多点应力测试系统是针对行星齿轮轴承应变测试而设计的系统，用于实现行星齿轮传动过程中相关应力参数的动态测试，以掌握齿轮均载性能。系统包括两个部分：多点应力测试部分、上位机测量显示软件系统。其原理是，将应变计粘贴在行星轮齿轮轴承传动轴测试部位，以获取齿轮轴承应变参数，经过测量电路处理，最终由WIFI模块传输，将轴承应变数据在上位机测试系统中实时地显示出来。
　　1 多点应力无线测试系统原理及构成
　　多点应力无线测试系统将齿轮传动轴承应变计信号进行调理放大、数字测量及无线传输到密封体外部。
　　为了实现高速度、高分辨率、高精度的应变信号测量，在测量电路框架体系设计时，对每个测试点采用独立测试通道技术方案，即：对于各路应变测试点，设置完全独立而完整的测量电路通道，每个通道实时地、连续地、同步地对各自的测试点进行测量，然后每个通道的数字通讯端口组成RS422总线，在上位机软件控制下，一问一答式地输出各通道的当前测量信息。
　　一个独立测试通道的功能包括：提供应变电桥激励信号，对电桥输出信号进行调理、滤波、模数转换、测量算法、标定、温漂时漂补偿、线性修正、通讯功能等环节的处理。独立测试通道电路模块工作原理如图1所示：
　　数字模块把外部提供给它的9V直流工作电源变换成某个频率的载波信号，提供给电阻应变计测量电桥作为激励源，同时将电桥输出的微弱测量信号进行检波调理，之后该模拟信号进入数字卷合器变换成数字信号，该信号在DSP中完成了诸如数字滤波、线性化、速率控制、坐标变换、零点、刻度、同步、补偿、均衡等处理过程，最终测量结果以数字形式从串行通讯界面送出。
　　2 系统硬件设计
　　测试点数据采集主要依靠传感器实现，它采用金属电阻应变片组成测量桥路，利用金属电阻丝在张力作用下伸长变细、电阻增加的原理，即利用金属电阻随所受应变而变化的效应实现测试点应变检测。把齿轮传动轴受力变化引起的应变片电阻变化反应到电压变化上。
　　电阻应变电桥电路如图2所示。其输出电压：
　　VO=Vi×（■-■）（1）
　　平衡时VO＝0；
　　当电桥多个电阻的取值发生变化时输出电压也随之变化VO=Vi×■。由于电阻变化通常较小，输出电压变化量仅几十毫伏。
　　信号的放大由仪表放大器AD524实现。
　　A/D转换器选用精密的连续自校准A/D转换器ADS1100
　　DSP控制电路中单片机采用ATmega128。
　　3 无线通信模块
　　无线收发芯片是无线信号传输模块的主要单元，其研制决定了整个无线信号传输模块的主要参数。
　　无线通信模块的研制需要考虑几点要素：传输速率、载波频段、调制方式、功耗、传输距离、发射功率、接收灵敏度、发射接收频率稳定度、收发芯片所需的外围元器件数量、芯片成本、数据传输时的纠错码研制等。基于以上几点要素，我们选用Wi-Fi高速短距离无线传输技术。
　　3.1 无线测试系统的总线通讯效率设计
　　设测试通道数为10个。电脑对每一测试通道的理论通讯测试效率计算如下，通讯波特率设定为57600bits/S，MCU扫描10个通道一圈所需要的时间为：12+2.75×10=39.5ms；
　　所以在1秒钟内最多可以把每个组的每个测试点扫描1000/39.5=25次。
　　4计算与测试
　　4.1 放大倍数计算
　　依据AD524内部结构可知，AD524可组成固定增益为10/100/1000的电路；电路中使用0.1%的精密电阻RG=160Ω控制放大倍数，其放大倍数为如下：
　　GAIN=[■+1]±20%=[■+1]20%=25120%±20%（2）
　　可以实现对0-20mV到0-5V的信号放大功能。
　　4.2 ADS1100转换精度计算
　　输出码可由以下表达式计算出：
　　输出码=-1×最小码×PGA×■（3）
　　设最大显示提供1200kN的测量，设置A/D转换速率16次/秒，可以提供15位的数据输出，最大码为16383，能够提供的分辨率为：
　　■=0.036KN （4）
　　达到0.05kN分辨率的指标要求。
　　5 软件设计
　　软件设计是采用模块式进行的。由数据采集，线性校正，尺度转换和RS422通信等几部分组成。各部分由单片机程序协调工作。通信协议为RS422通讯协议。
　　6 系统性能测试
　　输入转速为410r/min，齿轮输出转速为21r/min，载荷为2.5kw，上位机每隔五分钟对10通道的实时数据进行记录，测试数据如表1所示。
　　经过对数据的分析可知，信号再现精度满足0.8%的要求，可以实现对齿轮传动轴的应变动态测试。
　　结语
　　基于无线传输的多点应力测试系统研究, 可以有效的解决行星齿轮传动过程中相关应力参数的动态测试，并克服齿轮特殊结构的限制，有效避免信号传输过程中的干扰影响，提高了齿轮传动轴运转过程中均载的可控性。本系统可广泛应用于船舶等大型机械的齿轮轴承均载性能测试过程。
　　参考文献
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