基于射频通信技术的扭矩测试系统

陈笃奖 徐轶群 杨国豪

（集美大学轮机工程学院，福建厦门 361021）

1 引言

在当今，随着造船工业和船舶科学技术的迅速发展，对船舶机动性的要求越来越高，因而对船舶动力系统的动态性能指标要求越高。由于其使用工况复杂，需要频繁地进行倒车、正车、紧急刹车、快速起动、突然加速或减速等非稳态运行，动力装置需承受相当大的瞬时扭矩峰值，易造成动力装置轴系的损伤，因此对扭矩的工作状况需要进行实时监测[1]。此外，在柴油机修理后或者监测机组工况和故障诊断时，精确测量轴功率又是必不可少的工作，而轴功率的测量往往要测量轴的扭矩。

传统的扭矩测试方法由于不能够对高速旋转的转轴上传感器采集到的信号通过有线连接将数据传送到计算机上，因此都采用间接测试方法，如转速传感器测量方法，即通过测量转轴的转速，进行分析并与理论计算书对比，从而推算出扭矩力；还有相位式扭矩测量方法，通过测试转轴上固定的一对齿轮之间的相位差，从而算出相应的扭矩值大小；此外还有通过观测洒在转轴上的均匀磁粉的变形情况得出扭矩力的方法。上述方法往往精度差，误差大，结构复杂，价格昂贵等。因此，本文提出利用电阻应变片直接贴到转轴上，并通过射频无线通信的方法将传感器采集的信号发送到上位机的思想，该方法不仅能够直接测试扭矩力，测试精度高，数据采集准确可靠，而且具有结构简单，体积小，功能强大，价格便宜等优点。

2 系统结构

整个测试系统主要分为数据采集端和数据接收端两个部分，两者之间通过无线通道进行通信。数据采集端负责采集传感器传送的信号并将其传输到发射模块进行发射，而数据接收端则负责接收发射模块发送的数据并进行处理，然后将其送到上位机。系统整体结构框图如图1所示。

图1 系统整体结构框图

数据采集端由传感器、放大器、A/D转换器、微处理器（单片机）及无线发射模块组成。轴受力时产生的扭矩力经传感器转换成电信号，经放大器适当放大后送往A/D转换器。A/D转换器将放大后的模拟信号转换为数字信号，然后经微处理器进行控制处理后送往无线发射模块打包发出。数据接收端由无线接收模块、微处理器及主控计算机组成。数据接收端收到采集端发送的数据后，将数据按照通信协议拆包，取出有效数据并通过串口发送给计算机，由计算机对采集到的数据进行分析和处理。

3 关键技术实现

3.1 传感器及其电路

在本文中，采用电阻应变片作为传感器来对转轴的力矩进行测试。电阻应变片根据电阻变化率R/R△与应变成线性关系的原理来对扭矩进行测量，它具有频率范围宽、频响特性好，灵敏度高，增益倍数大等优点[2]。

图2 应变片在转轴上的粘贴

当轴在扭矩作用下发生变形时，两个主应力分别与轴成 45°和 135°夹角，此时，贴于轴上的电阻应变片亦产生变形，从而引起电阻值的变化，其变化大小与贴片处轴的平均应变成正比[3]。由于转轴在受到扭力作用时，中间部分是最脆弱的部分，也是最容易断裂的部分，因此，为了提高测量的灵敏度及可靠性，本测试系统在中间轴上分别以 45°和 135°沿轴线顶角贴好两组应变片（图2）。然后把两组应变片的8根引线点焊到接线端子，组成电桥，再将平衡桥路的4个结点正确接到发射部分的电路上面。

3.2 数据采集技术

由于传感器传输的电压信号小，一般为几毫伏左右，而且传输的是模拟量信号，所以传感器传输的信号要经过放大器进行信号放大并通过A/D转换器转换后将其采集到微控制器内部，这里 A/D转换器选择美国半导体公司生产的ADC0808芯片，微控制器采用Intel公司生产的MCS-51系列单片机中的8031。

图3 ADC0808与微控制器8031连接图

图3为A/D转换器与8031的连接电路图，在上图中，ADC0808转换器的片选信号由 P2.7线选控制，当8031产生WR写信号时，则由一个或非门产生转换器的启动 START和地址锁存信号 ALE（高电平有效），同时将地址总线送出的通道地址 A、B、C锁存，模拟量通过被选中的通道送到A/D转换器，并在START下降沿时开始逐位转换，当转换结束时，转换结束信号EOC变高电平。经反相器可向CPU发中断请求，当8031产生RD读信号时，则由一个或非门产生OE输出允许信号（高电平有效），使A/D转换结果读入8031单片机[4]。

3.3 无线通信及软件设计

nRF401的应用电路如图4所示。

图4中，如果nRF401处于发射状态，则通过单片机控制，使得 TXEN=0，CS=0，PWR-UP=1；如果 nRF401处于接收状态，则设置单片机，使TXEN=1，CS=0，PWR-UP=1。图中DI接口为芯片的串行数据输入接口，它要接到单片机的TXD口，而DO为芯片的串行输出口，接到单片机的RXD口，完成数据的串行接收与发送。[5]

图4 nRF401应用电路图

单片机一上电就先初始化系统和串口，然后进入待机模式，一旦串口中发生中断，单片机就转换工作模式，处理中断程序。下面是数据接收和发送的部分程序代码：

接收数据：

4 结束语

本系统采用高集成度无线收发一体芯片nRF401作为无线传输芯片，大大减少了系统的体积，降低了系统功耗，降低了系统硬件和软件设计的难度。本系统结构简单，运行可靠，具有通用性，可以嵌入到各种数据采集系统、遥控遥测系统中，为低成本实现无线通信提供了一套解决方案。

[1]胡宾, 刘伟等. 动力装置轴系动态扭矩直接测试方法研究[J]. 柴油机, 2005, 27(2).

[2]康鲁杰,杨继红. 电阻应变片的选用[J]. 科技应用,2004年, 33(6).

[3]甘少炜,范世东等. 船舶柴油机轴功率测量系统的设计与实现[J]. 船海工程, 2006, (1).

[4]万福君,潘松峰等. 单片微机原理系统设计与应用[M]. 北京: 中国科学技术大学出版社, 2003年7月.

[5]郎为民. 射频识别(RFID)技术原理与应用[M]. 北京:机械工业出版社, 2006年6月.