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摘要：针对部分车辆在扭矩测试中安装受到空间狭窄限制、测试数据包丢失等问题，依托应变测试原理和无线传输技术，设计了一套无线传输的扭矩测试系统，用于研究装甲车辆在不同环境条件下的动力性能，准确的进行实车扭矩测试，对于提升柴油机的输出性能和可靠性，充分发挥装备的战技术性能，提升训练效果具有重要意义，最后进行了实验测试，并对应变式传动轴扭矩测试系统作了总结和评价。
Abstract： In order to solve the problems such as the limited space and the loss of test data packets in the torque test of some vehicles， a wireless transmission torque test system is designed based on the principle of strain test and wireless transmission technology， it is of great significance to study the dynamic performance of armored vehicles under different environment conditions， to test the real vehicle torque accurately， and to improve the output performance and reliability of diesel engines， so as to give full play to the tactical and technical performance of the equipment and improve the training effect， at last， the experimental test is carried out， and the summary and evaluation of the strain transmission shaft Torque test system are made.
关键词：传动轴;扭矩;测量
Key words： transmission shaft;torque strain;gauges
0 引言
扭矩是反应动力系统的基本载荷形式，是检测发动机性能的重要参数，作为实现发动机状态监测、故障诊断和保证车辆无事故发生的重要手段，因此扭矩的准确测量，获得精确的扭矩数值显得至关重要，在工程上具有重大的研究价值和现实意义。根据扭矩不同的测量原理，传动轴扭矩测量主要有传递法、平衡力法和能量转换法三种类型，常用的扭矩测量方法主要有电阻应变式扭矩测试方法、磁弹性扭矩测试方法、电容式扭矩测量方法、光电式扭矩测量方法、光纤式扭矩测量方法、无线声表面波扭矩测量方法等，本文重点研究的是基于電阻应变片的扭矩测量方法[1-4]。
1 扭矩测量原理[5]
根据材料力学的理论知识可知，传动轴在扭矩作用下，表面应力将会发生变形，在与轴线成45°和-45°的方向上产生最大的压应力和拉应力，贴片方法如图1所示，分别在这两个方向粘贴两个应变片，在传动轴受到扭矩M作用时，传动轴发生变形引起应变片发生形变，其变量与扭矩M成正相关，公式如下：
式中：ε为应变值、D为传动轴的外径、G为材料的弹性模量、d为传动轴的内径，从公式（1）中能够看出，在已知轴的材质和内外径的时候，可以根据材料变形ε，能够求出作用在轴上的扭矩[6]。
测量电路如图2，电阻应变片的初始电阻为R1=R2=R3=R4=R，各个电阻的变化量分别为ΔR1、ΔR2、ΔR3、ΔR4，当电桥处于平衡状态时，因为R1R4=R2R3，所以整个电桥的输出电压UDB=0，传动轴受到扭矩作用时，四个电阻应变片R1、R2、R3、R4分别产生相应正负应变，电桥处于不平衡状态，此时电桥输出电压ΔUDB与各桥臂电阻以及电阻变化之间的关系为[7]：
可知输出电压UDB和应变片电阻值ΔR的变化量成正比。全桥电路即能起到温度补偿作用，又能提高输出灵敏度，可以减小外界环境变化对应变片输出数据的影响[8]。
2 硬件设计
2.1 电源电路
电池的输出电压不够稳定，因此不能直接作为输出电源进行桥路激励，需要经过高输出电流运放THS4032来提高负载供电和远端补偿的能力，双路放大器THS4032可提供卓越的交流性能，主要在低失真和低噪声环境的应用，采用诺芯德科技有限公司生产的MAX4624芯片进行电平转换提供的电压来保证桥路激励稳定输出。
2.2 信号放大和滤波
应变片因变形而输出的电压信号较为薄弱，为了排除外部噪声和环境干扰，必须进行信号放大才能处理，通过可编程的信号调节器PGA309来实现，PGA309是一个精密的低漂移、低噪声、前端可编程的增益放大器，不但能够放大输出的扭矩信号，而且能为零点测量范围、零点漂移、测量范围漂移和线性误差提供数字校准，可实现为嵌入式传感器直流偏置补偿器提供了温度补偿和进行调整功能，其校准参数存储在外部非易失性的存储器中以避免手动微调并保证长时间输出稳定的参考电压[6]。放大器放大后的信号常常含有一些干扰信号，必须经过滤波器进行滤波去除干扰信号，我们使用低通滤波器进行排除干扰信号。
2.3 A/D模数装换
电路所采集的模拟信号必须经过模数转换成数字信号才能够被单片机处理，采用TI公司ADS1256 24位ADC采集卡作为A/D数模转换模块的主芯片，其通道的A/D转换能够单次、连续、扫描或间断模式的执行，ADC的结果可以左对齐或右对齐方式存储在16位数据寄存器中，采集卡的采集速率为30K/s，精度可达到0.00001，抗干扰能力较强，能够满足扭矩测试精度的要求。 2.4 无线传输模块
现阶段无线传输类的芯片有很多，考虑到测试系统的工作环境，芯片类型的选择必须满足性能可靠、价格低廉、结构小巧、低耗能的要求。WizFi220是一款低功耗的“串口转WiFi”模块，在休眠状态下只有微安级的功耗。它具备串行UART接口，可以通过简单的8/16/32位指令连接到设备上，能够简单、方便、快捷地为设备提供Wi-Fi功能。该模块支持的数据速率可达到11Mbps，与802.11b兼容，可以快速建立一个基于串口（URAT）与PC或外部微处理器的连接。WizFi220对于有一点或者没有无线网络或RF技术的设备是一种非常理想的解决方案。支持WEP，WPA，WPA2-PSK，Enterprise，具有很高的保密性，还可以通过动态电源管理达到极低的能量消耗，尺寸紧凑，工作温度：-40°到85°。其参数如表1。
3 软件设计程序
软件的主要功能包括参数配置、数据采集、数据滤波、存储和回放，具体流程如图3，为了满足各项具体功能的实现，主要功能模块下还含有一些单一的模块，基于应变片的传动轴扭矩测试系统的整体工作过程：桥路激励由内置电池供电保证平稳长时间运行，发射器固定在传动轴上，应变片发生形变而输出的毫伏级电压信号经过放大、低通滤波、A/D模块转换后发送，数据采集卡负责采集和存储电压值，上位机软件由用户操作进行实时显示、分析和回放[6][9]。
4 实车测试
在实车测试过程中，为了解决扭矩测试设备同传动轴一起高速旋转不被离心力甩出的问题，利用SolidWorks软件设计了安装用的卡具，把设备固定在卡具上随传动轴一起转动，保证了设备的测试精度和设备的稳固性。在进行应变片设备安装的过程中，由于设备受到了空间狭小的现场条件限制，很难有效的保证应变片安装的精度从而影响测试效果，为了解决这个问题，专门设计了应变片安装仪并申请专利，保证安装的方便、快捷、有效和应变片安装位置、方向的精度要求，提高了测试精度，避免了因为应变片粘贴位置和方向偏差造成的人为测试误差。在某型号履带式装甲车辆上进行了实车测试，如图4，测试的具体参数为：被测轴直径为54mm、弹性模量为206Gpa、泊松比为0.25μ，采样频率为fs=1kHz，车辆匀速行驶，转速控制在800r/min，测得传动装置输出轴扭矩如图5所示，能够看出扭矩测试系统测得的扭矩信号稳定，并能反映传动端扭矩的交变波动。
5 结论
本文针对部分车辆在扭矩测试中设备安装空间受限、测试数据包丢失等问题，依托应变测试原理和无线传输技术，设计了一套无线传输的扭矩测试系统，并在实车上进行了实验测试，取得了较好的效果，结果表明该套设备体积小、安装方便快捷、受周围环境影响较小、能够在各种复杂环境中使用，有效的克服了安装空间狭小测试和数据包丢失的问题，对研究柴油机动力性能和状态监测都具有重要的意义。但是測试设备的稳定性和精确性还可以进一步提高，这也将是以后研究的重点。
参考文献：
[1]王岩，储江伟.扭矩测量方法现状及发展趋势[J].林业机械与木工设备，2010，38（11）：14-18.
[2]薛增喜，钟文斌，于亮等.基于感应供电和2.4GHz无线传输的船舶轴功率测量系统设计[J].船舶工程，2018，40（2）：79-82.
[3]刘翔，黄文平，牛慧萍等.基于相位差的转轴扭矩测量中的零位识别与处理[J].宇航计测技术，2018，38（4）：49-54.
[4]栾振辉，郑猛，刘肖.扭矩自检型行星齿轮减速器研究[J].安徽理工大学学报（自然科学版），2016，36（6）：61-66.
[5]马龙龙.应变式传动轴功率测试系统设计与研究[D].山西：中北大学，2011.
[6]孔祥喜.新型汽车半轴无线扭矩测试系统的设计与实现[D].北京：中国科学院大学人工智能技术学院，2017.
[7]卢腊，刘妤，徐梓翔等.基于stm32的无线动态扭矩测量系统[J].仪表技术与传感器，2018（4）：81-86.
[8]汪曲波.船舶推进轴系振动与功率测量分析研究[D].武汉理工大学，2009.
[9]孙玥.工程车辆无线扭矩测试系统的设计与应用[J].现代制造技术与装备，2018（3）：14-15.
Abstract： In order to solve the problems such as the limited space and the loss of test data packets in the torque test of some vehicles， a wireless transmission torque test system is designed based on the principle of strain test and wireless transmission technology， it is of great significance to study the dynamic performance of armored vehicles under different environment conditions， to test the real vehicle torque accurately， and to improve the output performance and reliability of diesel engines， so as to give full play to the tactical and technical performance of the equipment and improve the training effect， at last， the experimental test is carried out， and the summary and evaluation of the strain transmission shaft Torque test system are made.
关键词：传动轴;扭矩;测量
Key words： transmission shaft;torque strain;gauges
0 引言
扭矩是反应动力系统的基本载荷形式，是检测发动机性能的重要参数，作为实现发动机状态监测、故障诊断和保证车辆无事故发生的重要手段，因此扭矩的准确测量，获得精确的扭矩数值显得至关重要，在工程上具有重大的研究价值和现实意义。根据扭矩不同的测量原理，传动轴扭矩测量主要有传递法、平衡力法和能量转换法三种类型，常用的扭矩测量方法主要有电阻应变式扭矩测试方法、磁弹性扭矩测试方法、电容式扭矩测量方法、光电式扭矩测量方法、光纤式扭矩测量方法、无线声表面波扭矩测量方法等，本文重点研究的是基于電阻应变片的扭矩测量方法[1-4]。
1 扭矩测量原理[5]
根据材料力学的理论知识可知，传动轴在扭矩作用下，表面应力将会发生变形，在与轴线成45°和-45°的方向上产生最大的压应力和拉应力，贴片方法如图1所示，分别在这两个方向粘贴两个应变片，在传动轴受到扭矩M作用时，传动轴发生变形引起应变片发生形变，其变量与扭矩M成正相关，公式如下：
式中：ε为应变值、D为传动轴的外径、G为材料的弹性模量、d为传动轴的内径，从公式（1）中能够看出，在已知轴的材质和内外径的时候，可以根据材料变形ε，能够求出作用在轴上的扭矩[6]。
测量电路如图2，电阻应变片的初始电阻为R1=R2=R3=R4=R，各个电阻的变化量分别为ΔR1、ΔR2、ΔR3、ΔR4，当电桥处于平衡状态时，因为R1R4=R2R3，所以整个电桥的输出电压UDB=0，传动轴受到扭矩作用时，四个电阻应变片R1、R2、R3、R4分别产生相应正负应变，电桥处于不平衡状态，此时电桥输出电压ΔUDB与各桥臂电阻以及电阻变化之间的关系为[7]：
可知输出电压UDB和应变片电阻值ΔR的变化量成正比。全桥电路即能起到温度补偿作用，又能提高输出灵敏度，可以减小外界环境变化对应变片输出数据的影响[8]。
2 硬件设计
2.1 电源电路
电池的输出电压不够稳定，因此不能直接作为输出电源进行桥路激励，需要经过高输出电流运放THS4032来提高负载供电和远端补偿的能力，双路放大器THS4032可提供卓越的交流性能，主要在低失真和低噪声环境的应用，采用诺芯德科技有限公司生产的MAX4624芯片进行电平转换提供的电压来保证桥路激励稳定输出。
2.2 信号放大和滤波
应变片因变形而输出的电压信号较为薄弱，为了排除外部噪声和环境干扰，必须进行信号放大才能处理，通过可编程的信号调节器PGA309来实现，PGA309是一个精密的低漂移、低噪声、前端可编程的增益放大器，不但能够放大输出的扭矩信号，而且能为零点测量范围、零点漂移、测量范围漂移和线性误差提供数字校准，可实现为嵌入式传感器直流偏置补偿器提供了温度补偿和进行调整功能，其校准参数存储在外部非易失性的存储器中以避免手动微调并保证长时间输出稳定的参考电压[6]。放大器放大后的信号常常含有一些干扰信号，必须经过滤波器进行滤波去除干扰信号，我们使用低通滤波器进行排除干扰信号。
2.3 A/D模数装换
电路所采集的模拟信号必须经过模数转换成数字信号才能够被单片机处理，采用TI公司ADS1256 24位ADC采集卡作为A/D数模转换模块的主芯片，其通道的A/D转换能够单次、连续、扫描或间断模式的执行，ADC的结果可以左对齐或右对齐方式存储在16位数据寄存器中，采集卡的采集速率为30K/s，精度可达到0.00001，抗干扰能力较强，能够满足扭矩测试精度的要求。 2.4 无线传输模块
现阶段无线传输类的芯片有很多，考虑到测试系统的工作环境，芯片类型的选择必须满足性能可靠、价格低廉、结构小巧、低耗能的要求。WizFi220是一款低功耗的“串口转WiFi”模块，在休眠状态下只有微安级的功耗。它具备串行UART接口，可以通过简单的8/16/32位指令连接到设备上，能够简单、方便、快捷地为设备提供Wi-Fi功能。该模块支持的数据速率可达到11Mbps，与802.11b兼容，可以快速建立一个基于串口（URAT）与PC或外部微处理器的连接。WizFi220对于有一点或者没有无线网络或RF技术的设备是一种非常理想的解决方案。支持WEP，WPA，WPA2-PSK，Enterprise，具有很高的保密性，还可以通过动态电源管理达到极低的能量消耗，尺寸紧凑，工作温度：-40°到85°。其参数如表1。
3 软件设计程序
软件的主要功能包括参数配置、数据采集、数据滤波、存储和回放，具体流程如图3，为了满足各项具体功能的实现，主要功能模块下还含有一些单一的模块，基于应变片的传动轴扭矩测试系统的整体工作过程：桥路激励由内置电池供电保证平稳长时间运行，发射器固定在传动轴上，应变片发生形变而输出的毫伏级电压信号经过放大、低通滤波、A/D模块转换后发送，数据采集卡负责采集和存储电压值，上位机软件由用户操作进行实时显示、分析和回放[6][9]。
4 实车测试
在实车测试过程中，为了解决扭矩测试设备同传动轴一起高速旋转不被离心力甩出的问题，利用SolidWorks软件设计了安装用的卡具，把设备固定在卡具上随传动轴一起转动，保证了设备的测试精度和设备的稳固性。在进行应变片设备安装的过程中，由于设备受到了空间狭小的现场条件限制，很难有效的保证应变片安装的精度从而影响测试效果，为了解决这个问题，专门设计了应变片安装仪并申请专利，保证安装的方便、快捷、有效和应变片安装位置、方向的精度要求，提高了测试精度，避免了因为应变片粘贴位置和方向偏差造成的人为测试误差。在某型号履带式装甲车辆上进行了实车测试，如图4，测试的具体参数为：被测轴直径为54mm、弹性模量为206Gpa、泊松比为0.25μ，采样频率为fs=1kHz，车辆匀速行驶，转速控制在800r/min，测得传动装置输出轴扭矩如图5所示，能够看出扭矩测试系统测得的扭矩信号稳定，并能反映传动端扭矩的交变波动。
5 结论
本文针对部分车辆在扭矩测试中设备安装空间受限、测试数据包丢失等问题，依托应变测试原理和无线传输技术，设计了一套无线传输的扭矩测试系统，并在实车上进行了实验测试，取得了较好的效果，结果表明该套设备体积小、安装方便快捷、受周围环境影响较小、能够在各种复杂环境中使用，有效的克服了安装空间狭小测试和数据包丢失的问题，对研究柴油机动力性能和状态监测都具有重要的意义。但是測试设备的稳定性和精确性还可以进一步提高，这也将是以后研究的重点。
参考文献：
[1]王岩，储江伟.扭矩测量方法现状及发展趋势[J].林业机械与木工设备，2010，38（11）：14-18.
[2]薛增喜，钟文斌，于亮等.基于感应供电和2.4GHz无线传输的船舶轴功率测量系统设计[J].船舶工程，2018，40（2）：79-82.
[3]刘翔，黄文平，牛慧萍等.基于相位差的转轴扭矩测量中的零位识别与处理[J].宇航计测技术，2018，38（4）：49-54.
[4]栾振辉，郑猛，刘肖.扭矩自检型行星齿轮减速器研究[J].安徽理工大学学报（自然科学版），2016，36（6）：61-66.
[5]马龙龙.应变式传动轴功率测试系统设计与研究[D].山西：中北大学，2011.
[6]孔祥喜.新型汽车半轴无线扭矩测试系统的设计与实现[D].北京：中国科学院大学人工智能技术学院，2017.
[7]卢腊，刘妤，徐梓翔等.基于stm32的无线动态扭矩测量系统[J].仪表技术与传感器，2018（4）：81-86.
[8]汪曲波.船舶推进轴系振动与功率测量分析研究[D].武汉理工大学，2009.
[9]孙玥.工程车辆无线扭矩测试系统的设计与应用[J].现代制造技术与装备，2018（3）：14-15.