CN109470389A - 应变式扭矩测量系统及方法 - Google Patents

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沈希忠
郑晓修
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Abstract

本发明提供了一种应变式扭矩测量系统及方法，包括：上位机和两个及以上的数据采集分路，上位机与数据采集分路通信连接，其中，数据采集分路包括：桥式电路、信号调整电路、模数转换电路；桥式电路与测量扭矩的应变片连接，用于检测应变片采集到的电阻变化信号，并将电阻变化信号转换为电压信号后发送给信号调整电路；信号调整电路，用于将电压信号进行放大、滤波、直流平移处理之后，得到调整后的电压信号，并将调整后的电压信号发送给模数转换电路；数模转换电路，用于将调整后的电压转换为数字信号后发送给上位机。本发明可以避免传统单点测量的中标称值引入的误差，测量效率高，运行可靠，能够显著提升扭矩的测量精度。

Description

应变式扭矩测量系统及方法
技术领域
本发明涉及测量技术领域，具体地，涉及应变式扭矩测量系统及方法。
背景技术
扭矩是设计旋转机械传动轴的重要参数，它关系到传动轴的载荷能力、寿命和安全性，扭矩测试技术广泛应用于航空、汽车、建筑、化工、机械行业等领域，能否准确、实时地测出传动轴的扭矩，对于及时发现传动轴存在的故障、改进、优化传动轴设计具有非常重要的意义。
电阻应变片是用于测量应变的元件，由于电阻应变片能将机械构件上应变的变化或者压力变换等转换为阻值变化，进而输出电压，因此，电阻应变片在测量领域中广泛使用。目前，由其设计的传感器基本技术已趋于成熟，扭矩传感技术经过长期不断的发展已经形成了以应变测量为主的测量技术。但市场上的应变片本身都存在标称值，实际也存在误差，如标称120±0.1Ω，因此，某个应变片的实际值可能是119.9Ω或120.1Ω。虽然传统的这种方法简便易行，但造成的误差已经比较大了，同时，贴片操作也会造成一定的误差，所得结果就不能够精确的反应实际情况。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种应变式扭矩测量系统及方法。
第一方面，本发明实施例提供一种应变式扭矩测量系统，包括：上位机和两个及以上的数据采集分路，所述上位机与所述数据采集分路通信连接，其中，所述数据采集分路包括：桥式电路、信号调整电路、模数转换电路；
所述桥式电路与测量扭矩的应变片连接，用于检测应变片采集到的电阻变化信号，并将所述电阻变化信号转换为电压信号后发送给所述信号调整电路；
所述信号调整电路，用于将所述电压信号进行放大、滤波、直流平移处理之后，得到调整后的电压信号，并将所述调整后的电压信号发送给所述模数转换电路；
所述数模转换电路，用于将所述调整后的电压转换为数字信号后发送给所述上位机；
所述上位机，用于对所述数字信号进行分析处理后，得到扭矩值。
可选地，所述数据采集分路还包括：单片机，所述单片机与所述数模转换电路电连接，用于对所述数模转换电路生成的数字信号进行存储，并根据所述上位机发送的控制指令来控制所述桥式电路、信号调整电路、模数转换电路完成对扭矩的测量。
可选地，所述上位机与所述数据采集分路通过RS485接口进行通信连接。
可选地，所述上位机包括：主机、显示器、输入输出设备，主机用于对接收到的数字信号进行分析，并通过显示器进行显示；所述主机还用于生成控制指令，以控制所述数据采集分路按照预设的采集周期测量扭矩。
可选地，还包括：电源电路，所述电源电路，用于为所述数据采集分路提供不同的电压值的电能；其中，所述电源电路的输出电压值包括：5V、6V、12V、24V。
可选地，所述电源电路还与磁流体发电机电连接，所述磁流体发电机用于将转轴运行过程中产生的热能转换为电能。
第二方面，本发明实施例提供一种应变式扭矩测量方法，应用第一方面中任一项所述的应变式扭矩测量系统，所述方法包括：
在转轴的拉应力和压应力方向上粘贴X个应变片，并将所述应变片与数据采集分路的桥式电路连接；
根据上位机发送的控制指令，按照预设的采集周期获取应变片对应的输出电压；
分别计算X个应变片在N个采集周期下，输出电压的平均值以及方差；
从X个应变片中选取方差最小的第Y个应变片，并将第Y个应变片在N个周期下的N个输出电压与N个周期的平均输出电压进行比较，得到最接近平均输出电压值的目标输出电压V；
将目标输出电压V代入扭矩计算公式，得到对应的扭矩值。
可选地，扭矩计算公式如下：
M＝σ×V
其中，M为扭矩值，σ为正比例系数，V为目标输出电压。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明提供的应变式扭矩测量系统及方法，可以通过上位机和两个及以上的数据采集分路来对多个测量点进行应力测量，并对多点测量结果进行数据分析和处理，得到误差最小的测量点，从而避免了传统单点测量的中标称值引入的误差，测量效率高，运行可靠，能够显著提升扭矩的测量精度。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为单路应变式扭矩测量系统的原理图；
图2为多路应变式扭矩测量系统的原理图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
图1为应变式扭矩测量系统的原理图，如图1所示，转轴产生的扭矩经电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4组成的桥式电路转换为电压信号，然后电压信号通过信号调整电路进行放大、滤波、直流平移处理后，通过单片机控制数模转换电路(ADC)转换为数字信号，最后将数字信号发送给上位机进行分析处理，得到扭矩值。
图2为多路应变式扭矩测量系统的原理图，如图2所示，包括：主控电路(也可以是其他具备数据处理能力的处理器)、多个数据采集分路共同构成了多CPU结构的采集应变式扭矩测量系统。数据采集分路包括：桥式电路、信号调整电路、模数转换电路、单片机(STC89C52)等组成。同步信号发生器发出同步信号后，每个数据采集分路同时进行数据采集。其中，桥式电路与测量扭矩的应变片连接，用于检测应变片采集到的电阻变化信号，并将电阻变化信号转换为电压信号后发送给信号调整电路；信号调整电路，用于将电压信号进行放大、滤波、直流平移处理之后，得到调整后的电压信号，并将调整后的电压信号发送给模数转换电路。数模转换电路，用于将调整后的电压转换为数字信号后发送给上位机。上位机，用于对数字信号进行分析处理后，得到扭矩值。单片机对该电压量进行数据处理和存储后，通过RS485传输线路将单片机预处理的数据进行整合后传递给上位机，再由上位机进行最终的数据处理和结果显示。
下面结合具体实施例对图2所示系统的应用方法做详细说明。
步骤1：在表现为拉应力和压应力这条沿线方向上面粘贴X个电阻应变片，将每个电阻应变片分别接入电桥，各电桥检测每个电阻应变片的受力并转换为电压输出，输出的电压经放大、数模转换后为电压Vτ，且Vτ为第τ个应变片贴到试件上，连好线且加上负载时测得动态输出电压，其中τ＝1，2，3……X。
步骤2：假设上位机按照一定速率更新扭矩测量数据，假设在一秒钟内工作了N个测量周期，输出的电压为： 为第α个周期测量到的第β个电阻应变片的电压。
其中：α＝1，2，3……N，β＝1，2，3……X。第α个周期测量到的第β个电阻应变片测量到的扭矩 (σ为正比例系数)。
步骤3：利用方差计算出准确反应扭矩大小电压值，具体地：
N个周期输出的电压平均值如下：
N个周期测量的样本方差如下：
其中：m1表示第1个电阻应变片的输出电压平均值，mX示第X个电阻应变片的输出电压平均值，表示第1个电阻应变片的输出电压方差，表示第X个电阻应变片的输出电压方差。
步骤4：通过比较的大小，记数值最小的那一组方差为系统会自动调出方差最小这一组的电压值依次与该组电压平均值大小进行比较，从X个应变片中选取方差最小的第Y个应变片，并将第Y个应变片在N个周期下的N个输出电压与N个周期的平均输出电压进行比较，得到最接近平均输出电压值的目标输出电压V；，并在上位机显示结果。
具体地，结合图1，以1/4电桥为例，进行详细说明：
第一步，应变片连好线后，连接到采集仪，但未贴上时测得输出电压为V1，并采用多次测量求平均值的方法来提高精度。
第二步，应变片连好线并贴到试件上，但没加负载时测得输出电压为V2，并采用多次测量求平均值的方法来提高精度。
第三步，应变片贴到试件上，连好线且加上负载时测得动态输出电压为V3，则有：
由式(1)可得：
将(4)式带入(2)可得：
将(4)式带入(3)可得：
由式(5)和(6)可得：
其中，Vcc、V1、V2、V3都是可以测得到；ΔR4a和ΔR4b分别是应变片贴上之后没有加负载的电阻变化量和加上负载的电阻变化量；Vcc为提供桥式电路电压；ε为应变；GF为应变片的灵敏度。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (8)

1.一种应变式扭矩测量系统，其特征在于，包括：上位机和两个及以上的数据采集分路，所述上位机与所述数据采集分路通信连接，其中，所述数据采集分路包括：桥式电路、信号调整电路、模数转换电路；
所述桥式电路与测量扭矩的应变片连接，用于检测应变片采集到的电阻变化信号，并将所述电阻变化信号转换为电压信号后发送给所述信号调整电路；
所述信号调整电路，用于将所述电压信号进行放大、滤波、直流平移处理之后，得到调整后的电压信号，并将所述调整后的电压信号发送给所述模数转换电路；
所述数模转换电路，用于将所述调整后的电压转换为数字信号后发送给所述上位机；
所述上位机，用于对所述数字信号进行分析处理后，得到扭矩值。
2.根据权利要求1所述的应变式扭矩测量系统，其特征在于，所述数据采集分路还包括：单片机，所述单片机与所述数模转换电路电连接，用于对所述数模转换电路生成的数字信号进行存储，并根据所述上位机发送的控制指令来控制所述桥式电路、信号调整电路、模数转换电路完成对扭矩的测量。
3.根据权利要求1所述的应变式扭矩测量系统，其特征在于，所述上位机与所述数据采集分路通过RS485接口进行通信连接。
4.根据权利要求1所述的应变式扭矩测量系统，其特征在于，所述上位机包括：主机、显示器、输入输出设备，主机用于对接收到的数字信号进行分析，并通过显示器进行显示；所述主机还用于生成控制指令，以控制所述数据采集分路按照预设的采集周期测量扭矩。
5.根据权利要求1-5中任一项所述的应变式扭矩测量系统，其特征在于，还包括：电源电路，所述电源电路，用于为所述数据采集分路提供不同的电压值的电能；其中，所述电源电路的输出电压值包括：5V、6V、12V、24V。
6.根据权利要求5所述的应变式扭矩测量系统，其特征在于，所述电源电路还与磁流体发电机电连接，所述磁流体发电机用于将转轴运行过程中产生的热能转换为电能。
7.一种应变式扭矩测量方法，其特征在于，应用权利要求1-6中任一项所述的应变式扭矩测量系统，所述方法包括：
在转轴的拉应力和压应力方向上粘贴X个应变片，并将所述应变片与数据采集分路的桥式电路连接；
根据上位机发送的控制指令，按照预设的采集周期获取应变片对应的输出电压；
分别计算X个应变片在N个采集周期下，输出电压的平均值以及方差；
从X个应变片中选取方差最小的第Y个应变片，并将第Y个应变片在N个周期下的N个输出电压与N个周期的平均输出电压进行比较，得到最接近平均输出电压值的目标输出电压V；
将目标输出电压V代入扭矩计算公式，得到对应的扭矩值。
8.根据权利要求7所述的应变式扭矩测量方法，其特征在于，扭矩计算公式如下：
M＝σ×V
其中，M为扭矩值，σ为正比例系数，V为目标输出电压。
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