手轮操作力测量装置设计（一）

1    引言
        手轮是人-火炮系统人机接口的1个重要部件，手轮力的加大会降低系统工效，如使瞄准误差加大，瞄准时间增长。传统采用弹簧测力器加挂砝码的方法测量手轮力。该方法存在如下问题:1)对手轮的安装位置有要求;2)仅能测量某个位置的力值而不能测量操作过程中力的变化。采用电子测量方法，通过直接测量火炮手轮轴受到的扭矩大小，换算出手轮力和和直接测量手轮受到相切于手轮的力的大小(简称手轮力)，这2种方法获取手轮力的变化曲线，弥补了上述不足之处。目前扭矩和力的测量方法按照数据传输方式可以分为引线电测法和无线传输法。引线电测法准确度高，然而针对扭矩测试，手轮转动时传输线会跟着缠绕起来而带来不便;无线传输法在环境恶劣情况下存在数据丢失易受干扰等问题，当数据量大时，提高发送频率还将降低收发成功率。基于此作者采用存储式测试方法，设计了一种存储式手轮力测试系统。
2    测试装置测量原理
2．1    测量原理
        操作手轮手柄时，手臂受到各种力和力矩，手臂施加的力包含施加到手柄上的力如侧力、推力、推拉力、扭/拉伸力矩等。由于不同的人操作习惯和生理特性不同，只能测出近似于手轮操作力大小。
        然而随着手轮旋转，安装在扭矩传感器上测量装置跟着转动，测量装置的重量将会导致扭矩的产生。
        该装置是1个总长为70mm直径60mm的圆筒，其中传感器安装接口长为20mm，质量M为150g，设测试仪装置重心离轴距离为r，随着手轮转动力臂l随θ的变化而变化。
        对于确定的被测对象φ角是已知的，θ会随着手轮旋转而变化。按照测量装置内部各模块安装位置，通过三维软件估算出其质心离手轮轴约为35mm，代入式(7)将带来最大为0．05N·m的扭矩，影响较小，可忽略不计。
2．2    测量装置系统结构
        火炮手轮操作力测量装置由传感器、信号调理模块、采集与存储模块、通信模块、电源模块、电源指示灯模块组成，其原理框图如图4所示。测试前先进行电桥平衡按下电源开关，系统开始工作，按下停止按钮后停止数据采集工作。待实验完成后关闭测试仪，再与上位机连接，回收数据。
3    测量装置硬件设计
        不同的人操作手轮速度有差异，一般炮手转动手轮频率一般在20Hz以内，因此设置500sps的采样频率，结合采样时间确定2Mbit的存储容量。
3．1    主要器件的选择本设计的微控制器选用STM32F103C8系列微控制器，工作频率最高可达72MHz，其中包括2个12位ADC(采样率高达1Msps，2个SPI接口(18Mb/s)。
        系统存储部分选用铁电存储器FM25V20，芯片容量128K×16bit，它集SＲAM的读写快速性和FLASH非易失性于一身，工作电压2．0～3．6V，正常工作下最大工作电流3mA，功耗低;快速SPI串行协议，时钟频率高达40MHz;读写程序简单等优点，非常适合存储测试系统中使用。
        与计算机通信采用异步串口通信，ＲS232协议需要转换电平。本系统采用MAX3232芯片实现单片机TTL电平与计算机接口电平的转换。
3．2    硬件电路设计
        目前扭矩传感器按照测量扭转角的不同方式分为滑环式(接触式)、感应式(非接触式)、遥测式(非接触式)、相位差式(非接触式)、光电检测式(非接触式)等几种。基于该手轮是工作在低速及振动较小的场合，选用应变式扭矩传感器，该传感器结构简单，测量精度高，安装方便。
        本系统选用了量程为±10N·m，灵敏度为1．3328mV/V的应变式扭矩传感器。由于接入电桥的每个应变片阻值不可能绝对相等，且连接导线和传感器的接触电阻也不可能完全一样，因而在每次测量之前，需将电桥调节到平衡状态。本文选用DS1267数字电位器构建了1个电阻平衡装置。
        由于传感器输出信号微弱，为防止传输过程中有用信号会被淹没在DC失调电压和噪声之中，在送入AD之前需要对该信号进行放大滤波。本文选用AD620放大输出的差分电压信号，同时抑制两输入端的共模信号。由于单片机内置AD参考电压受限在0～3．3V，因此还要对传感器输出信号放大后进行偏置处理转换成0～3．3V的电压信号，向AD620的基准引脚提供精确偏移电压便可实现输出电压在放大后的基础上偏置一固定电压值。
        然而当仪表放大器内部存在射频干扰时，叠加在很强的共模噪声和干扰信号上的微弱差分信号可能被IC整流之后表现为DC输出失调误差，一旦被整流，其输出端的低通滤波器也无法去除这个误差，如果ＲFI(射频干扰)是断续性的，会导致无法检测的测量误差，因此在仪表放大器之前使用1个差分低通滤波器提供ＲF衰减滤波器。
        测试系统自带供电模块，针对本系统中各模块的供电需求，考虑到装置空间有限及希望拥有更长的工作时间，选择容量密度大的电池。经过实测，系统总体消耗电流约为25mA，基于此本系统选用了容量为250mAh的聚合物锂电池。