工业传动轴转矩实时检测与数据分析系统设计

摘 要： 针对工业传动轴转矩研究的要求，设计了一种基于STC12C5A60S2单片机技术、结合AD7705模数转换器数据采集及nRF24L01无线模块进行数据通信的有转矩实时检测与数据分析的系统。系统的检测模块安装于传动轴上，通过无线模块将检测信息传送至接收模块，接收模块再把数据传送至上位机进行转矩实时监控与数据分析。给出了系统硬件设计的原理电路及软件设计的程序流程图，同时给出了系统的上位机操作界面，系统运行良好，具有较好的应用性和可移植性。
关键词： 工业传动轴；转矩；实时监控；数据分析

　在机械传动系统中，转矩是反映机械设备性能的最典型的参数之一，是维护设备安全、控制设备高效工作、研究设备运动性能等工作中重要的参数，而这一参数主要体现在传动轴上。由于工业传动轴的不可破坏与拆装以及工作时连续旋转的特性，故传感器不允许改变传动轴的结构，同时传感器须结合无线装置。如果工业现场环境恶劣干扰信号强，则还要对检测信号和数据进行模拟和数字信号处理。随着计算机技术的发展，应用计算机软件收集、管理数据并进行可视化分析将为维护人员的工作提供极大的帮助，也能为研究人员提供科学有效的实时数据。本研究应这一需求，设计了一套具有传动轴转矩实时检测、监控和数据分析功能的系统。数据采集模块具有精度高、量程大、体积小的特点，通过基于nRF24L01无线电路把采集的数据传至数据监测与传送模块实现简单检测功能，最后数据通过串口传输至上位机，利用虚拟仪器LabVIEW软件实现数据分析与全面的数据监控。
1 金属丝电阻式全桥应变检测原理
　目前有各种转矩检测的方法，包括接触式检测方法（如电阻式应变片检测方法）和非接触式检测方法（如光学、光电子学、磁学、电磁学检测和其他各种相位数字检测方法等）[1]。
　本系统采用金属丝电阻式应变片进行转矩检测。其检测原理是将电阻应变片作为传感元件，利用粘合剂将其粘贴在被测构件上，当构件受力发生形变时应变片的敏感栅会随其产生等量形变，从而引起应变片电阻值发生变化，打破全桥测力电路平衡，输出电压?驻U，可以间接计算传动轴所受转矩。通过物理推导可得：




　接收监控系统的程序主要包括：12864液晶驱动程序、nRF4L01通信芯片驱动程序、矩阵键盘扫描驱动程序、RS232标准的串行数据通信程序以及一套单任务的嵌入式实时操作系统程序。操作系统程序中包括了人机交互式界面、实时数据管理和刷新显示界面和上位机实时通信界面。将采样数据发送至上位机，有利于进行实时监控。此外系统包含转矩报警程序，即一旦超过设定值将立刻报警，提醒工作人员进行保护操作。
3.1.1 系统人机交互界面