 工作原理系统结构框图如图 1 所示。

6、图 1 系统结构框图Fig 1 B lock diagram of structure for torque measure 测量电桥是粘贴在扭矩传感器上的应变计构成 的全桥电路 , 电桥输出信号经信号调理电路转换放 大成为 AVR 单片机 A/D 转换接口适用的电压信 号 , 如图 2所示是信号调理电路原理图 。 AVR 单片 机综合了半导体集成技术和软件性能的新结构 , 具 有功耗低 、 运算速度快 、 数据存储可靠 、 价格便宜 、 功 能 强 、 电源电压要求范围宽等优点 。 选用的 AVR 75 2002年 第 21卷 第 4期 传感器技术 (Journal of Transduce

7、r Technology 单片机型号为 A T90S4433,A T90S4433为双列直插 式 28管脚结构 , 全双工异步收发器 , 能够满足系统 工作对速度和准确度的要求 2。采样时间由软件 决定 , 采集后的数据直接由串行通信口通过无线发 射模块发出 。 无线发射模块和无线接收模块都采用 PTR2000 。图 2 信号处理电路Fig 2 Signal processing circuit 在数据的发射 、 接收和传播过程中 , 电电压 、 噪声 、 线负载 、 降低 、 带内干扰和频 , 因此在数据的传 输过程中要遵守一定的协议以保证接收端能正确地 接收到从发射端发射来的数据 , 并确

8、定所收数据是 否是实际数据 。 协议将主要数据分割成一定格式的 数据 , 并增加一些额外的信息用于纠错 , 这个过程叫 做打包 。 在接受端 , 协议去掉这些额外信息 , 只留下 初始信息 , 这个过程叫解包 。协议的第一件事就是 能够识别噪声和有效数据 , 噪声是以随机字节的形 式出现的 , 测试和试验发现 0FFH 后跟一 00H 在噪 声中不容易发生 , 传输协议应该在数据前加开始字 节 0FFH 后跟 00H , 接收协议规定只接收以 0FFH 后跟 00H 开始的包 。传输过程中错误检测可通过 奇偶校验和校验和来实现 , 校验和是将所有的字节 相加然后将结果截断到所需的字长 , 如三

9、个字节分 别为 :34、 245、 125, 则校验和 149。校验和能够检测 到比奇偶校验更多的错误 。当检测到数据错误时 , 要对数据进行纠正 , 本文中对每一个数据都发送三 次 , 一旦发现一个数据错误 , 其余两个可用来纠错 , 如接收模块接收到的三个数据为 :00001011 错误 数据 、 10101010、 10111010, 则被纠正后的数据为10101010。 纠正后的数据要重新进行校验 , 若校验错误 , 则数据没有被改正 , 不可用 , 丢掉 , 若校验正 确 , 则数据可用 。本系统中上位机采用 MCS 251单片机 , 系统中 扩展了一片 RAM (62256 、 一

10、片 ROM (27256 、 一 片 8255, 外接图形点阵式液晶显示器 EDM240128, 可显示汉字 、 数据 、 并可显示数据曲线 ; 系统还可接 标准宽行针式打印机 , 打印汉字 、 数据 、 图表等 。 2 实 验首先对无线数据传输部分进行数据传输实验 , 上位机和下位机之间能够可靠地进行数据通讯 。 对 扭矩传感器进行静态标定 , 然后利用该系统对某设 备主轴旋转时的动态扭矩信号进行测试实验 , 测试 数据如图 3所示 。图 3 主轴加速时的扭矩信号Fig 3 T orque signal of the axle when it speeding up 实验结果表明 , 该测试系统能够满足对扭矩信 号测试的准确度和速度要求 。 3 结 论该测试系统体积小、 质量轻 、 结构简单 、 成本低 、 功耗小 、 工作可靠 、 耐冲击振动 、 安装使用方便 , 避免 了从旋转构件引线困难 、 存在接触电阻 、 信号漂移 、 噪声大的问题 , 适用于近距离对高速旋转构件动态 扭矩信号的测量 。 参考文献 :1张如一 , 沈观林 , 李朝弟 . 应变电测与