许 芹，张玉山，汪 婵

(安徽科技学院 电气与电子工程学院，安徽 凤阳 233100）

剪板设备曲轴是设备的关键部件，承受载荷较大，并决定了设备的剪裁力。其扭矩、转速等参数的测量对设备运行状态的监控、部件的设计有着重要的意义[1]。扭矩和转速可以通过相应的传感器测量得到，而功率则是根据测得的转速和扭矩计算得出的。因此扭矩和转速是主要的测试量参数。根据测量手段的不同，归纳起来有3中扭矩测量方法[2]:1)应变法测扭矩;2)转角法测扭矩;3)反作用力法测扭矩。目前应用较多、技术较成熟方法是利用金属应变片构成全桥电路通过测量轴上的应变来测得扭矩。转速测量方法是通过对脉冲的测量实现的，可以分为频率法(M法)和周期法(T法)，相应的传感器有光电式和磁电式两种[3]，M法适合于高速测量而T法适合与低速测量[4]。本研究设计了一套综合无线传输技术和虚拟仪器技术的监控系统。通过电阻应变片式扭矩传感器测量轴上扭矩，采用磁电式转速传感器测量转速，并通过PCI采集卡采集传感器输出信号，最后以虚拟仪器LabVIEW为开发平台编写上位机软件用以实现后续数据处理和分析，并利用MySQL数据实现对测试数据进行存储和报表生成。

1 测量原理

1.1 扭矩传感器

由于剪板设备曲轴承载能力较大，采用电阻应变式扭矩测量，易实现且无需断开轴系，即在旋转轴的±45°方向上粘帖4个金属应变片，构成惠斯通电桥，利用金属应变片测量轴上应变，根据扭矩与应变的关系计算得到轴上扭矩的值。其原理如图1所示。

扭矩测量装置结构如图2所示，在旋转轴上套入环形保持架，并用紧定螺钉将其固定在轴上，使其可以随旋转轴一同旋转。应变桥连通至位于保持架的信号处理电路[5]，将采集信号处理后通过无线传输模块发出。

根据材料力学可知，当旋转轴受到扭矩M作用时，轴表面处于纯剪应力状态，有最大应力τ=M/Wt。在与轴线呈±45°方向上有最大正应力σ1和σ2，其值为σ1=－σ2=τ。相应的应变为ε1和ε2，且ε1=－ε2=ε。根据广义胡克定律有:

式中，M—轴上扭矩;Wt—抗扭界面模量;u—轴材料的泊松比;E—轴材料的弹性模量;对于实心轴，抗扭截面模量为，D为轴的直径。

当轴在扭矩作用下产生应变时，金属应变片的阻值发生变化。设应变桥供电电压为ui，应变片初始电阻值为R1=R2=R3=R4=R，在应变作用下电阻值的改变分别为△R1，△R2，△R3和△R4，应变桥输出电压为:

式中，K为金属应变片的灵敏系数。

由于轴上±45°方向上应变大小相等、方向相反，因此应变桥的输出应变为:

根据(1)式和(3)式得:

1.2 转速传感器

转速采用磁电式转速传感器利用频率法测量。磁电式转速传感器主要由感应线圈、软磁芯和永磁铁两部分组成，其测量原理如图3所示。永磁铁用于产生磁场，当测速齿轮转动时，齿轮与传感器间隙周期性变化，磁通量会以同样的频率变化，因而在感应线圈中感应出近似正弦波的电信号。

由传感器的工作原理可知，传感器输出交流信号的频率f与测速齿轮的转速n和齿数z成正比，即:

2 硬件设计及器件选择

硬件系统总体结构如图4所示，包括信号测量、信号调理和信号采集三个模块。扭矩传感器和转速传感器测量得到的微弱电压信号经信号调理模块放大、整形和滤波等处理后进入PCI采集卡。PCI采集卡将输入的模拟量电压信号转化成数字信号并送入计算机。在计算机中开发上位机软件根据传感器的输出电压信号与实际物理参数间的关系对数字信号进行解析，转换成实际的扭矩值和转速值，并对数据进行存储和显示。

2.1 扭矩测量

如图5所示，由于扭矩传感器输出的信号较微弱，且含有噪声信号。因此在进行信号采集前必须经过放大和滤波处理。根据系统要求，信号放大和滤波分别由如下芯片或电路实现:

(1)扭矩传感器输出信号的放大器采用ADI公司的AD620仪器放大器，电路图如图5所示。AD620具有体积小、功率低、噪声小以及供电电压范围大等特点，因而特别适合于传感器接口、紧密电压电路转换等场合[6]。

AD620内置两个增益电阻为24.7KΩ，因此其放大系数为:

为了使放大电路具有精确的放大比，及保持稳定的增益、避免增益温度漂移，电路中编程电阻RG应选用具有低温度系数，且精度范围为0.1% ～1%[7]。

(2)为了消除扭矩传感器输出信号中的高频成分，提高信号的信噪比，传感器信号在进入PCI采集卡前需经过滤波处理。本文以ADI公司的AD8605运算放大器设计了二阶巴特沃斯低通滤波器，电路原理图如图6所示。

电路中，选择 R1=9.31KΩ，R2=13.3KΩ，C1=0.033μF，C2=0.068μF，滤波器的截止频率为300Hz。

2.2 转速测量

由于转速传感器输出的近似正弦波的信号幅值较低，且不稳定，因此需经过隔离放大处理，将输出的信号转换成正弦信号。为了方便对信号频率的测量，利用过零比较电路将正弦波转换成方波。

本研究选用一体化的ISO S1－P1－O3隔离变送器作为转速传感器信号调理模块。ISO S－P－O系列隔离变送器是一种将转速传感器信号、正弦波、锯齿波信号或者微弱的波形信号隔离转换成与输入频率完全一致的方波信号的混合集成电路，能够实现200微弱信号的放大与整形。ISO S1－P1－O3接线图如图7所示。

其中，1，2引脚为信号输入端，4，5引脚为电源供电，8，11引脚为信号输出端。

2.3 数据采集卡

用台湾研华公司的PCI－1742U数据采集卡作为数据采集设备。PCI－1742U是16位、16路高分辨率多功能数据采集卡，最高采样率达1MHz，具有16位AD转换器。PCI－1742U可以选择为16路单端输入或者8路差分输入，且单端和差分输入可以自由组合。PCI－1742U具有1个16位/10MHz计数器，可以方便的实现对转速传感器输出信号频率的测量。

3 软件实现

测量系统软件开发采用美国NI公司的虚拟仪器软件LabVIEW，软件主要包括以下几个功能模块，如图8所示。

1)信号采集模块信号采集模块的功能是调用PCI－1742U数据采集卡的API函数，采用轮询的方式实时读取PCI－1742U输入端口采集到的信号参数。

2)数据处理模块数据处理模块的功能是先将采集到的参数按照公式(4)和(5)分别转换成对应的扭矩和转速的值，并对扭矩和转速进行频谱分析。在软件界面上显示其实时的值、变化趋势曲线和频谱分析结果等。

3)数据库模块数据库模块的功能是提供数据存储，查询和报表打印等功能，方便对测试数据进行保存和分析。本文采用的数据库为My SQL 5.5，利用Microsoft的数据源(ODBC)建立起LabVIEW和My SQL间的连接。在LabVIEW程序中利用设置的数据源名称(DSN)实现对数据库的操作，如图9所示。

4 结论与讨论

本文设计了一套综合无线传输技术和虚拟仪器技术的监控系统，可以同时实现对传动轴转速和扭矩的测量。采用虚拟仪器技术开发了上位机软件对测试结果进行显示和分析，利用MySQL数据库实现对测试数据的实时监控并存储，方便测试人员对测试数据进行分析和生成测试报表。本系统具有原理简单，结构紧凑，重量轻，测试数据便于处理等特点，具有良好的应用前景。

[1]金炳尧，钱怡，平东良.剪板机动载荷的模拟及变形分析[J].江南大学学报，2014，4(2):174－178.

[2]王登泉，杨明，叶林，等.非接触式旋转轴扭矩测量现状[J].电子测量技术，2010，33(6):8－12.

[3]李福进，陈至坤，王汝琳，等.基于单片机的转速测量方法[J].工矿自动化，2006(1):54－55.

[4]贺贵芳，蒋华军.磁阻传感器在转速测量中的应用[J].传感器与仪器仪表，2006，22(5):168－169.

[5]安英博.基于无线传输的应变式扭矩测量系统设计[D].西安:西北农林科技大学，2009.

[6]曹军.仪器放大器AD 620性能及其应用[J].电子器件，1999，20(3):62－65.

[7]赵金伟，杨洪波，李建平，等.扭矩遥测系统在轧机扭矩监测中的应用[J].控制工程，2009，5(16):170－172.