动态扭矩检测技术研究

陈世超，易伟，李程

(中国测试技术研究院，四川成都610021)

动态扭矩检测技术研究

陈世超，易伟，李程

(中国测试技术研究院，四川成都610021)

扭矩输出装置需要定期使用标准扭矩测量仪测量确保其输出扭矩符合要求。目前使用的测量仪表多为单个硬件通道，无法实现多通道同时测量，并且人机交互能力有限。为克服目前仪表的缺点，设计多通道标准动态扭矩测量仪。仪表在DSP和ARM的硬件结构基础上，根据实际测量过程中的功能需求编制软件程序，可同时对3个动态扭矩信号和1个脉冲编码器信号进行测量，实现扭矩、转速和转角多通道多参数的测量，测量数据进行表格化处理后可直接导出。实验结果表明:该仪表具有测量实时性好、准确度高、人机交互功能方便、操作简单等特点。

扭矩;动态检测;智能仪表;数据采集

0 引言

随着我国工业技术水平日渐增强，对工业产品的质量控制以及设备工作时的状态监测也日益受到重视［1］。扭矩测量是机械设备在测试、质检等生产环节中常见的测量项目，从螺栓扭紧扭矩的测量到电动机、发电机、内燃机、风机等设备的扭矩测量，其应用十分广泛［2－3］。扭矩在很多应用环境下是通过转轴转动的方式动态输出，需要在转轴转动的同时对扭矩进行动态测量。目前，扭矩测量是通过传感器技术来实现的，其测试方法正由静态向动态方向发展，测试系统向着小型化、数字化、智能化、实时监测方向发展［4］。国外的标准扭矩仪价格昂贵，而国内的设备多基于8/16位的单片机，数据处理能力以及文件管理能力有限，显示多使用多段式数码管，不能实时显示多种测量信息，难以在多通道数据采集处理的同时完成复杂的控制、数据后处理、显示及存储功能。本文开发的多通道标准动态扭矩测量仪，基于DSP和ARM处理器，发挥这两种处理器各自的优势，将数据采集处理与文件管理和用户交互进行任务划分，在多通道数据准确采集的同时，使用触摸屏实现仪表操作和信息显示，并且测量数据可以生成数据表格导出。

1 系统设计

1.1 系统原理

系统工作原理如下:系统上电启动后DSP模块和ARM模块分别自动进行初始化工作并设置相关工作参数，扭矩传感器信号和脉冲编码器信号通过连接器接入指示仪表内部电路，信号经过处理后由DSP进行高速采集，DSP将采集到的扭矩和转速数据进行数字滤波处理后传输给ARM模块，ARM模块根据用户保存的校准数据对接收到的数据进行校准之后通过触摸屏显示。相对于传统仪表，该仪表具有以下特点:

1)仪表具有3个扭矩传感器接口和1个具有信号倍频功能的脉冲编码器接口，可以同时实现3路扭矩信号和1路转速信号的在线实时测量，并可根据扭矩和转速数据计算实时功率，实现了多通道、多参数在线实时测量。

2)仪表使用了一块7寸触摸屏作为显示和操作界面，用户可以直接使用触摸屏对仪表显示的内容进行相关输入操作，人机交互更加方便。

3)仪表功能灵活性强，在扭矩和转速测量的基础上，仪表可以实现功率的在线实时计算和显示，并且具备直接记录扭矩测量值的功能，同时可以根据测量数据自动计算扭矩测量的平均值、示值重复性、示值误差等参数，计算结果可以直接保存在外部存储设备中，以便后续使用。

1.2 扭矩传感器

扭矩仪由扭矩传感器和配套的指示仪表组成［5］。扭矩传感器从测量原理上主要分为相位差型、磁弹性型和应变型。相位差型扭矩传感器环境适应性差，磁弹性型扭矩传感器准确度较低，而应变型扭矩传感器则克服上述两种传感器的一些弱点，其结构简单、成本低、技术成熟，大量应用在各种静态、动态扭矩测量。与静态应变式扭矩传感器不同的是，动态传感器需要将旋转轴上测量到的应变信号可靠地传输到传感器静止部分，实现这一功能主要有集流环传输、无线射频传输和电感耦合传输3种方法［6］。其中电感耦合传输通过V/F变换将电压信号转换成频率信号耦合输出到传感器静止部分，由于是非接触式工作，所以不存在导电环磨损，使用寿命较长，同时准确度和稳定性较好，抗干扰能力强，因此得到广泛使用。本文中的仪表选用应变型动态扭矩传感器，采用电感耦合传输方式，输出信号为5～15 kHz频率信号。

1.3 仪表硬件原理

该仪表原理框图如图1所示。指示仪表硬件主要包括扭矩传感器和脉冲编码器的信号处理电路、DSP处理器、ARM处理器、触摸屏和数据交互接口。DSP数据处理能力较强，可以实现高速数据采集和处理，ARM处理器在网络通信、USB接口、触摸屏输入和显示以及监视控制方面的功能更加完善，因此该仪表中使用ARM+DSP的组合可以充分发挥两种处理器各自的优势。

图1 仪表硬件原理框图

DSP处理器150MHz时钟频率使时钟周期时间只有6.67ns，控制器内部集成了浮点处理单元，大大提高了浮点数处理效率。片上自带3个32位CPU定时器和8个外部内核中断，在150MHz时钟频率下可以精确测量输入信号频率，在转速测量的应用上，片内增强正交编码脉冲(enhanced quadrature encoder pulse，EQEP)模块［7］可编程设置对脉冲编码器的A、B相输入信号进行倍频计数，在两路信号的上升沿和下降沿都进行计数，提高编码器码盘的分辨率。扭矩传感器信号和脉冲编码器信号通过信号调理电路处理之后输入DSP模块，通过DSP模块对这两路信号的采集，分析计算出输入扭矩、主轴转速以及主轴相对于起始点的相对转角。在扭矩、转速和转角等数据采集处理完毕后，通过串行通讯接口(serial communications interface，SCI)［8］将数据发送到ARM模块。

ARM处理器主要实现人机交互、数据管理以及用户应用程序实现等功能。ARM处理器支持SCI、I2C、USB、以太网等众多通信接口，并且支持电阻式触摸屏，可以通过这种常用并且方便的人机交互方式实现用户对仪表的控制和操作以及显示仪表内相关信息。基于ARM处理器平台可嵌入LINUX操作系统，方便仪表UI界面的开发以及仪表功能的实现。

1.4 仪表软件设计

该仪表使用DSP芯片和ARM芯片协同工作的方式实现仪表功能，软件部分分为DSP处理器软件和ARM处理器软件。DSP程序使用C语言编程［9］，ARM程序使用C++语言编程［10］。DSP程序流程简图如图2所示。

上电程序启动后首先进行程序初始化，设置DSP相关运行参数，定义PIE中断向量表，配置SCI、外部中断、CPU定时器、正交编码器模块的I/O引脚和控制寄存器以及程序运行状态参数和寄存器。初始化完成后进入主程序进行循环，主程序中主要包括扭矩数据计算、转速转角数据计算、SCI数据发送和SCI接收数据处理子程序，在执行各个子程序前先判断相关状态标志位，再确定是否执行子程序。

图2 DSP程序流程简图

动态扭矩传感器的输出信号为脉冲信号，使用定时器和外部中断对脉冲信号频率进行测量，根据脉冲信号频率和扭矩值大小的对应关系最终求出动态传感器转轴上的扭矩大小。由于输入信号频率在5～15 kHz范围内，如果采用在固定采样时间内测量脉冲数的方式进行脉冲频率的计算，则需要较长时间才能保证测量准确度，这无疑会降低仪表本身的采样频率，不能反映扭矩值的实时变化，因此，采用对固定脉冲数之间时间间隔进行测量的方式计算脉冲信号频率，在保证测量准确度的同时提高仪表本身采样频率以实现更好的动态测量效果。EQEP模块内部同样包含一个可编程定时器，在定时器计时的同时，对脉冲编码器的两相输入进行倍频计数，通过计算单位时间内的脉冲计数可得出旋转主轴的转速。

ARM软件结构框图如图3所示。ARM程序启动后进入主界面，主界面默认为常规测量功能，直接显示扭矩当前值和峰值，用户需手动记录数据并做后期处理。用户可以根据所接传感器的数量和通道号的不同，进入设置界面，选择需要显示的通道，主界面的数据显示框也会随之而变。在设置界面，可以对每个通道的相关参数进行单独设置。在设置界面下有仪表自校准和传感器校准两种校准功能。

图3 ARM软件结构框图

仪表自校准是指指示仪表出厂时对采集到的原始信号脉冲进行内部的自我校准，校准的方法是将准确度较高的标准脉冲信号(比如5 kHz，10 kHz和15 kHz 3组)分别接入仪表，仪表采集的信号会有非常微小的误差，校准可以修正这一误差。

传感器校准是将指示仪表和扭矩传感器配套成为一套准确的测量系统，校准后直接显示为N·m等国际单位，由于仪表已经进行了自校准，保证了每一只仪表的显示准确度都是一样的，因此任意一组传感器的校准数据都可以直接移植到另外一只仪表中，直接使用。通过仪表自校准和传感器校准两次校准方式使仪表达到更高的准确度。

仪表自校准和传感器校准采用最小二乘法拟合校准曲线，对给定数据点(xi，yi)(i=0，1，…，m)，在取定的函数类Φ中，求P(x)∈Φ，使误差:

ri=P(xi)－yi，(i=0，1，…，m)的平方和最小，即:

其中i=0，1，…，m。

在几何意义上，最小二乘法拟合的曲线与给定点的距离平方和最小，因此，选用最小二乘法拟合校准曲线。

在功能选择中有3种可选功能，前述的常规测量功能，功率计算功能和测量计算功能，功率计算主要针对需要测量功率的场合，在该模式下，用户需接上一个扭矩传感器和一个编码器，可直接测量功率，并显示出来。测量计算功能在连续测量3次或5次，仪表可自动计算测量的平均值、示值重复性、示值误差等参数，并且所有测量计算数据可直接以EXCEL格式保存到U盘中。

2 试验及数据分析

对指示仪表进行自校准，使用高精度波形发生器输出标准频率方波信号，由于扭矩传感器信号输出范围5～15 kHz，分别设置波形发生器输出5 kHz，10 kHz和15 kHz的方波信号模拟传感器的输出信号，用指示仪表采集方波信号，校准数据见表1。

表1 指示仪表校准数据

将扭矩传感器接入，传感器选用威斯特中航CYB－805S扭矩传感器，使用500 N·m静重式扭矩标准机对传感器检定，数据见表2。

表2 传感器检定数据

从表中可以看出，该传感器出厂标称准确度为0.3%，示值相对误差在0.2%以内，且示值重复性较好。

3 结束语

本文设计了多通道、多参数采集的标准动态扭矩检定仪，采用DSP和ARM芯片协同工作的方式对扭矩进行动态测量，利用DSP芯片强大的数据采集运算能力和ARM芯片人机交互、数据管理、多任务调度以及用户应用程序方便实现方面的优势，可实现3个扭矩信号以及转速和转角的同时测量，并且能够将测量数据直接进行计算存储，体积小、稳定性高、重复性好，符合智能化仪表的发展趋势，具有较高的实用价值。

［1］杨文志，冯志斌，何维娜.传动轴扭矩测量装置的结构设计及实验分析［J］.中国测试，2015，41(1):120－123.

［2］BAYNES T M，RUSSELL G J，BAILEY A.Comparison of Stepwise Demagnetization Techniques［J］.IEEE Transactions on Magnetics，2002，38(4):25－31.

［3］陈国民，张东青，李乃川.基于AVR单片机的扭矩测试仪装置的研究［J］.黑龙江科学，2014(11):14－16.

［4］郑谭.高速旋转轴的动态扭矩测试研究［D］.太原:中北大学，2015:1－2.

［5］标准扭矩仪:JJG 557－2011［S］.北京:中国质检出版社，2011.

［6］张晓强.应变式高准确度动态扭矩测量仪的研制［D］.哈尔滨:哈尔滨理工大学，2003:6－7.

［7］周维波，杨志军.基于TMS320F2812的正交编码脉冲采集实现［J］.中国测试，2016，42(5):75－78.

［8］Texas Instruments.Serial Communications Interface Reference Guide［Z］.Texas Instruments.2009.

［9］谭浩强.C程序设计［M］.北京:清华大学出版社，2008.

［10］STANLEY B L.C++Primer［M］.王刚，译.北京:电子工业出版社，2013.

(编辑:刘杨)

Research of dynamic torque detection technology

CHEN Shichao，YI Wei，LI Cheng
(National Institute of Measurement and Testing Technology，Chengdu 610021，China)

The device needs to be measured by standard measuring instrument termly to ensure the output torque to meet the requirements.Because the present measuring instruments are mostly single hardware channel，it’s impossible to measure all channels at the same time，and the interaction ability of the instrumentsis limited.In this article，a multi－channel standard dynamic torque measuring instrument is designed to overcome the shortcomings of the current instruments.The instrument is based on the DSP and ARM，and the software is compiled according to the functional requirements of the actual measuring process.The instrument can measure three dynamic torque signals and a pulse encoder signal at the same time，realizing the measurement of torque，speed and angle.The measuring data can be exported after being edited in the form.The experimental results show that the instrument has the characteristics of good real－time performance，high accuracy，convenient interaction and simple operation.

torque;dynamic detection;intelligent instrument;data collection

A

1674－5124(2016)11－0075－4

10.11857/j.issn.1674－5124.2016.11.016

2016－05－09;

2016－07－20

陈世超(1965－)，男，四川成都市人，高级工程师，主要从事力学计量方面的研究。