一种在役球磨机传动轴扭矩的无线测量装置研制

作者:张艳君 刊名:机床与液压 上传者:阎涛

【摘要】针对在役球磨机的状态监测,设计并研制了一种基于Zigbee协议无线传输技术的应变式传动轴扭矩测量装置。确定系统方案,选择并设计了应变式传感器的信号调理电路;设计了基于Zigbee 2430的信号采集与无线传输模块,实现测试信号的采集和无线传输;制作了基于数据无线传输的应变式扭矩测量装置,并在某球磨机上进行了灵敏度标定试验,系统的灵敏度为0.89 V/(N.m),非线性误差小于满量程的0.5%。

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扭矩是反映机械传动系统工作状态的重要参数,扭矩的测量对于机械设备的运行状态检测具有重要的实际意义。针对在役球磨机的状态监测,设计并研制了一种无线传输方式的传动轴扭矩测量系统。对现役设备进行扭矩测量,由于被测轴的不可拆卸而存在困难,作者采用应变式测量原理。首先确定系统方案,选择传感器,并设计了信号调理电路;其次,设计了信号采集与无线传输模块;最后,对所研制的应变式扭矩测量装置进行了灵敏度标定。1扭矩测量装置的总体方案针对机械装置的扭矩测量,技术成熟且应用广泛的有磁电相位差型、磁弹性型、钢弦型、应变型等。其中,应变式传感器最适用于针对在役设备的扭矩测量,无需对原结构进行改造。因此,文中采用电阻应变片式测量原理。电阻应变片式测量系统的体积小、质量轻,可直接粘贴在被测轴上,不需要改变原有传动系统的结构,适用于在役设备的运行参数在线监测;而且测量范围大,能够从弹性变形测至塑性变形;频率响应好,可测量静态到数千赫兹的动态应变。如图1所示,采用全桥应变电桥接线方式。图1应变式扭矩测量原理B、D两点的不平衡电压与扭短间的关系为:UBD=16T(1+)KUACd3E(1)式中:UBD为B、D两点的不平衡电压差(V);UAC为电桥激励电压(V);T为扭矩(Nm);为材料的泊桑比;K为应变片的灵敏度;d为轴的直径(mm);E为材料的弹性模量。电桥输出电压UBD为毫伏级的微弱信号,因此需要设计相应的放大电路。考虑在线监测扭矩时旋转轴上不方便布置有线传感器的信号线,采用无线信号传输方式。如图2所示为信号采集与传输系统的总体方案。图2信号采集与无线传输系统总体方案信号采集与无线传输系统总体方案主要包括以下3个部分:(1)传感器。由与轴线成45和135的4个应变片组成,按全桥方式接线;(2)信号放大电路。采用精密仪表放大器INA125芯片;(3)信号采集与无线传输系统。采用基于Zigbee技术的CC2430射频芯片。2信号调理放大电路模块的设计采用精密仪表放大器INA125芯片进行应变信号的调理。INA125芯片的共模抑制比高,在增益为100时,共模抑制比达100dB;而且输入阻抗高达1011;输出阻抗低至10m;并且可为电桥的激励提供精准的参考电压。所设计的放大电路如图3所示。假设测量应变的范围:1.010-3,应变片灵敏度为2,则其阻值变化范围是1200.24,在四臂全桥的结构下,其电压输出范围为-88mV。通过调节放大电路的增益,使其输出约为4V。并设计放大电路的通频带宽为500Hz。实际电路见图4。图3基于INA125芯片的应变调理电路图4基于INA125芯片的应变调理电路(实物)3基于CC2430的信号采集与无线传输模块的设计基于Zigbee技术的CC2430高度集成射频芯片,其内部集成8051微控制器,具有8通道14位精度的ADC,集成射频发射器,可提供21个通用I/O可编程引脚。采集终端选择CC2430无线模块,协调器为C51RF-CC2430开发板。通过单片机程序,利用开发工具烧写在CC2430芯片中。协调器主要功能子程序包括串口通讯程序和数据接收程序2个部分,前者用来实现协调器与主控电脑间的数据交换;后者用于接收终端发送的测试信号数据。终端器功能子程序包括以下3个部分:(1)ADC采样程序。对信号调理电路输出信号进行采集和AD转换;(2)数据存储程序。将AD转换后的数据存储在Flash芯片中;(3)数据发送程序。将测试信号通过射频模块发送出去。4测量系统联调与标定在以上设计的基础上,设计PCB板,形成样机后,对其进行标定。系统无高频干扰,测试系统在测量扭矩时

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