皮带轮式无线应变扭矩测量系统设计
摘要
转轴是机械中用于传递运动及动力的最常用的部件,扭矩正是最直接反映转轴运行状态的重要参数。扭矩的周期性变化会造成转轴的疲劳断裂,过大的扭矩还有可能导致转轴扭转变形断裂,甚至会造成严重的生产事故,因此提高扭矩测量的准确性以及扭矩异常分析的可靠性,是减少事故发生、保证生产正常进行的重要手段,具有重要的现实意义。转轴是机械中用于传递运动及动力的最常用的部件，扭矩正是最直接反映转轴运行状态的重要参数。提高扭矩测量的准确性以及扭矩异常分析的可靠性，是减少事故发生、保证生产正常进行的重要手段，因此设计一种在线扭矩监测系统十分必要。本文分析比较了国内外扭矩测量系统的发展状况，结合现代工业、农业机械设备测试的需求，设计了一种新型应变式扭矩测量系统。鉴于信号采集发射模块固定在转轴上的特殊需求，系统采用高性能C8051F120单片机实现片内12位精度的A/D转换及控制功能。考虑到工业设备、农业机械工作环境的复杂性，选用WAP200B无线传输模块传输单片机和PC机间的通信数据，利用433MHz无线数据传输专用频段实现了扭矩的非接触式在线测量，克服了传统集流环有线传输的缺陷，便于在艰苦恶劣环境中得到应用。终端PC机使用Lab VIEW软件进行数据采集处理虚拟仪器平台的设计，实现了PC机与无线模块的串行通信，测量信号的在线实时采集、分析、计算和存储功能，人机交互性好，用户可实时观察电压及扭矩值的变化，测试结束后还可读取存储的数据文件进行详细分析。系统软件设计强调模块化编程，开发周期短，可维护性好。模拟测试实验结果表明系统运行速度快，传输精度高，误差小，便于远距离实现旋转机械的扭矩测量。
本论文设计的应变式扭矩测量系统体积小巧，工作可靠，是一款工业、农业旋转机械普遍适用的扭矩测量系统，在农业机械野外测量领域的适用性尤为显著。
关键词 扭矩测量；单片机；无线传输；Lab VIEW；标定
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1.绪论
1.1研究背景
迄今为止，旋转轴扭矩传感技术经过长期不断的发展形成了以应变测量和扭矩转角为测量为对象的两类传感器技术，根据扭矩信号传输方式，即传感器输出信号从旋转轴上的敏感元件传输到静态上又可以分为接触式测量和非接触测量。扭矩传感器技术利用电学、光学、光电子学、电磁学等原理，形成了电阻应变式、电感式、光电式、磁电相位差式、激光光纤等扭矩传感器。不同的传感器具有不同的应用领域，不同的测量条件和测量精度。
随着我国水利事业的发展，三峡工程及其他多项水力发电站的建立，急需能对水轮机主轴系统进行扭矩检测的测试设备，以监控整个系统的工作状况。水轮机主轴系统具有特殊的工作环境及工作条件，由于工作条件恶劣，如强电磁干扰，温度及湿度调价复杂，同时对主轴工作的安全性要求特别高，要求测量系统能够及时可靠的进行报警。这些都是传统扭矩测量仪和测试手段无法完全解决的。
无线应变传感器节点使用简单方便，极大地节约了测试中由于反复布设有线数据采集设备而消耗的人力和物力，无线数字信号传输方式消除了长电缆传输带来的噪声干扰，整个测量系统具有极高的测量精度和抗干扰能力。无线传感器节点可以组成庞大的无线传感器网络，支持上千个测点同时进行大型结构试验。广泛应用于桥梁、建筑物、飞机、船舶、车辆、起重机械等结构静力测试，疲劳测试，载荷实验等。
1.2图像处理领域研究现状
1.2.1图像处理的概念
图像处理是指对图像信息进行加工,从而满足人类的心理、视觉或者应用的需求的一种行为。图像处理方法一般有数字法和光学法两种,其中数字法的优势很明显,因此,已经被应用到了很多领域中,相信随着科学技术的发展,其应用空间将会更加广泛。数字图像处理技术其实就是利用各种数字硬件与计算机,对图像信息通过转换而得到的电信号进行相应的数学运算,例如图像去噪、图像分割、提取特征、图像增强、图像复原等,以便提高图像的实用性。其特点是处理精度比较高,并且能够对处理软件进行改进来优化处理效果,操作比较方便,但是由于数字图像需要处理的数据量一般很大,因此处理速度有待提高。目前,随着计算机技术的不断发展,计算机的运算速度得到了很大程度的提高,这大大的推动着数字图像处理技术向前发展发展。
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1.2.2图像处理的应用
目前,数字图像处理技术的应用领域越来越广泛,并且在医疗保健、工业、林业、农业、通信、军事、航空航天等各个领域扮演着越来越重要的角色。其中,非常典型的应用就是在通信中的应用:目前通信主要的发展方向是文字、声音、图像与数据多者相结合的多媒体通信,具体地说就是将计算机、电视、电话通过三网合一的方式在网上进行传输。其中以图像通信表现较为困难和复杂,因此,数字图像处理技术也就成为决定这方面工作成败的关键技术。
1.2.2.1计算机图像生成。
以计算机图形学和“视觉”为基础的计算机图像生成技术在航海、航空仿真训练系统,大型模拟军事演习系统中的应用已经卓有成效。在广告制作、动画制作。网络游戏中已有令人叹为观止的杰作。 1.2.2.2图像传输与图像通信。
以全数字进行图像传输的实时编码-压缩-解码等图像处理技术在远程多媒体教学、网络视频聊天等已经有了很大发展。 1.2.2.3医学图像处理与材料分析。
医用超声成像、X光造影成像、X光断影成像、核磁共振断层成像为基础的医学图像处理技术已经在疾病诊断中发挥重要作用。以图像重叠技术进行无损伤也应用在工业无损伤和检验中。智能化的材料分析有助于人类深入了解材料的微观性质,促进新型功能材料的诞生。
1.2.2.4图像跟踪及光学制导。
20世纪70年代,图像制导技术在战略技术武器制导中发挥了极大作用。光学跟踪测控也是最精密的测控技术之一。
1.3本课题研究内容
根据课题要求，需要完成皮带轮式无线应变扭矩测量系统的设计。即在测量部分应使用应变型传感器且传感器安装于皮带轮处。数据传输方式采用无线传输方式。同时还应包括完整的后处理系统。
因此基于此原理，系统的基本内容应包括：传感器的选择，与被测轴的连接方式（应变片的贴片方式）。信号的采集及前处理电路，信号的收发装置的选择（如选择通讯协议、型号等），传感器的标定信号的选择与传输方式，信号的后处理部分
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1.4国内外扭矩测量仪的现状简介
目前各国都有研制无线传输测量扭矩系统，比较具有代表性的有以下几种：
1.4.1德国KMT公司生产的RTSE600单通道遥测系统
德国KMT公司生产的RTSE600单通道遥测系统。它属于PCM—FM无线传输方式。它的发射主频为433.3—434.5MHz，无线传输距离可达到250ITI，非线性度为0.1%，系统误差
?0.2%（不包括传感器）。
1.4.2日本的TR—82/THG—83应变遥测系统
日本的TR—82/THG—83应变遥测系统采用的是FM—FM无线传输方式。它把轴上的信号调理和发射电路集装在一个金属盒里面。金属盒体积小、质量轻，并且有屏蔽保护作用。该系统的发射主频为70—90MHz，无线传输距离可达到10m，可以测量的应变范围为
?5000?10?6非线性度为0.1~0.2%。
1.4.3美国佛罗里达大学（university of Florida）研制的通过红外线无线传输测量铣刀铣削时扭矩的测量仪。
2扭矩测量系统基本理论
2.1扭矩测量方法
测量扭矩的方法，按其基本原理可分为：传递法（扭轴法）、反衡力法（反力法）及能量转换法等三种方法。
2.1.1传递法
传递法是根据弹性元件在传递扭矩时所产生的物理参数的变换方法而测量扭矩的方法。这里所根据的物理参数可以是弹性元件的变形、应力或应变。最常用于测量扭矩的弹性元件是扭轴。
2.1.2平衡力法
对于任何一种匀速工作的动力机械或制动机械，当他的主轴受扭矩作用时，在它的机体上必定同时作用着方向相反的平衡力矩（或称之为支座反作用力）。测量机体上的平衡力矩已确定机器主轴上作用扭矩大小的方法，就是平衡力法，亦称反力法。
2.1.3能量转换法
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这是根据其他能量参数（如电机参数）测量机械能参数及扭矩的方法。
综上所述的三种测量扭矩的方法，传递法和平衡力法为直接测量扭矩的方法，其测量方便、精度较高，而能量转换法为间接测量扭矩的方法，测量误差较大，常达?10~15%。所以只有在无法直接测量的场合下才采用间接测量法。
2.2扭矩测量的基本原理
一根实心的圆轴在扭矩Mn的作用下，其表面的剪应力的大小为r?E2?1?U?G?MGWnn
式中G为剪切弹性模量，G??
LGJn同时，相距为L的两个断面的相对扭转角，其值的可有下式决定：??式中Jn为断面的极惯性矩，又Jn?2???2dA 对于实心圆轴：Jn=?/32d4；
对于空心圆轴：Jn??/32（D4?d4）；
Mn
由上述各式可见，只要轴的尺寸D或D0，d0及L确定，材料的剪切弹性模量就一定，转轴的剪应变和相距L的两断面的相对转角就只与扭矩有关，且成比例，即??KMn
K?LGJn为常数，所以??Mn
因此，只要测量?即可确定Mn。
2.2.1应变式扭矩测量
由材料力学可知，当受扭矩作用时，轴表面有最大剪应力?max。轴表面的单元体为纯剪应力状态，在与轴线成45?的方向有最大正应力?1，?2，其应力值为?1??2??max。相应的变形为?1和?2，当测得应变后，便可算出?max。测量时应变片沿应变沿与轴向成45?的方向粘贴。
2.2.2压磁式扭矩测量
压磁式扭矩传感器是利用轴受扭矩时材料导磁率的变化测量扭矩。其特点是可以非接
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