一种非接触式扭矩测试系统的设计

　　在旋转动力传递系统中，扭矩是众多机械测量中的一个重要的参数。由于在这类系统中的转动部件高速旋转的特点，相比传统的接触式测量方法，使得扭矩测量中的传感器供电和数据传输过程比较困难。目前，传统的扭矩测试从供电方式上可分为接触式和非接触式供电，前者常采用导电滑环来实现，但由于其采用摩擦接触，因此不可避免的产生发热和磨损，影响了转轴的转速及滑环的使用寿命，还有些系统采用电池供电，而电池储能有限，给测量带来不便，因此，非接触式供电成为解决以上问题的有效方法。目前常用的非接触式供电有光电能传输，射频电能传输和感应电能传输等，由于光电能损耗大，射频电能传输受天线影响较大，因此本文选用了感应电能传输方式。

　　另外，本系统采用无线传输技术来传输传感器输出的测量信号。

1 系统硬件结构

　　扭矩测量主要有三个环节：信号的拾取，信号的处理（含信号传输）及信号的显示和记录。系统的总体结构如图1 所示，本文采用的扭矩传感器是以金属材料为敏感元件的专用测扭应变片。由物理学可知大多数金属在弹性变形范围内的应变与电阻变化率成线性关系，应用这一金属丝的应变效应，将应变片用应变胶粘在被测的弹性轴上组成应变桥，给应变桥供电，当弹性轴受扭时应变桥输出同扭矩大小成线性关系的电压信号。将所得的电压信号进行滤波放大，使其电压范围符合MCU 片内AD采样要求，进行AD转换后将转换结果送入编码器，在对测量信号进行编码后送入发射模块。接收模块接收到测量信号后经过解码器送入MCU进行处理显示。整个发射部分被固定在被测轴上，由静止端的初级绕组感应供电。

2 非接触供电

　　由于扭矩检测部分处于高速旋转状态，因此本系统采用感应电能传输技术。这种传输方式应用进行能量传输，与传统的不同的是，这里的变压器是将初次级绕组分开，分别处于不同的磁芯上，交流电源信号从固定的初级绕组通过交变磁场感应到旋转的次级绕组，经过整流稳压后为轴上电路供电。旋转变压器的剖面结构如图2所示。

　　变压器初级和次级磁芯均选择具有环形结构的罐形磁芯，将初次级绕组分别绕于各自的骨架上，线圈的轴线与旋转轴重合。变压器的初级固定在支架上，而次级固定在旋转轴上，初次级间距一般约0.15 mm。对于变压器来说，交变电流的频率越高其体积越小，为了便于安装，可将频率提高，降低变压器的体积。磁芯材料直接影响到变压器性能，这里选择饱和磁感应度较高的铁氧体材料R2KB，其最高使用频率为150 kHz。由于这种变压器初次级分离，耦合系数较低，因此常通过提高电源效率及利用电容容抗补偿漏电抗等方法提高感应电源的传输功率。

　　变压器初级输入的交流信号采用100 kHz 的方波信号，由555 产生，但由于555 输出的电流非常小，必须对电流信号进行功率放大才能给变压器提供足够的激磁电流。这里采用14 W的HI-F1音频功率放大器TDA2030AT，它采用TO-220 封装，外围元件少，性能优异，具有频率响应宽和速度快等特点，应用电路如图3 所示。

　　值得注意的是，要想让功放电路输出较大功率，必须注意阻抗匹配问题，只有在TDA2030 负载阻抗在4~16 之间，电路才能达到最佳阻抗匹配，为此可减小变压器的初级绕组电阻，但这样会使得初次级绕组的电流增大而增加铜损和铁损，致使变压器的效率降低。因此，变压器的输出效率和功放的输出功率存在一定的矛盾，要根据实际需要进行调整。

　　变压器次级输出的是交流信号，为了给轴上的应变桥及调理电路供电，需将交流信号整流并稳压，这里采用稳压管7805 及7812 提供5 V和12 V的直流电。

3 信号调理

　　由于应变桥输出的扭矩测量电压信号通常为mV 级，并且存在一定的共模干扰信号，因此有必要对信号进行放大。放大电路须具备较高的共模抑制比，高稳定性，低零漂，高精度等特点，因此这里选择采用仪表放大器AD623，它具有低功耗，高输入阻抗，优良的共模抑制等特点。调理电路如图4 所示。

　　AD623增益大小G 由电阻R1 决定，根据公式R1=100 k赘/（G-1）来取值，由于本设计中MCU 选取的为AD滋C812，内嵌12 位AD 转换器，片内提供2.5 V基准电压，当AD 的基准电压选择片内的2.5 V电压时，其有效的模拟电压输入为0~2.5 V，为了保证输入的电压在这个范围之内，放大电路的增益选择为51，因此R1 选择2 k赘的精密电阻。OP491组成电压跟随器，保证了模拟输入前端的输出阻抗很小。为了避免不合要求的电压损坏AD转换器，使用两个二极管保证AD的输入电压在0~5 V范围内。

0 引言

　　在旋转动力传递系统中，扭矩是众多机械测量中的一个重要的参数。由于在这类系统中的转动部件高速旋转的特点，相比传统的接触式测量方法，使得扭矩测量中的传感器供电和数据传输过程比较困难。目前，传统的扭矩测试从供电方式上可分为接触式和非接触式供电，前者常采用导电滑环来实现，但由于其采用摩擦接触，因此不可避免的产生发热和磨损，影响了转轴的转速及滑环的使用寿命，还有些系统采用电池供电，而电池储能有限，给测量带来不便，因此，非接触式供电成为解决以上问题的有效方法。目前常用的非接触式供电有光电能传输，射频电能传输和感应电能传输等，由于光电能损耗大，射频电能传输受天线影响较大，因此本文选用了感应电能传输方式。

　　另外，本系统采用无线传输技术来传输传感器输出的测量信号。

1 系统硬件结构

　　扭矩测量主要有三个环节：信号的拾取，信号的处理（含信号传输）及信号的显示和记录。系统的总体结构如图1 所示，本文采用的扭矩传感器是以金属材料为敏感元件的专用测扭应变片。由物理学可知大多数金属在弹性变形范围内的应变与电阻变化率成线性关系，应用这一金属丝的应变效应，将应变片用应变胶粘在被测的弹性轴上组成应变桥，给应变桥供电，当弹性轴受扭时应变桥输出同扭矩大小成线性关系的电压信号。将所得的电压信号进行滤波放大，使其电压范围符合MCU 片内AD采样要求，进行AD转换后将转换结果送入编码器，在对测量信号进行编码后送入发射模块。接收模块接收到测量信号后经过解码器送入MCU进行处理显示。整个发射部分被固定在被测轴上，由静止端的变压器初级绕组感应供电。

2 非接触供电

　　由于扭矩检测部分处于高速旋转状态，因此本系统采用感应电能传输技术。这种传输方式应用变压器进行能量传输，与传统的变压器不同的是，这里的变压器是将初次级绕组分开，分别处于不同的磁芯上，交流电源信号从固定的初级绕组通过交变磁场感应到旋转的次级绕组，经过整流稳压后为轴上电路供电。旋转变压器的剖面结构如图2所示。

　　变压器初级和次级磁芯均选择具有环形结构的罐形磁芯，将初次级绕组分别绕于各自的骨架上，线圈的轴线与旋转轴重合。变压器的初级固定在支架上，而次级固定在旋转轴上，初次级间距一般约0.15 mm。对于变压器来说，交变电流的频率越高其体积越小，为了便于安装，可将频率提高，降低变压器的体积。磁芯材料直接影响到变压器性能，这里选择饱和磁感应度较高的铁氧体材料R2KB，其最高使用频率为150 kHz。由于这种变压器初次级分离，耦合系数较低，因此常通过提高电源效率及利用电容容抗补偿漏电抗等方法提高感应电源的传输功率。

　　变压器初级输入的交流信号采用100 kHz 的方波信号，由555 产生，但由于555 输出的电流非常小，必须对电流信号进行功率放大才能给变压器提供足够的激磁电流。这里采用14 W的HI-F1音频功率放大器TDA2030AT