扭矩监测系统研究

苗 凯

（太原重型机械集团有限公司，山西 太原 030051）

对许多重要大型机械设备而言，需要对其主轴等关键部位进行扭矩的实时监测，以便及时获取扭矩信息，方便对其进行故障诊断，及时解决主轴可能出现的各种问题。

扭矩测量有许多种类，传统测量主要采用在主轴上粘贴应变片的方法，另外，还有磁弹性扭矩测量方法[1]、电容式扭矩测量方法[2]、光纤技术扭矩测量[3]等测试方法。扭矩测量需要解决的问题主要集中在两个方面[4]：向高速旋转轴提供电能和信号传输。使用电缆难以满足要求，而导电滑环受限于旋转轴的速度，使用寿命也较短[5]。考虑到大型机械设备的主轴恶劣环境及振动、噪声的影响，本系统采用无线ZigBee技术，通过建立无线传感器网络，可以实现单个或多个关键部位的扭矩检测。

1 系统总体方案设计

系统主要由无线供电模块、扭矩采集模块、ZigBee模块及接收模块组成。扭矩测量系统总体设计方案如图1所示。

图1 扭矩测量系统总体设计方案图

1.1 终端采集节点扭矩采集流程

粘贴在主轴上的应变片能够感受主轴扭矩变化，经惠斯通桥路及其补偿电路进行补偿，得到电压信号后，经放大器及滤波器得到不失真信号。由于ZigBee模块芯片CC2530F256自带有A/D转换、CPU以及射频收发器[6]，因而，可以将滤波后的模拟信号直接转化为数字信号，芯片CPU实现数据的处理，通过射频收发器实现与外部网络协调器之间的无线射频通信。在外部Zig-Bee设备的网络协调器建立网络之后，采集节点即可实现扭矩数据的传送。上述为单点扭矩终端的节点采集和发送数据的过程。ZigBee网络协调器可以建立星型网络，采用轮训方式分别采集多个传感器数据。

2 系统硬件设计

2.1 无线电源及相关器件

无线供电主要采用两线圈磁耦合的方式来获取供电电源。在轴的一端添加一个高频电源和线圈，另外一个线圈靠近前一级线圈，并通过磁耦合的方式在线圈端获取电能，之后通过电源转换，将交流电能转换为所需直流电源。

（1）使用AD623作为仪表放大器，具有精度高、高输入阻抗、低功耗、高共模抑制比的优点。主要实现了信号放大的目的。

（2）滤波器使用低通滤波器滤除高频成分，排除系统中可能出现的高频干扰成分，获得较为良好的不失真信号。

（3）ZigBee模块芯片采用TI公司生产的CC2530F256，该芯片内部具有8 kB RAM和256 kB Flash以及其他许多强大功能[6]，芯片内部具有存放ZigBee协议栈的空间，能够实现建立无线ZigBee网络的功能。

2.2 主要电路设计

（1）前端电路设计：应变桥在主轴端粘贴应变片，来感受物理量变化信息输出电压信号，信号经INPUT端进入AD623放大，滤波后，去除各种干扰及噪声，得到各种范围内的电压值模拟信号，之后送入ZigBee模块A/D转换电路，实现模拟信号A/D转换功能。

（2）ZigBee模块主控芯片为CC2530F256，通过片内A/D可将模拟信号转换为数字信号，利用芯片CPU对数据进行处理，之后送入ZigBee无线单元，在ZigBee组网成功后发送数据。

3 系统软件设计

图2 扭矩测量系统采集节点工作流程图

系统软件设计包括扭矩采集程序，数据包传送程序，以及接收、显示、报警程序。CC2530F256芯片内嵌ZigBee协议栈Z-Stack，需在IAR集成环境中对ZigBee协议栈进行开发。由于TI公司已经编写了MAC层（macEventLoop）到ZigBee设备应用层（ZDApp_event_loop）这5层任务事件的处理函数，一般情况下，无需修改这些函数，只需按照自己的需求编写应用层的任务与事件处理函数即可。终端采集节点流程见图2。网络协调器工作流程见图3。

4 结论

转轴作为大型机械设备中的关键部件，常常应用于工业现场。实时在线获取转轴扭矩信号对于及时了解转轴运行状态信息，防止过载及停车事故等事件具有积极意义。由于受制于电缆布置及电源难取的问题，文章提出了采用无线供电以及无线通信分别获取电能和传送数据的方式来解决上述问题。另外，阐述了采集电路的硬件及软件，通信模块的设计方式方法，解决了扭矩测量中可能出现的供电及通信问题。

[1]万秋玉，李建平.CNY-02型磁弹性扭矩测量仪[J].仪表技术与传感器，1986（4）：18-21.

图3 扭矩测量系统网络协调器工作流程图

[2]余成波，陶红艳，张莲，翟峰，陈学军.基于圆柱体电容面积变化型扭矩测量的研究[J].仪表技术与传感器，2005（12）:4-5.

[3]谢平，刘彬，王霄，林洪彬.新型光纤扭矩测量方法[J].光电工程，2006，33（2）:111-114.

[4] 凤成龙，郭高文，王化胜，刘健.旋转轴上扭矩检测新方案[J].山西冶金.2012，138（4）:19-21.

[5]文西琴，张永忠.扭矩传感器的现状与发展趋势[J].仪表技术与传感器，2001（12）:1－3，11.

[6]CC2530 datasheet[R].2009.

[7]高守玮，吴灿阳.ZigBee技术实践教程[M].北京：北京航空航天大学出版社，2009.