宋美球，刘云鹏，党 玲，吴 超，徐 宜，卜树峰

(中国北方车辆研究所车辆传动重点实验室，北京 100072)

特种车辆扭矩测试多集中于动力部件，以旋转轴居多，如发动机输出轴、变速箱输出轴、扭轴，等等.而这些部件的测试环境具有如下显著特点:1)部件紧凑、空间狭小，设计时未给测试仪预留位置;2)零部件常处于大负荷、高速、高强度、振动、冲击、高温、低温、油水侵蚀等条件下工作;3)运动复杂，既有旋转运动又有往复运动.这些特点导致普通扭矩仪无法安装使用，测试值无法获取.因此，有必要研究一套适合特种车辆试验环境的扭矩测试仪[1].

应变式扭矩测试是应用最广泛、发展最成熟的测量方法之一.它以其灵活的环境适应性，且具有精度高、结构简单、成本低、技术较成熟的优势，使之成为特种车辆扭矩测试的首选.但应变式扭矩测试存在的零漂、温漂以及旋转件的信号输出等问题仍需要进一步研究.

1 应变式扭矩测试原理

应变式扭矩测试原理可简述为:扭矩传递到弹性元件，弹性元件在扭矩作用下产生形变;由应变计感知这种形变，从而得到扭矩.根据虎克定律可推导出横截面上产生的总扭矩T.设ε是轴表面与轴线成45°方向上的应变值，G是材料的剪切模量，J为极惯性矩，r为直圆杆半径.对于给定的材料有

图1为应变电桥测量电路原理图，Uo为输出电压，Ea为输入电压，R1、R2、R3、R4为4个桥臂电阻值.若1个桥臂感知应变称为1/4桥，若2个桥臂感知应变称为1/2桥，若4个桥臂均感知应变称为全桥.当R1=R2=R3=R4=R时，

有

利用式(1)、式(3)就可以准确得到扭矩值.相比其他桥，全桥的电压灵敏度最高.采用全桥还可抵消应变计的非线性误差，对温度也有一定的补偿作用[2].

图1 应变电桥测量电路原理图

2 总体方案设计

为适应特种车辆测试环境，采用嵌入式技术实现小型化设计，即将测试系统嵌于测试部位.总体方案系统框图如图2所示.测试系统由轴上系统和上位机系统组成.轴上系统安装于旋转轴上，上位机系统则安装于被试件附近固定不动的地方，与计算机相连.

图2 总体方案系统框图

轴上系统主要实现扭矩信号的采集、存储以及数据传输.应变计沿轴线的45°方向粘贴组成测量电桥，测量电桥设置有自动调零功能.测量电桥将扭矩信号转换成电信号进入放大模块，经温度补偿后进入滤波环节.滤波后的信号由A/D模块转换成数字信号进入中央处理器进行采集、存储.数据可实时通过蓝牙无线传输至上位机系统，再由上位机系统传输至计算机进行显示、存储，或当试验停止，存储器内数据由USB接口直接导出至计算机.

上位机系统主要实现系统控制以及数据接收、存储、显示和数据处理.轴上系统通过无线通讯将数据传输至上位机系统.上位机系统再由USB与上位机连接，将数据传输至计算机供实时采集、显示和存储.

电源管理模块将24 V直流电压转换成5 V、12 V等不同的电压供给各个模块.

图3 系统硬件原理图

图3为系统硬件原理图.调理芯片U1是一种高集成度的模拟信号处理器，采用A-Σ技术开发的SOC器件，集成多个寄存器、可编程放大器、数字滤波器及可编程激励电源等功能模块，不仅给桥路提供激励电源，而且是实现自动调零和温度补偿以及调理放大等信号调理功能的主要芯片，主要实现数字滤波.硬件滤波由芯片U2完成.单片机U3作为中心控制器对外围芯片进行协调控制，同时采用自身的A/D转换器将扭矩模拟信号转换成数字信号.数字信号可直接存入存储器U4，也可通过USB接口芯片U5上传至上位机，还可通过蓝牙模块U6无线传输传至上位机系统.DC/DC变换模块将24 V直流电压转换成5 V、12 V等不同的电压供给其他功能模块，并协同单片机实现低功耗控制.

2.1 电桥自动调零方案

应变计很难保证电阻值完全一致，在生产环节，由于材料的差异性及其他因素，每一片应变计的初始电阻值不会完全一样;在粘贴环节会引入微小的应变;在信号传输环节，试验现场信号线路的差异造成了放大后的电平严重漂移，这些原因都有可能导致公式(2)无法满足，因此桥路UO≠0，有时UO甚至超出可调范围.因此，由应变计组成的测量电桥在使用前必须进行调零，使UO=0，达到平衡状态.

特种车辆体积庞大，结构复杂，零部件安排紧凑，应变测点往往在部件深处，测试人员难以接近，无法进行手动电桥调平工作.采用自动调零技术，无需人工接近测点，解决了电桥调零的问题.

电桥调平衡的方法有多种，目前较先进的是采用现代信号调理技术实现电桥调平衡，包括数字传感信号处理器(DSSP)和模拟传感信号处理器(ASSP)2种技术.DSSP技术是指通过ADC对信号进行数字化转换，利用带有EEPROM的微控制器在数字域进行校准和补偿，利用DAC将补偿结果变回到模拟信号.这种方法具有自动补偿、高精度、低漂移、输出信号抗干扰能力强等优点.ASSP技术是指通过DAC调整传感器的激励电流，利用数字技术调整放大器的偏移和增益，实现在模拟域对信号进行校准和温度补偿[3].U1芯片就可以采用这种技术实现自动调零功能.

自动调零主要通过U1芯片内部的比较器和偏移寄存器等功能模块实现.U1芯片自动将漂移电压与基准电流进行比较，得到一个偏移量.由偏移寄存器输出校正控制字来控制可编程增益放大器，放大器通过放大一部分电源电压来补偿偏移的部分，最终达到自动调零的目的.

2.2 无线传输方案

旋转轴的数据传输方式集合起来主要有接触式和非接触式2种数据传输方式.接触式数据传输以集流环为代表.特种车辆测试中曾使用过电刷式集流环，由于振动过大，使电刷接触不良而引起信号波动，造成测量误差大甚至测量不成功.由此采用非接触式无线通讯方式.

无线通讯有多种技术，但由于空间限制、油污和电磁干扰等影响，很多种无线通讯方式变得可靠性差、故障率高，有的装置甚至处于瘫痪状态，无法使用，如无线电技术的传输频率极易被特种车辆内其他无线电信号干扰;红外线(IR)技术则需要洁净的环境，特种车辆无法满足;UWB技术保密性及抗干扰性强，但系统设计复杂，技术还不成熟.方案采用“蓝牙”无线通讯方式，这种方式具有技术成熟，结构简单，可靠性高，环境适应性好等特点，适合特种车辆测试环境中应用.

“蓝牙”(Bluetooth)是一种近距离无线数据通讯技术标准，传输速率高，对障碍物具有穿透、反射、绕射等特性，在有效范围内可越过障碍物进行连接，适合复杂结构中的数据通讯.它采用多种技术消除其它无线设备的干扰，数据传输安全、稳定、可靠.

单片蓝牙收发器件U6内置频率合成器、功放、振荡器、调制和解调器等功能模块，融合了蓝牙各种抗干扰技术，并支持低功耗设计;具有结构简单、易于集成、体积小等优点.电路设计过程中采用多种措施保证传输距离:1)通过调整电阻、电容和电感位置，降低电磁干扰;2)各功能器件通过电容与供电电源隔开;3)尽量多打通孔，使各层都能充分接触，等等.

2.3 温度补偿方案

随着环境温度变化，应变计敏感栅会跟着热胀冷缩，继而引起电阻的相对变化，这种现象称为温度效应.扭矩测试常在较高温度的部位进行，如风扇、传动箱，等等，而这些部位的旋转件在高速运动过程中其温度也会上升，温度上升引起应变计敏感栅材料的膨胀，从而引起输出电阻也会相对变化.尽管全桥具有温度自补偿作用，但补偿有限，当温度变化较大时，这种热输出干扰必须加以补偿，因此应变计的温度补偿对旋转轴的测试来说显得非常必要.

温度补偿功能由芯片U1完成.U1内部温度传感器实时感受环境温度，内部寄存器输出控制字，控制可编程增益放大器输出补偿电流至激励电源，最终达到温度补偿的目的.温度变化，补偿电流也变化，因此能自动对温度进行补偿.

2.4 系统供电方案

旋转件的供电也是一个应考虑的问题.感应供电虽技术成熟，但设计复杂，且发射、接收距离小，一般在10 mm内，其电磁场可能干扰其他电路.电池供电具有电源洁净、方便快捷、稳定可靠的优点，不会对电路产生干扰.尽管近几年来电池正在变得更小、更轻，在单位体积内容纳更多能量，但要实现长时间工作的目标，系统低功耗设计是必须的手段.

通过动态电源管理技术，在系统运行期间，采用软件控制单片机的不同省电模式达到省电目的.通过单片机编程，关闭不使用的功能模块的电源，达到进一步省电的目的.

3 方案验证

为验证新设计扭矩测试仪的各项性能指标，在某车辆的风扇轴上进行扭矩测试.

3.1 系统标定

所谓标定工作，就是将测试装置的指示值与标准扭矩值在规定条件下进行对比.复杂零件的扭矩测试系统在安装前必须进行标定工作，建立系统输出和标准扭矩的对应关系.

标定工作在扭矩静态标定台上进行，如图4所示.在恒定臂长的杠杆上加上专用标准砧码，产生扭矩，该扭矩传递到被试轴的扭矩测量仪上，由测试系统显示出的扭矩值与标准扭矩值进行对比.杠杆臂长固定，通过更换砝码来获得各种扭矩值.

图4 扭矩静态标定图

用最小二乘法拟合标定曲线，得到拟合曲线(见图5)和拟合公式:

此公式是“+”号，图5是“-”号.

由图5可知，拟合曲线和原始曲线重合很好，线性度很高，其回归系数R2达到0.999 7，达到设计要求.x为示值，xs为标准值，误差δ由式(6)计算.

标定数据见表1，计算得到的误差最大为1.4%.

表1 扭矩静态标定数据

图5 标定试验数据曲线

3.2 装车试验

本测试系统体积小，安装灵活方便，用卡箍和胶带捆扎在风扇轴上即可;重量轻，安装在风扇轴上也不会影响其正常工作;功耗低，使用可充电电池供电，充电1次可持续工作48个小时.图6为系统在某车风扇轴上安装的实物图.数据采用本地存储形式与蓝牙无线通讯形式相结合进行保存.在试验进行过程中，数据实时采集并保存于轴上系统.待本次试验完成，由上位机系统向轴上系统发送控制命令，令轴上系统将存储的数据通过蓝牙发送至上位机，由上位机保存起来，随即可进行下一次试验.

图6 测试系统安装图

试验进行了多种路面上的多种工况跑车试验，图7为车辆在某路面上进行跑车的试验数据曲线.试验过程中路面前半段凹凸不平后半段相对平坦.出发前车辆怠速，风扇扭矩较低且平稳;接着车辆在凹凸不平路面行驶，发动机或加速或减速，风扇扭矩随着发动机转速和扭矩的变化而变化，起伏较大;紧接着车辆进入平坦的上坡路，发动机持续发出较大功率，风扇扭矩保持在较大值且相对平稳，无上下波动;最后车辆到达终点，发动机熄火，扭矩值也迅速归零.通过本测试系统附近的铂电阻温度传感器的测试，本次试验的最高温度为91℃.

图7 在起伏路面上测试的风扇轴扭矩曲线

本次试验车辆处于较恶劣的环境，路面起伏加剧车辆的振动，土路的灰尘和油污严重，动力舱温度高，试验过程中本测试系统稳定可靠，所获取的测试数据已应用于改进设计当中.

4 结论

针对根据特种车辆的特殊测试环境研制的扭矩测试仪，经装车试验表明，精度达1.4%，可靠性和环境适应性好，可以用于特种车辆的扭矩测试.

[1]王志刚.坦克装甲车辆载荷测试及数据处理 [J].测试技术，2005，2(2):25-27.

[2]商维禄.现代扭矩测量技术[M].1999.

[3]邓高寿，党 玲，王志刚.特殊环境下动载荷获取技术浅谈.计算机测量与控制 [J]，2010，17(1):44-48.