扭矩監測系統研究

苗 凱

（太原重型機械集團有限公司，山西 太原 030051）

對許多重要大型機械設備而言，需要對其主軸等關鍵部位進行扭矩的實時監測，以便及時獲取扭矩信息，方便對其進行故障診斷，及時解決主軸可能出現的各種問題。

扭矩測量有許多種類，傳統測量主要采用在主軸上粘貼應變片的方法，另外，還有磁彈性扭矩測量方法[1]、電容式扭矩測量方法[2]、光纖技術扭矩測量[3]等測試方法。扭矩測量需要解決的問題主要集中在兩個方面[4]：向高速旋轉軸提供電能和信號傳輸。使用電纜難以滿足要求，而導電滑環受限于旋轉軸的速度，使用壽命也較短[5]?？紤]到大型機械設備的主軸惡劣環境及振動、噪聲的影響，本系統采用無線ZigBee技術，通過建立無線傳感器網絡，可以實現單個或多個關鍵部位的扭矩檢測。

1 系統總體方案設計

系統主要由無線供電模塊、扭矩采集模塊、ZigBee模塊及接收模塊組成。扭矩測量系統總體設計方案如圖1所示。

圖1 扭矩測量系統總體設計方案圖

1.1 終端采集節點扭矩采集流程

粘貼在主軸上的應變片能夠感受主軸扭矩變化，經惠斯通橋路及其補償電路進行補償，得到電壓信號后，經放大器及濾波器得到不失真信號。由于ZigBee模塊芯片CC2530F256自帶有A/D轉換、CPU以及射頻收發器[6]，因而，可以將濾波后的模擬信號直接轉化為數字信號，芯片CPU實現數據的處理，通過射頻收發器實現與外部網絡協調器之間的無線射頻通信。在外部Zig-Bee設備的網絡協調器建立網絡之后，采集節點即可實現扭矩數據的傳送。上述為單點扭矩終端的節點采集和發送數據的過程。ZigBee網絡協調器可以建立星型網絡，采用輪訓方式分別采集多個傳感器數據。

2 系統硬件設計

2.1 無線電源及相關器件

無線供電主要采用兩線圈磁耦合的方式來獲取供電電源。在軸的一端添加一個高頻電源和線圈，另外一個線圈靠近前一級線圈，并通過磁耦合的方式在線圈端獲取電能，之后通過電源轉換，將交流電能轉換為所需直流電源。

（1）使用AD623作為儀表放大器，具有精度高、高輸入阻抗、低功耗、高共模抑制比的優點。主要實現了信號放大的目的。

（2）濾波器使用低通濾波器濾除高頻成分，排除系統中可能出現的高頻干擾成分，獲得較為良好的不失真信號。

（3）ZigBee模塊芯片采用TI公司生產的CC2530F256，該芯片內部具有8 kB RAM和256 kB Flash以及其他許多強大功能[6]，芯片內部具有存放ZigBee協議棧的空間，能夠實現建立無線ZigBee網絡的功能。

2.2 主要電路設計

（1）前端電路設計：應變橋在主軸端粘貼應變片，來感受物理量變化信息輸出電壓信號，信號經INPUT端進入AD623放大，濾波后，去除各種干擾及噪聲，得到各種范圍內的電壓值模擬信號，之后送入ZigBee模塊A/D轉換電路，實現模擬信號A/D轉換功能。

（2）ZigBee模塊主控芯片為CC2530F256，通過片內A/D可將模擬信號轉換為數字信號，利用芯片CPU對數據進行處理，之后送入ZigBee無線單元，在ZigBee組網成功后發送數據。

3 系統軟件設計

圖2 扭矩測量系統采集節點工作流程圖

系統軟件設計包括扭矩采集程序，數據包傳送程序，以及接收、顯示、報警程序。CC2530F256芯片內嵌ZigBee協議棧Z-Stack，需在IAR集成環境中對ZigBee協議棧進行開發。由于TI公司已經編寫了MAC層（macEventLoop）到ZigBee設備應用層（ZDApp_event_loop）這5層任務事件的處理函數，一般情況下，無需修改這些函數，只需按照自己的需求編寫應用層的任務與事件處理函數即可。終端采集節點流程見圖2。網絡協調器工作流程見圖3。

4 結論

轉軸作為大型機械設備中的關鍵部件，常常應用于工業現場。實時在線獲取轉軸扭矩信號對于及時了解轉軸運行狀態信息，防止過載及停車事故等事件具有積極意義。由于受制于電纜布置及電源難取的問題，文章提出了采用無線供電以及無線通信分別獲取電能和傳送數據的方式來解決上述問題。另外，闡述了采集電路的硬件及軟件，通信模塊的設計方式方法，解決了扭矩測量中可能出現的供電及通信問題。

[1]萬秋玉，李建平.CNY-02型磁彈性扭矩測量儀[J].儀表技術與傳感器，1986（4）：18-21.

圖3 扭矩測量系統網絡協調器工作流程圖

[2]余成波，陶紅艷，張蓮，翟峰，陳學軍.基于圓柱體電容面積變化型扭矩測量的研究[J].儀表技術與傳感器，2005（12）:4-5.

[3]謝平，劉彬，王霄，林洪彬.新型光纖扭矩測量方法[J].光電工程，2006，33（2）:111-114.

[4] 鳳成龍，郭高文，王化勝，劉健.旋轉軸上扭矩檢測新方案[J].山西冶金.2012，138（4）:19-21.

[5]文西琴，張永忠.扭矩傳感器的現狀與發展趨勢[J].儀表技術與傳感器，2001（12）:1－3，11.

[6]CC2530 datasheet[R].2009.

[7]高守瑋，吳燦陽.ZigBee技術實踐教程[M].北京：北京航空航天大學出版社，2009.