CN109084926A

CN109084926A - 基于无线技术的旋转轴扭矩测量方法与系统

Info

Publication number: CN109084926A
Application number: CN201810896063.8A
Authority: CN
Inventors: 金华标; 梁卓夫
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2018-08-08
Filing date: 2018-08-08
Publication date: 2018-12-25

Abstract

本发明公开了一种基于无线技术的旋转轴扭矩测量方法与系统，该方法包括如下步骤：1)采集电压模拟信号；2)对电压模拟信号进行放大、滤波和模数转换，得到电压数字信号；3)通过蓝牙数据发射模块将电压数字信号传输到上位机，经上位机处理后得到旋转轴的扭矩值；4)所需电能通过无线供电方式提供。该系统包括应变片式转矩传感器、集成电路板、上位机和无线供电装置；所述无线供电装置包括电能接收部件和电能发射部件；所述上位机设置有蓝牙数据接收模块；所述集成电路板上集成设置有电源模块、应变信号处理模块、数据处理模块、蓝牙数据发射模块。本发明通过无线供电和蓝牙数据传输的联合应用，提高了旋转轴扭矩测量精度。

Description

基于无线技术的旋转轴扭矩测量方法与系统

技术领域

本发明涉及一种旋转轴扭矩测量技术，特别是指一种基于无线技术的旋转轴扭矩测量方法与系统。

背景技术

随着现代船舶动力装置自动化程度越来越高，对船舶动力装置系统的动态性能指标要求也越来越高。船舶动力装置在运行过程中，工况较为复杂。船舶动力装置的快速起动、突然加速或减速、紧急刹车等非稳态动作都会使动力设备轴系承受较大的瞬间扭矩，造成动力装置轴系的损伤，同时也给工作人员的安全埋下了隐患。扭矩是反应轴系传动装置输出功率和评价其工作特性的重要技术指标，它的周期性变化不仅会造成转轴疲劳失效，而且，过大的扭矩还可能导致转轴断裂。所以船舶轴系扭矩的测量，对于监测、诊断机械主轴传动系统动态特性，降低故障率和能耗具有重要意义。

目前，有两种扭矩传感器使用较为广泛。一种是相位差式传感器，其利用磁电相位差式转矩测量技术，在弹性轴的两端安装着两组齿数、形状及安装角度完全相同的齿轮，在齿轮的外侧各安装着一只接近(磁或光)传感器。当弹性轴旋转时，这两组传感器就可以测量出两组脉冲波，比较这两组脉冲波的前后沿的相位差就可以计算出弹性轴所承受的扭矩量。但它体积较大，不易安装，低转速时由于脉冲波的前后沿较缓不易比较，因此低速性能不理想。另一种是应变片式转矩传感器，在沿轴向±45°方向上分别粘贴有四个应变片，将其组成全桥电路，则可输出与转矩M成正比的电压信号。这种接法可以消除轴向力和弯曲力的干扰。应变式转矩传感器结构简单，精度较高，技术相对成熟。

采用应变式转矩传感器进行旋转轴系扭矩的应变测量方法主要有接触式应变测量方法和遥测式应变测量方法。接触式应变测量方法是将电阻应变片安装在轴系上，产生的应变信号通过导线连接传送到集流环上，经过电刷与集流环的连接，将应变信号传送到应变仪上，再经过数据采集器，将信号输入到计算机进行数据处理和计算，最后得出结论。但是接触式应变测量方法也存在一些缺陷。刷式集流环通过滑环、电刷把旋转部件的测量信号传给二次仪表，环刷接触副构成静态接触电阻和动态接触电阻。接触电阻使被传递的信号发生畸变，对测量形成干扰，从而带来测量误差。同时，集流环的环与环、环与地(外壳)之间的电阻为绝缘电阻，它实际上并联于测量电路之中，所以当集流环的绝缘电阻降低或不稳定时，所产生的虚假应变会产生零点漂移和蠕变，从而带来测量误差。遥测式应变测量方法就是采用非接触方法，以天线耦合，实现应变信号的发送和接收，来完成对轴系应变信号的采集分析处理，计算出扭矩。遥测式应变测量方法也有一定的缺点。其一，由于在旋转轴上附加了发射机和内置电池，容易引起高转速时的动平衡问题，在小量程及小直径时更为突出。而且，在高转速的情况下，附加结构受很大的离心力，系统的安全性和可靠性大大降低。其二，由于是旋转轴系，因此供电系统现场布线存在很大的困难。采用电池供电，只能短期使用，十分不便。其三，系统易受现场电磁波的干扰。

另一方面，无线电能传输技术，泛指一种借助磁场、电场、电磁波、微波、RF无线电波等软介质，将电能以非接触的形式由电源接入到用电设备的新型电能供给模式。目前，实现无线电能传输的方法主要有微波、无线电波、共振(谐振耦合)和电磁感应耦合等。其中，感应耦合电能传输技术，是以电磁场近场耦合的方式实现电能近距离的无线传输。磁耦合谐振无线供电技术主要用于一些小型无线供电系统的供电，相对于其他无线供电方式在传输效率和传输距离上具有无法比拟的优越性，具有很广阔的发展空间和应用前景，它的应用范围可以囊括生活中的很多用电设备。磁耦合谐振无线供电技术的发展可以在很大程度上推动无线供电技术在生产和生活中的推广与普及。

发明内容

本发明的目的在于提供一种测量精度高、可靠性好的基于无线技术的旋转轴扭矩测量方法与系统。

为实现上述目的，本发明所设计的基于无线技术的旋转轴扭矩测量方法，包括如下步骤：1)通过安装于旋转轴上的应变片式转矩传感器采集电压模拟信号；2)通过安装于旋转轴上的集成电路板搭载的应变信号处理模块对电压模拟信号进行放大、滤波和模数转换，得到电压数字信号；3)通过安装于旋转轴上的集成电路板搭载的蓝牙数据发射模块将电压数字信号传输到搭载有蓝牙数据接收模块的上位机上，经上位机处理后得到旋转轴的扭矩值；4)上述步骤1)～3)中，应变片式转矩传感器和集成电路板所需电能由无线供电装置通过无线供电方式提供。

优选地，步骤3)中，扭矩值T通过以下表达式(公式1)进行计算：

式中：π为圆周率；E为旋转轴的弹性模量，单位N/mm²；D_o为轴外径，D_i为轴内径(采用实心轴时为0)，单位mm；V_o为蓝牙数据接收模块调理后的输出电压，单位V；ν为旋转轴材料的泊松比；B为应变片桥臂数，取值为4；G_pga为应变信号处理模块对电压模拟信号进行放大的设定增益倍数；V_exc为全桥电路的励磁电压，单位V；SGF为应变因子(此参数见应变片包装)；计算所得扭矩值T的单位为N·m。

为实现前述旋转轴扭矩测量方法，本发明同时提供了一种基于无线技术的旋转轴扭矩测量系统，包括应变片式转矩传感器、集成电路板、上位机和无线供电装置，所述应变片式转矩传感器、集成电路板固定安装在旋转轴上；所述无线供电装置包括电能接收部件和电能发射部件，所述电能接收部件固定安装在旋转轴上；所述电能发射部件设置在旋转轴外、电能接收部件附近，能够将电能以无线方式输送给电能接收部件；所述上位机设置有可与蓝牙数据发射模块配对连接的蓝牙数据接收模块；所述集成电路板上集成设置有电源模块、应变信号处理模块、数据处理模块、蓝牙数据发射模块；所述电源模块为应变信号处理模块、数据处理模块、蓝牙数据发射模块和应变片式转矩传感器供电；所述应变信号处理模块的电压模拟信号输入端与应变片式转矩传感器的电压模拟信号输出端相连；所述数据处理模块包括单片机及其最小系统，所述数据处理模块同时与应变信号处理模块和蓝牙数据发射模块相连，将应变信号处理模块对电压模拟信号处理得到的电压数字信号通过蓝牙数据发射模块发送给蓝牙数据接收模块；所述上位机通过蓝牙数据接收模块接收电压数字信号，处理后得到旋转轴的扭矩值。

优选地，所述应变片式转矩传感器包括沿旋转轴的轴向±45°方向设置的四个应变片，四个所述应变片组成全桥电路，可输出与转矩M成正比的电压模拟信号。

优选地，所述应变信号处理模块包括精密放大电路、滤波器和高精度模数转换器。

优选地，所述电能接收部件包括依次缠绕设置在旋转轴上的初级谐振线圈、次级谐振线圈和电能接收线圈，三者彼此绝缘，并与旋转轴绝缘；所述电能接收线圈的电能输出端与所述电源模块的电源输入端相连；所述初级谐振线圈、次级谐振线圈通过近场谐振进行电能传输。该方案采用磁耦合谐振无线供电技术供电，具有传输距离远、效率高、功率大、无方向性、灵活安全、穿透性强等优点。

优选地，所述电源模块的电源输入端与电能接收部件的电能输出端相连，所述电源模块的电能输出端分别与应变信号处理模块的电源输入端、数据处理模块的电源输入端、蓝牙数据发射模块的电源输入端和应变片式转矩传感器的电源输入端相连。

优选地，所述电能发射部件包括依次相连的高频信号发生器、功率放大电路和激励线圈，所述激励线圈设置在所述电能接收部件的无线电能接收范围内。

优选地，所述电源模块包括沿电能传输方向依次相连的整流电路、低通滤波电路和稳压电路。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1)采用集成有电源模块、应变信号处理模块、数据处理模块和蓝牙数据发射模块等的集成电路板，相比于传统扭矩遥测仪的发射机装置，结构更为轻量化，集成度更高。

2)采用无线供电技术供电，取代了传统的电池供电，消除了电池重量对轴系扭矩测量的影响，提高了扭矩采集的精准度。

3)采用蓝牙技术来实现数据的传输，兼容性强，可以建立临时性的对等连接，具有很好的抗干扰能力，模块体积小，便于集成，功耗低，接口标准开放，成本低。

4)本发明操作简单，精度高，可靠性好，无线供电和蓝牙数据传输的联合应用，对于扭矩监测和提高测量精度具有重要意义。

附图说明

图1为本发明所设计的基于无线技术的旋转轴扭矩测量系统的整体结构示意图。

图2为图1中旋转轴及其上布置的结构示意图。

图3为图1中旋转轴扭矩测量系统的模块结构框图。

图4、图5分别为图3中应变信号处理模块、电源模块的结构示意图。

图6为图1中无线供电装置的无线供电原理示意图。

其中：旋转轴1、应变片式转矩传感器2、应变片2.1、全桥电路2.2、集成电路板3、应变信号处理模块3.1、精密放大电路3.11、滤波器3.12、高精度模数转换器3.13、数据处理模块3.2、蓝牙数据发射模块3.3、电源模块3.4、整流电路3.41、低通滤波电路3.42、稳压电路3.43、上位机4、蓝牙数据接收模块4.1、无线供电装置5、电能接收部件5.1、初级谐振线圈5.11、次级谐振线圈5.12、电能接收线圈5.13、电能发射部件5.2、高频信号发生器5.21、功率放大电路5.22、激励线圈5.23

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

实施例1

如图1～6所示，本实施例所设计的基于无线技术的旋转轴扭矩测量系统，包括应变片式转矩传感器2、集成电路板3、上位机4和无线供电装置5。其中：

应变片式转矩传感器2包括沿旋转轴1的轴向±45°方向设置的四个应变片2.1，四个应变片2.1组成全桥电路2.2，可输出与转矩M成正比的电压信号，即电压模拟信号。

无线供电装置5包括电能接收部件5.1和电能发射部件5.2。电能发射部件5.2包括依次相连的高频信号发生器5.21、功率放大电路5.22和激励线圈5.23，激励线圈5.23设置在电能接收部件5.1的无线电能接收范围内。电能接收部件5.1包括依次缠绕设置在旋转轴1上的初级谐振线圈5.11、次级谐振线圈5.12和电能接收线圈5.13，三者彼此绝缘，并与旋转轴1绝缘。电能接收线圈5.13的电能输出端与电源模块3.4的电源输入端相连。初级谐振线圈5.11、次级谐振线圈5.12通过近场谐振进行电能传输。

无线供电装置5的供电过程简述如下：1)调整激励线圈5.23与初级谐振线圈5.11之间的位置和距离，以得到合适的传输频率，之后电能接收线圈5.13与集成电路板3上的电源模块3.4连接；2)高频信号发生器5.21接通电源，激发激励线圈5.23产生交变磁场，使具有相同谐振频率的初级谐振线圈5.11和次级谐振线圈5.12产生磁谐振，在电能接收线圈5.13中不断聚集能量，提供给负载——电源模块3.4；3)电源模块3.4使得电压能够持续稳定输出，对集成电路板3上的所有模块及全桥电路2.2进行供电。

上位机4设置有可与蓝牙数据发射模块3.3配对连接的蓝牙数据接收模块4.1。上位机4为常规PC电脑，蓝牙数据接收模块4.1为USB蓝牙适配器，通过USB接口安装到上位机4上，也可以采用集成在上位机4上的蓝牙模块。

集成电路板3上集成设置有电源模块3.4、应变信号处理模块3.1、数据处理模块3.2、蓝牙数据发射模块3.3。

电源模块3.4包括整流电路3.41、低通滤波电路3.42和稳压电路3.43，其电源输入端与电能接收部件5.1的电能输出端相连(正负极对应)。电源模块3.4的电能输出端分别与应变信号处理模块3.1的电源输入端、数据处理模块3.2的电源输入端、蓝牙数据发射模块3.3的电源输入端和应变片式转矩传感器2的电源输入端相连(正负极对应)，为应变信号处理模块3.1、数据处理模块3.2、蓝牙数据发射模块3.3和应变片式转矩传感器2供电。

应变信号处理模块3.1包括沿信号传递方向依次相连的精密放大电路3.11、滤波器3.12和高精度模数转换器3.13。精密放大电路3.11的电压模拟信号输入端正负极与全桥电路2.2的电压模拟信号输出端正负极对应相连。应变信号处理模块3.1采用德州仪器生产的集成有精密放大电路3.11、滤波器3.12的ads1120-q1高精度模数转换器。

数据处理模块3.2包括单片机及其最小系统，数据处理模块3.2同时与应变信号处理模块3.1和蓝牙数据发射模块3.3相连，将应变信号处理模块3.1对电压模拟信号处理得到的电压数字信号通过蓝牙数据发射模块3.3发送给蓝牙数据接收模块4.1。上位机4通过蓝牙数据接收模块4.1接收电压数字信号，处理后得到旋转轴1的扭矩值。

蓝牙数据发射模块3.3和蓝牙数据接收模块4.1均由csr蓝牙通讯芯片和其他基本电路组成。

集成电路板3、应变片式转矩传感器2、无线供电装置5安装在旋转轴1上。具体而言，集成电路板3采用扎带和机械箍紧项圈或其他固紧设备绑扎在旋转轴1上，应变片式转矩传感器2粘贴于旋转轴1上，电能接收部件5.1的初级谐振线圈5.11、次级谐振线圈5.12、电能接收线圈5.13缠绕在轴上。两级谐振线圈、电能接收线圈5.13大小根据轴系大小调整。无线供电装置5的电能发射部件5.2设置在旋转轴1外、电能接收部件5.1附近，为两级谐振线圈提供交变磁场。上位机4在蓝牙有效通讯范围内任意调整。

实施例2

本实施例基于实施例1中提供的旋转轴扭矩测量系统，提供了一种基于无线技术的旋转轴扭矩测量方法。该方法包括如下步骤：

1)当旋转轴1转动时，应变片式转矩传感器2采集电压模拟信号并传输给应变信号处理模块3.1。

2)应变信号处理模块3.1对电压模拟信号进行放大、滤波和模数转换，得到电压数字信号。

3)数据处理模块3.2接收来自应变信号处理模块3.1的电压数字信号，并将其通过蓝牙数据发射模块3.3传输到搭载有蓝牙数据接收模块4.1的上位机4上，经上位机4处理得到旋转轴1的扭矩值。该扭矩系统中，旋转轴1的扭矩与全桥电路6输出的电压信号成正比，可通过公式1进行计算。

4)上述各步骤中，由无线供电装置(5)向电源模块(3.4)供电，再由电源模块(3.4)为集成电路板3其他模块及应变片式转矩传感器2提供所需电能。

以下通过具体实验对本发明作进一步说明。

该实验针对某船舶柴油机实心轴系，旋转轴外径D_o测得为76.2mm，旋转轴内径D_i＝0，材料为钢，其弹性模量E为206.8×10³N/mm²，泊松比ν为0.3，轴上全桥应变片应变因子SGF＝2.08。

实验步骤：

第一步：在船舶柴油机尚未工作时，完成整个测量系统的安装工作。安装工作检查无误后，打开无线供电装置为整个测量系统上电。

第二步：打开PC上位软件，此时蓝牙数据接收模块接收的电压值V_o值为0。如有零飘，可用软件进行调零处理；如误差过大，检查系统硬件安装是否有问题，进行故障排除。

第二步：确认V_o＝0V，计算扭矩T。将D_o＝76.2mm，D_i＝0mm，E＝206.8×10³N/mm²等变量带入下面的公式中，得：

式中：π为圆周率；E为旋转轴的弹性模量，单位N/mm²；D_o为轴外径，D_i为轴内径，单位mm；V_o为蓝牙数据接收模块调理后的输出电压，单位V；ν为旋转轴材料的泊松比；B为应变片桥臂数，取值为4；G_pga为应变信号处理模块对电压模拟信号进行放大的设定增益倍数(此处设定为4000)，V_exc为全桥电路的励磁电压，本例中为5V；SGF为应变因子；计算所得扭矩值T的单位为N 2m。

第三步：旋转轴1转动，记录输出电压V_o，并计算扭矩值T，所得部分数据如下表所示。

表1输出电压与扭矩值数据表

累计时间/s	接收电压值/V	扭矩值/N·m
			20	1.40	465
25	1.44	478
			30	1.40	465
35	1.40	465
			40	1.44	478
45	1.40	465
			50	1.44	478
55	1.40	465
			60	1.44	478
65	1.40	465
			70	1.44	478
75	1.40	465
			80	1.40	465
85	1.40	465
			90	1.36	452

实验证明，本发明操作简单，可靠性好，能够大幅提高旋转轴扭矩测量精度。

Claims

1.一种基于无线技术的旋转轴扭矩测量方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

1)通过安装于旋转轴(1)上的应变片式转矩传感器(2)采集电压模拟信号；

2)通过安装于旋转轴(1)上的集成电路板(3)搭载的应变信号处理模块(3.1)对电压模拟信号进行放大、滤波和模数转换，得到电压数字信号；

3)通过安装于旋转轴(1)上的集成电路板(3)搭载的蓝牙数据发射模块(3.3)将电压数字信号传输到搭载有蓝牙数据接收模块(4.1)的上位机(4)上，经上位机(4)处理后得到旋转轴(1)的扭矩值；

4)上述步骤1)～3)中，应变片式转矩传感器(2)和集成电路板(3)所需电能由无线供电装置(5)通过无线供电方式提供。

2.根据权利要求1所述的基于无线技术的旋转轴扭矩测量方法，其特征在于：所述应变片式转矩传感器(2)包括沿旋转轴(1)的轴向±45°方向设置的四个应变片(2.1)，四个所述应变片(2.1)组成全桥电路(2.2)，可输出与转矩M成正比的电压模拟信号。

3.根据权利要求2所述的基于无线技术的旋转轴扭矩测量方法，其特征在于：步骤3)中，扭矩值T通过以下表达式进行计算：

式中：π为圆周率；E为旋转轴的弹性模量，单位N/mm²；D_o为轴外径，D_i为轴内径，单位mm；V_o为蓝牙数据接收模块调理后的输出电压，单位V；ν为旋转轴材料的泊松比；B为应变片桥臂数，取值为4；G_pga为应变信号处理模块对电压模拟信号进行放大的设定增益倍数；V_exc为全桥电路的励磁电压，单位V；SGF为应变因子；计算所得扭矩值T的单位为N·m。

4.一种基于无线技术的旋转轴扭矩测量系统，其特征在于：该系统包括应变片式转矩传感器(2)、集成电路板(3)、上位机(4)和无线供电装置(5)，所述应变片式转矩传感器(2)、集成电路板(3)固定安装在旋转轴(1)上；

所述无线供电装置(5)包括电能接收部件(5.1)和电能发射部件(5.2)，所述电能接收部件(5.1)固定安装在旋转轴(1)上；所述电能发射部件(5.2)设置在旋转轴(1)外、电能接收部件(5.1)附近，能够将电能以无线方式输送给电能接收部件(5.1)；

所述上位机(4)设置有可与蓝牙数据发射模块(3.3)配对连接的蓝牙数据接收模块(4.1)；

所述集成电路板(3)上集成设置有电源模块(3.4)、应变信号处理模块(3.1)、数据处理模块(3.2)、蓝牙数据发射模块(3.3)；

所述电源模块(3.4)为应变信号处理模块(3.1)、数据处理模块(3.2)、蓝牙数据发射模块(3.3)和应变片式转矩传感器(2)供电；

所述应变信号处理模块(3.1)的电压模拟信号输入端与应变片式转矩传感器(2)的电压模拟信号输出端相连；

所述数据处理模块(3.2)包括单片机及其最小系统，所述数据处理模块(3.2)同时与应变信号处理模块(3.1)和蓝牙数据发射模块(3.3)相连，将应变信号处理模块(3.1)输出的电压数字信号经蓝牙数据发射模块(3.3)发送给蓝牙数据接收模块(4.1)，再由上位机(4)进行处理。

5.根据权利要求4所述的基于无线技术的旋转轴扭矩测量系统，其特征在于：所述应变片式转矩传感器(2)包括沿旋转轴(1)的轴向±45°方向设置的四个应变片(2.1)，四个所述应变片(2.1)组成全桥电路(2.2)，可输出与转矩M成正比的电压模拟信号。

6.根据权利要求4所述的基于无线技术的旋转轴扭矩测量系统，其特征在于：所述应变信号处理模块(3.1)包括沿信号传递方向依次相连的精密放大电路(3.11)、滤波器(3.12)和高精度模数转换器(3.13)。

7.根据权利要求4所述的基于无线技术的旋转轴扭矩测量系统，其特征在于：所述电能接收部件(5.1)包括依次缠绕设置在旋转轴(1)上的初级谐振线圈(5.11)、次级谐振线圈(5.12)和电能接收线圈(5.13)，三者彼此绝缘，并与旋转轴(1)绝缘；所述电能接收线圈(5.13)的电能输出端与所述电源模块(3.4)的电源输入端相连；所述初级谐振线圈(5.11)、次级谐振线圈(5.12)通过近场谐振进行电能传输。

8.根据权利要求4所述的基于无线技术的旋转轴扭矩测量系统，其特征在于：所述电源模块(3.4)的电源输入端与电能接收部件(5.1)的电能输出端相连，所述电源模块(3.4)的电能输出端分别与应变信号处理模块(3.1)的电源输入端、数据处理模块(3.2)的电源输入端、蓝牙数据发射模块(3.3)的电源输入端和应变片式转矩传感器(2)的电源输入端相连。

9.根据权利要求4～8中任一项所述的基于无线技术的旋转轴扭矩测量系统，其特征在于：所述电能发射部件(5.2)包括依次相连的高频信号发生器(5.21)、功率放大电路(5.22)和激励线圈(5.23)，所述激励线圈(5.23)设置在所述电能接收部件(5.1)的无线电能接收范围内。

10.根据权利要求4～8中任一项所述的基于无线技术的旋转轴扭矩测量系统，其特征在于：所述电源模块(3.4)包括沿电能传输方向依次相连的整流电路(3.41)、低通滤波电路(3.42)和稳压电路(3.43)。