一種非接觸式扭矩測試系統(tǒng)的設計

　　在旋轉動力傳遞系統(tǒng)中，扭矩是眾多機械測量中的一個重要的參數。由于在這類系統(tǒng)中的轉動部件高速旋轉的特點，相比傳統(tǒng)的接觸式測量方法，使得扭矩測量中的傳感器供電和數據傳輸過程比較困難。目前，傳統(tǒng)的扭矩測試從供電方式上可分為接觸式和非接觸式供電，前者常采用導電滑環(huán)來實現，但由于其采用摩擦接觸，因此不可避免的產生發(fā)熱和磨損，影響了轉軸的轉速及滑環(huán)的使用壽命，還有些系統(tǒng)采用電池供電，而電池儲能有限，給測量帶來不便，因此，非接觸式供電成為解決以上問題的有效方法。目前常用的非接觸式供電有光電能傳輸，射頻電能傳輸和感應電能傳輸等，由于光電能損耗大，射頻電能傳輸受天線影響較大，因此本文選用了感應電能傳輸方式。

　　另外，本系統(tǒng)采用無線傳輸技術來傳輸傳感器輸出的測量信號。

1 系統(tǒng)硬件結構

　　扭矩測量主要有三個環(huán)節(jié)：信號的拾取，信號的處理（含信號傳輸）及信號的顯示和記錄。系統(tǒng)的總體結構如圖1 所示，本文采用的扭矩傳感器是以金屬材料為敏感元件的專用測扭應變片。由物理學可知大多數金屬在彈性變形范圍內的應變與電阻變化率成線性關系，應用這一金屬絲的應變效應，將應變片用應變膠粘在被測的彈性軸上組成應變橋，給應變橋供電，當彈性軸受扭時應變橋輸出同扭矩大小成線性關系的電壓信號。將所得的電壓信號進行濾波放大，使其電壓范圍符合MCU 片內AD采樣要求，進行AD轉換后將轉換結果送入編碼器，在對測量信號進行編碼后送入發(fā)射模塊。接收模塊接收到測量信號后經過解碼器送入MCU進行處理顯示。整個發(fā)射部分被固定在被測軸上，由靜止端的變壓器初級繞組感應供電。

2 非接觸供電

　　由于扭矩檢測部分處于高速旋轉狀態(tài)，因此本系統(tǒng)采用感應電能傳輸技術。這種傳輸方式應用變壓器進行能量傳輸，與傳統(tǒng)的變壓器不同的是，這里的變壓器是將初次級繞組分開，分別處于不同的磁芯上，交流電源信號從固定的初級繞組通過交變磁場感應到旋轉的次級繞組，經過整流穩(wěn)壓后為軸上電路供電。旋轉變壓器的剖面結構如圖2所示。

　　變壓器初級和次級磁芯均選擇具有環(huán)形結構的罐形磁芯，將初次級繞組分別繞于各自的骨架上，線圈的軸線與旋轉軸重合。變壓器的初級固定在支架上，而次級固定在旋轉軸上，初次級間距一般約0.15 mm。對于變壓器來說，交變電流的頻率越高其體積越小，為了便于安裝，可將頻率提高，降低變壓器的體積。磁芯材料直接影響到變壓器性能，這里選擇飽和磁感應度較高的鐵氧體材料R2KB，其最高使用頻率為150 kHz。由于這種變壓器初次級分離，耦合系數較低，因此常通過提高電源效率及利用電容容抗補償漏電抗等方法提高感應電源的傳輸功率。

　　變壓器初級輸入的交流信號采用100 kHz 的方波信號，由555 產生，但由于555 輸出的電流非常小，必須對電流信號進行功率放大才能給變壓器提供足夠的激磁電流。這里采用14 W的HI-F1音頻功率放大器TDA2030AT，它采用TO-220 封裝，外圍元件少，性能優(yōu)異，具有頻率響應寬和速度快等特點，應用電路如圖3 所示。

　　值得注意的是，要想讓功放電路輸出較大功率，必須注意阻抗匹配問題，只有在TDA2030 負載阻抗在4~16 之間，電路才能達到最佳阻抗匹配，為此可減小變壓器的初級繞組電阻，但這樣會使得初次級繞組的電流增大而增加銅損和鐵損，致使變壓器的效率降低。因此，變壓器的輸出效率和功放的輸出功率存在一定的矛盾，要根據實際需要進行調整。

　　變壓器次級輸出的是交流信號，為了給軸上的應變橋及調理電路供電，需將交流信號整流并穩(wěn)壓，這里采用穩(wěn)壓管7805 及7812 提供5 V和12 V的直流電。

3 信號調理

　　由于應變橋輸出的扭矩測量電壓信號通常為mV 級，并且存在一定的共模干擾信號，因此有必要對信號進行放大。放大電路須具備較高的共模抑制比，高穩(wěn)定性，低零漂，高精度等特點，因此這里選擇采用儀表放大器AD623，它具有低功耗，高輸入阻抗，優(yōu)良的共模抑制等特點。調理電路如圖4 所示。

　　AD623增益大小G 由電阻R1 決定，根據公式R1=100 k贅/（G-1）來取值，由于本設計中MCU 選取的為AD滋C812，內嵌12 位AD 轉換器，片內提供2.5 V基準電壓，當AD 的基準電壓選擇片內的2.5 V電壓時，其有效的模擬電壓輸入為0~2.5 V，為了保證輸入的電壓在這個范圍之內，放大電路的增益選擇為51，因此R1 選擇2 k贅的精密電阻。OP491組成電壓跟隨器，保證了模擬輸入前端的輸出阻抗很小。為了避免不合要求的電壓損壞AD轉換器，使用兩個二極管保證AD的輸入電壓在0~5 V范圍內。

0 引言

　　在旋轉動力傳遞系統(tǒng)中，扭矩是眾多機械測量中的一個重要的參數。由于在這類系統(tǒng)中的轉動部件高速旋轉的特點，相比傳統(tǒng)的接觸式測量方法，使得扭矩測量中的傳感器供電和數據傳輸過程比較困難。目前，傳統(tǒng)的扭矩測試從供電方式上可分為接觸式和非接觸式供電，前者常采用導電滑環(huán)來實現，但由于其采用摩擦接觸，因此不可避免的產生發(fā)熱和磨損，影響了轉軸的轉速及滑環(huán)的使用壽命，還有些系統(tǒng)采用電池供電，而電池儲能有限，給測量帶來不便，因此，非接觸式供電成為解決以上問題的有效方法。目前常用的非接觸式供電有光電能傳輸，射頻電能傳輸和感應電能傳輸等，由于光電能損耗大，射頻電能傳輸受天線影響較大，因此本文選用了感應電能傳輸方式。

　　另外，本系統(tǒng)采用無線傳輸技術來傳輸傳感器輸出的測量信號。

1 系統(tǒng)硬件結構

　　扭矩測量主要有三個環(huán)節(jié)：信號的拾取，信號的處理（含信號傳輸）及信號的顯示和記錄。系統(tǒng)的總體結構如圖1 所示，本文采用的扭矩傳感器是以金屬材料為敏感元件的專用測扭應變片。由物理學可知大多數金屬在彈性變形范圍內的應變與電阻變化率成線性關系，應用這一金屬絲的應變效應，將應變片用應變膠粘在被測的彈性軸上組成應變橋，給應變橋供電，當彈性軸受扭時應變橋輸出同扭矩大小成線性關系的電壓信號。將所得的電壓信號進行濾波放大，使其電壓范圍符合MCU 片內AD采樣要求，進行AD轉換后將轉換結果送入編碼器，在對測量信號進行編碼后送入發(fā)射模塊。接收模塊接收到測量信號后經過解碼器送入MCU進行處理顯示。整個發(fā)射部分被固定在被測軸上，由靜止端的變壓器初級繞組感應供電。

2 非接觸供電

　　由于扭矩檢測部分處于高速旋轉狀態(tài)，因此本系統(tǒng)采用感應電能傳輸技術。這種傳輸方式應用變壓器進行能量傳輸，與傳統(tǒng)的變壓器不同的是，這里的變壓器是將初次級繞組分開，分別處于不同的磁芯上，交流電源信號從固定的初級繞組通過交變磁場感應到旋轉的次級繞組，經過整流穩(wěn)壓后為軸上電路供電。旋轉變壓器的剖面結構如圖2所示。

　　變壓器初級和次級磁芯均選擇具有環(huán)形結構的罐形磁芯，將初次級繞組分別繞于各自的骨架上，線圈的軸線與旋轉軸重合。變壓器的初級固定在支架上，而次級固定在旋轉軸上，初次級間距一般約0.15 mm。對于變壓器來說，交變電流的頻率越高其體積越小，為了便于安裝，可將頻率提高，降低變壓器的體積。磁芯材料直接影響到變壓器性能，這里選擇飽和磁感應度較高的鐵氧體材料R2KB，其最高使用頻率為150 kHz。由于這種變壓器初次級分離，耦合系數較低，因此常通過提高電源效率及利用電容容抗補償漏電抗等方法提高感應電源的傳輸功率。

　　變壓器初級輸入的交流信號采用100 kHz 的方波信號，由555 產生，但由于555 輸出的電流非常小，必須對電流信號進行功率放大才能給變壓器提供足夠的激磁電流。這里采用14 W的HI-F1音頻功率放大器TDA2030AT