摘 要： 針對工業傳動軸轉矩研究的要求，設計了一種基于STC12C5A60S2單片機技術、結合AD7705模數轉換器數據采集及nRF24L01無線模塊進行數據通信的有轉矩實時檢測與數據分析的系統。系統的檢測模塊安裝于傳動軸上，通過無線模塊將檢測信息傳送至接收模塊，接收模塊再把數據傳送至上位機進行轉矩實時監控與數據分析。給出了系統硬件設計的原理電路及軟件設計的程序流程圖，同時給出了系統的上位機操作界面，系統運行良好，具有較好的應用性和可移植性。
關鍵詞： 工業傳動軸；轉矩；實時監控；數據分析
在機械傳動系統中，轉矩是反映機械設備性能的最典型的參數之一，是維護設備安全、控制設備高效工作、研究設備運動性能等工作中重要的參數，而這一參數主要體現在傳動軸上。由于工業傳動軸的不可破壞與拆裝以及工作時連續旋轉的特性，故傳感器不允許改變傳動軸的結構，同時傳感器須結合無線裝置。如果工業現場環境惡劣干擾信號強，則還要對檢測信號和數據進行模擬和數字信號處理。隨著計算機技術的發展，應用計算機軟件收集、管理數據并進行可視化分析將為維護人員的工作提供極大的幫助，也能為研究人員提供科學有效的實時數據。本研究應這一需求，設計了一套具有傳動軸轉矩實時檢測、監控和數據分析功能的系統。數據采集模塊具有精度高、量程大、體積小的特點，通過基于nRF24L01無線電路把采集的數據傳至數據監測與傳送模塊實現簡單檢測功能，最后數據通過串口傳輸至上位機，利用虛擬儀器LabVIEW軟件實現數據分析與全面的數據監控。
1 金屬絲電阻式全橋應變檢測原理
目前有各種轉矩檢測的方法，包括接觸式檢測方法（如電阻式應變片檢測方法）和非接觸式檢測方法（如光學、光電子學、磁學、電磁學檢測和其他各種相位數字檢測方法等）[1]。
本系統采用金屬絲電阻式應變片進行轉矩檢測。其檢測原理是將電阻應變片作為傳感元件，利用粘合劑將其粘貼在被測構件上，當構件受力發生形變時應變片的敏感柵會隨其產生等量形變，從而引起應變片電阻值發生變化，打破全橋測力電路平衡，輸出電壓?駐U，可以間接計算傳動軸所受轉矩。通過物理推導可得：
接收監控系統的程序主要包括：12864液晶驅動程序、nRF4L01通信芯片驅動程序、矩陣鍵盤掃描驅動程序、RS232標準的串行數據通信程序以及一套單任務的嵌入式實時操作系統程序。操作系統程序中包括了人機交互式界面、實時數據管理和刷新顯示界面和上位機實時通信界面。將采樣數據發送至上位機，有利于進行實時監控。此外系統包含轉矩報警程序，即一旦超過設定值將立刻報警，提醒工作人員進行保護操作。
3.1.1 系統人機交互界面
接收監控系統啟動以后，用實時刷新的掃描算法，通過矩陣鍵盤輸入轉矩的保護值、安全設定值以及復位信息等，相當于人工設定數字的參考量，設置完畢后進入系統進行實時監控、誤差比較和報警，使整套系統按照給定值安全地運行。
3.1.2 智能化設計
根據不同的電阻應變片配置合適的輸入電壓U可以最大限度地提高檢測精度，然而根據式（1），當輸入電壓U改變時，轉矩計算公式需要調整。本系統通過單片機空余A/D口采集電橋輸入電壓值，與先前電橋輸入電壓值進行對比，然后判斷是否改變轉矩計算公式。這樣的智能化設計避免了繁瑣的修改程序過程。
此外，環境溫度t對應變片的所有性能都有顯著的影響[4]。雖然全橋結構的應變片檢測電路可以消除由環境溫度引起的虛假輸出，但是溫度變化依然會影響應變片的檢測性能，從而造成誤差。如果使用溫度自補償的電阻應變片，可以很好地解決溫度漂移問題。如果電阻應變片不具有自補償功能，則使用金屬絲電阻應變片時把阻值近似為與溫度t的函數關系：
R（t）=R0[1+α（t-t0）] （4）
式中，R0為參考溫度t0（通常=0℃）時的阻值；α為正溫度系數[5]。
3.2 上位機實時監控界面
采用LabVIEW軟件設計了具有實時檢測功能和數據分析功能的上位機系統具有界面友好簡潔的特點，上位機以串口通信與下位機相連，通過調用串口傳送的數據，及時接收下位機發送來的數據并實時更新再經過處理繪制成轉矩與時間同步的曲線[6]，從而傳動軸應力得以形象化地顯示在上位機界面。
上位機數據分析界面提供了數字濾波器，可對濾波算法、采樣點數、截止頻率進行自由設定，從而消除檢測過程中的高頻噪聲的干擾，保留有效的低頻轉矩信號。系統底層程序采用LabVIEW的底層數字濾波模塊，通過數字信號處理算法對采集的信號進行濾波。值得一提的是，數字濾波可以應對消除不同干擾的需要靈活設計濾波算法，這遠比采用模擬濾波器要優越。
本文完成了單片機系統的硬件設計、制作、調試，完成了單片機控制程序設計、調試以及上位機監控系統程序設計調試，模擬轉矩實驗中取得了良好的效果。通過上位機系統監控傳動軸的應力，并對轉矩數據進行分析，適用于傳動軸保護工作和運動系統研究工作，系統具有良好的可移植性和一定的自適應性。值得一提的是該項目是應湘潭鋼鐵集團有限公司的需求而立項，檢測轉矩量程高達1.2×106 N·M，一直是國內外待解決的難題。
參考文獻
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[6] 王濤.基于虛擬儀器技術的發動機功率于轉矩的測量[J].科技信息，2010（20）：76.