工程车辆无线扭矩测试系统的设计与应用

孙 玥

（上海岩土工程勘察设计研究院有限公司天津分公司，天津 300000）

如今，工程车辆多种多样，在动力传递过程中，机械设备传动系统的传动轴必须承受扭矩骤变、过载运行、高振幅振动和冲击的不利影响。实现传动轴、半轴的扭矩检测，有利于确保施工和生产设备的安全稳定运行。在工程测试和产品开发的过程中，有利于优化测试产品的性能，实现对设备的控制和管理。在车辆的运行过程中，半轴高速旋转、安装空间狭小、振动冲击较大以及油污高温环境，不适合采用体积较大、在线式传输的扭矩传感器。随着MEMS、射频技术的发展，集成电路制造技术日趋成熟，无线射频收发器芯片种类越来越多，而且集成度越来越高，尺寸小巧的无线扭矩测试系统是目前需要的扭矩监控方案。

1 扭矩测量技术的发展

扭矩是各种机械传动轴的基本载荷形式，扭矩分为静态扭矩和动态扭矩。半轴输出的扭矩是一种动态扭矩。扭矩传感器已广泛应用在现代测量。当前，国内外扭矩传感器种类繁多，从原理上讲，主要有压磁式、转角相位差式和应变式等测量方法。每种方法都有其一定的适用范围和优缺点，其中应变式测试是发展最成熟、应用最广泛、最成熟的测量方法之一。

近年来还有一些扭矩测量技术出现，如无线无源声表面波测量、光纤式和电容式扭矩测量技术。无线无源声表面波式又叫SAW传感器，通过雷达技术测量轴变形前后被反射的SAW波的相速度的变化来测量扭矩。

2 无线扭矩测试系统总体设计

2.1 无线扭矩测试系统的组成

无线扭矩测试系统是一套涵盖多门测试技术的综合性系统，涉及传感器技术、应变电测技术、射频通信技术以及数字信号处理等多个学科。无线扭矩测试系统由传感器、无线发射模块、接收调理模块和上位机软件四部分组成。系统的发射器采用电池供电方式，这样的设计主要为缩小无线发射器的体积，来满足多种车型不同尺寸的半轴测试。测试系统的传感器部分采用电阻应变片来测扭矩信号。无线发射模块采用2.4GHz短距离无线通信技术，其传输频率为2.4GHz，而且该类型芯片种类较多，最后选择nRF24L01无线传输模块发送和接收数据；数据采集卡选用国家仪器NI公司的多通道采集模块NI9205，上位机使用LabVIEW作为开发平台。

2.2 无线扭矩测试系统的工作框图

无线扭矩测试系统整体由两部分组成：静止部分和旋转部分。旋转部分如何与静止部分进行通信，以及旋转部分如何设计可谓系统设计的难点。发射器需要固定在旋转轴上跟着轴一起旋转。轴支持的最高转速和发射器能承受的离心力大小，以及发射器可测试的轴直径和传输到静止部分的距离都是人们需要考虑的因数。本课题的无线扭矩测试系统总体设计框图如图1所示。

图1 无线扭矩测试系统工作流程

无线扭矩测试系统的工作流程：无线扭矩测试系统的桥路激励由可长时间工作的内置电池提供，发射器固定在旋转轴上。扭矩电阻应变片输出的微小电压信号经放大、平滑滤波、A/D转换后经发射模块通过射频传输由内置天线传输到静止部分的接收天线。信号调理模块将接收的数字信号转换为高带宽的模拟电压信号。数据采集卡采集并存储电压值，由上位机软件实时显示和分析。

2.3 数据采集模块和上位机软件

上位机软件搭载在NI的数据采集板卡。笔者选用NI-9205数据采集卡，它支持32通道的信号采集、USB通信、可以直接由上位机电脑供电。上位机采集软件使用程序设计语言Labview来开发实现，完成实时数据波形显示、信号强度指示、参数配置、滤波器选择、采样频率设置、数据保存和数据回放等功能。

上位机软件按主要功能可分为参数配置模块、数据采集模块、数据存储及回放模块和滤波模块。主要功能模块又包含实现具体功能的单一功能模块，从而实现需求的各项功能。软件采用良好的操作界面，操作简便、数据显示直观、形象，各模块间有必要的连锁，保证软件在可控的流程下工作。

3 系统关键模块的详细设计与实现

3.1 无线发射模块

首先考虑到发射模块的体积要足够小，目前市场上的半轴的直径尺寸在20mm以上，弧形的设计可以很好地与半轴贴合，而且可以很好地固定。目前无线发射器需要的轴向尺寸为50.8mm，垂向高度19.8～20.1mm。这样只要有2cm的安装空间就可以实现测量。

3.2 放大电路方案

扭矩电阻应变片输出毫伏级电压信号，为了减少噪声和干扰，必须先放大应变电桥产生的mv信号。笔者选择PGA309来实现，PGA309是一个款可将差分信号进行编程的调节器，不仅放大了应变片输出的扭矩信号，并且为零点测量范围、零点漂移、测量范围漂移和线性误差提供了精确的数字校准。外部校准参数存储在非易失性存储器中，为避免手动微调，保证长时间稳定输出。左上角为ADI的电压参考芯片，可以提供校准，保证输出一个稳定的参考电压。

3.3 无线收发模块

目前市面上无线传输芯片和控制芯片种类较多。MSP430单片机具有可靠性高、功耗低、体积小、价格低和使用方便等优点，NRF系列芯片外围部件少、集成度高、功耗低，而且NRF24L01芯片可以连接各种单片机芯片。考虑到发射器要尺寸小，而芯片需成本低且电池供电低能耗，笔者采用MSP430单片机来做控制，NRF24L01芯片作为无线扭矩测试系统的射频芯片。此款芯片内部包含频率发生器、功率放大器、晶体振荡器、调制器、解调器和增强型“SchockBurst”模式控制器等功能模块。

3.4 开发环境

无线扭矩测试系统集射频通信技术、应变电测技术、信号处理技术、现代网络技术为一身。Windows 7是上位机软件所用操作系统，开发环境是LabVIEW 2015。LabVIEW是一种图形化编程语言。它用图标代替文本行创建应用程序。传统文本编程语言根据语句和指令的顺序确定执行顺序，而LabVIEW采用数据流编程，程序框图中节点之间的数据流决定了程序执行顺序和VI功能。VI是指LabVIEW的程序模块。

LabVIEW集成了信号采集、测量、分析和数据显示等一系列功能，摒弃了传统开发工具的复杂性，同时提供了强大的测控功能，保证了系统的灵活性。LabVIEW在同一个环境中集成了数据采集、分析与显示功能，使得测试工程师能够高效地集成一套完整的测试应用系统。

4 无线扭矩测试系统的测试和验证

扭矩标定试验台架通过一个高精度的在线扭矩传感器来控制扭矩的输入，保证输出的扭矩是一个恒定的扭矩值。笔者采用取点法加拟合直线的方法来计算传感器系统的线性度和灵敏度。常规半轴的测试输出扭矩在0～900N·m，在这个范围内选取10个输入点，采集并记录无线扭矩测试系统的输出。测试数据通过最小二乘法线性拟合，得出无线扭矩测试系统的输出线性度良好，如图2所示。

从图2可以看出，系统的灵敏度为88.793（N·m）/V。本课题设计的无线扭矩测试系统的偏差最大的点在100N·m输入值附近，根据线性度计算公式可以得出，系统的线性度为0.77%，考虑到重复性和安装因素的影响，测试系统的精度在1%的精度范围内。

图2 扭矩输出拟合直线

5 结论

本课题设计的电池供电的数字化传输的无线扭矩测试系统，经过充分的需求分析、硬件设计和软件开发以及对功能的细致实现，系统经过试验标定并在实际测试过程中取得了良好的效果，达到了课题设计的目标并已经市场化。

当前，成熟的无线产品多用于车辆传动轴的扭矩测试，而此套系统是对当前半轴扭矩测试的补充和完善。同时，一套系统可以支持多种车型的扭矩测试，不仅为和半轴相关的生产测试单位提供了测试方法，而且为企业节约了研发测试成本。本课题的核心电路还可以用于常规应变式传感器的采集与无线传输，具有良好的适应性和性价比，有助于其更好地为整车厂提供测试服务。可见，无线扭矩测试具有很大的市场潜力和实际价值。

[1]温志明，康向东.测定扭矩的电测法[J].实用测试技术，2001，（6）：20-21.

[2]胡颖勇，刘世元，陈勇辉，等.应变式扭矩仪测量信号的无线传输技术[J].传感器技术，2002，（2）：1-3.

[3]王登泉，杨明，叶林，等.非接触式旋转轴扭矩测量现状[J].电子测量技术，2010，33（6）：8-11

[4]文建芹，张永忠.扭矩传感器的现状与趋势[J].传感器技术，2003，（11）：44-48.

[5]魏学业.传感器与检测技术[M].北京：人民邮电大学出版社，2012.

[6]秦世伦.材料力学[M].成都：四川大学出版社，2008.