數(shù)字式轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器及其在旋轉(zhuǎn)動(dòng)力裝置測(cè)試中的應(yīng)用

摘 要：本文介紹了JN338數(shù)字式轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器，該傳感器使用了兩組帶間隙特殊環(huán)形旋轉(zhuǎn)變壓器，實(shí)現(xiàn)了能源及信號(hào)的非接觸傳遞，其信號(hào)輸出為數(shù)字量，便于和微機(jī)接口。文中對(duì)傳感器的工作原理及特性予以了詳細(xì)介紹，并給出了在旋轉(zhuǎn)動(dòng)力裝置機(jī)械參數(shù)測(cè)試中的一個(gè)典型應(yīng)用示例。

關(guān)鍵詞：數(shù)字式；轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器；單片機(jī)

一、前言

轉(zhuǎn)矩傳感器被廣泛應(yīng)用于電動(dòng)機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、風(fēng)機(jī)、水泵、攪拌機(jī)、 卷?yè)P(yáng)機(jī)、鉆探機(jī)械等眾多的旋轉(zhuǎn)動(dòng)力系統(tǒng)中，此外，在近年來(lái)興起的數(shù)控機(jī)械加工中心及自動(dòng)機(jī)床等機(jī)電一體化設(shè)備中也獲得了廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩傳感器通常采用電阻應(yīng)變橋來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)矩信號(hào)，并采用導(dǎo)電滑環(huán)來(lái)耦合橋壓輸入及應(yīng)變信號(hào)輸出，但由于導(dǎo)電滑環(huán)屬于磨擦接觸，因此不可避免的存在著磨損并發(fā)熱，因而限制了旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速及導(dǎo)電滑環(huán)的使用壽命，同時(shí)由于接觸不可靠還能引起測(cè)量信號(hào)波動(dòng)誤差增加。

JN338轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器采用了兩組特殊環(huán)形旋轉(zhuǎn)變壓器以實(shí)現(xiàn)電源的輸入及轉(zhuǎn)矩信號(hào)的輸出，從而解決了旋轉(zhuǎn)動(dòng)力傳遞系統(tǒng)中,能源及信號(hào)如何可靠地在旋轉(zhuǎn)部分與靜止部分之間傳遞的問(wèn)題，該傳感器同時(shí)還可實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速的測(cè)量，從而可方便的根據(jù)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速測(cè)量值計(jì)算出軸輸出功率。

二、JN388轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器的主要特性

1、傳感器的主要特性

⑴以應(yīng)變電測(cè)技術(shù)為檢測(cè)手段；

⑵測(cè)量精度高，信號(hào)檢出、處理均采用數(shù)字技術(shù)，抗干擾能力強(qiáng)，無(wú)需調(diào)零即可工作，可靠性高,信噪比高，工作壽命長(zhǎng)；

⑶既可以測(cè)量靜止扭矩，也可測(cè)量旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩；

⑷既可測(cè)量穩(wěn)態(tài)扭矩，也可測(cè)量過(guò)渡過(guò)程動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩；

⑸無(wú)需反復(fù)調(diào)零即可連續(xù)測(cè)量正反轉(zhuǎn)矩；

⑹無(wú)集流環(huán)，電刷等磨損件，可以高速長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行；

⑺轉(zhuǎn)矩信號(hào)的傳遞與是否旋轉(zhuǎn)無(wú)關(guān)，與轉(zhuǎn)速大小無(wú)關(guān)，與旋轉(zhuǎn)方向無(wú)關(guān)；

⑻測(cè)量彈性體強(qiáng)度大，可承受150%過(guò)載；

⑼體積小、重量輕、安裝方便，有套裝式，卡裝式，聯(lián)軸式等多種安裝方式；

⑽ 傳感器輸出信號(hào)以頻率量方式給出，便于和計(jì)算機(jī)接口。

2、傳感器的主要技術(shù)參數(shù)及規(guī)格參數(shù)

JN338轉(zhuǎn)矩傳感器的主要技術(shù)參數(shù)和產(chǎn)品規(guī)格參數(shù)分別見(jiàn)表1和表2。

表1 JN338轉(zhuǎn)矩傳感器主要技術(shù)參數(shù)

表2 JN338轉(zhuǎn)矩傳感器產(chǎn)品規(guī)格參數(shù)

三、JN338轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)及測(cè)量原理

1、結(jié)構(gòu)

該轉(zhuǎn)矩傳感器的檢測(cè)敏感元件是電阻應(yīng)變橋—將專用的測(cè)扭應(yīng)變片用應(yīng)變膠粘貼在被測(cè)彈性軸上即可組成應(yīng)變電橋，向應(yīng)變電橋提供電源即可測(cè)得該彈性軸受扭的電信號(hào)。將該應(yīng)變信號(hào)放大后，經(jīng)過(guò)壓/頻轉(zhuǎn)換，變成與扭應(yīng)變成正比的頻率信號(hào)。傳感器的能源輸入及信號(hào)輸出是由兩組帶間隙的特殊環(huán)形旋轉(zhuǎn)變壓器所承擔(dān)的，因此實(shí)現(xiàn)了能源及信號(hào)的無(wú)接觸傳遞功能。

JN338轉(zhuǎn)矩傳感器測(cè)量流程如圖1所示。在一段特制的彈性軸上粘貼專用的測(cè)扭應(yīng)變片并組成電橋，即為基礎(chǔ)扭矩傳感器。在軸上固定著能源環(huán)形旋轉(zhuǎn)變壓器的次級(jí)線圈，軸上印刷電路板和信號(hào)環(huán)旋轉(zhuǎn)變壓器的初級(jí)線圈。電路板上包含整流穩(wěn)壓電源，儀表放大電路及V/F變換電路。在傳感器外殼上固定激磁電路，能源環(huán)形旋轉(zhuǎn)變壓器的初級(jí)線圈，信號(hào)環(huán)形變壓器的次級(jí)線圈及信號(hào)處理電路。

2、轉(zhuǎn)矩測(cè)量原理

轉(zhuǎn)矩傳感器電路部分的工作原理如下：

由外部電源向傳感器提供±15V電源電壓，同時(shí)，激磁電路中的晶體振蕩器產(chǎn)生400Hz的方波信號(hào)，經(jīng)過(guò)TDA2003功率放大即產(chǎn)生交流激磁功率電源電壓，其通過(guò)能源環(huán)形旋轉(zhuǎn)變壓器從靜止的初級(jí)線圈T1傳遞至旋轉(zhuǎn)的次級(jí)線圈T2，得到的交流電源電壓通過(guò)軸上的整流、濾波電路變?yōu)椤?V的直流電源電壓。該電源電壓作為運(yùn)算放大器AD822的工作電源電壓，由基準(zhǔn)電源AD589與雙運(yùn)放AD822組成高精度穩(wěn)壓電源，可產(chǎn)生±4.5V的精密直流電源電壓，該電源既作為應(yīng)變電橋電源，又作為儀表放大器及V/F轉(zhuǎn)換器的工作電源。當(dāng)彈性軸受扭時(shí)，應(yīng)變橋檢測(cè)到的mV級(jí)的應(yīng)變信號(hào)通過(guò)儀表放大器AD620放大成1.5 V±1V的強(qiáng)信號(hào)，再通過(guò)V/F轉(zhuǎn)換器LM331變換成頻率信號(hào)，此信號(hào)通過(guò)信號(hào)環(huán)形旋轉(zhuǎn)變壓器，從旋轉(zhuǎn)軸傳遞至靜止的次級(jí)線圈，再經(jīng)過(guò)傳感器外殼上的信號(hào)處理電路濾波、整形后即可得到與彈性軸承受的扭矩成正比的頻率信號(hào)輸出。

3、轉(zhuǎn)速測(cè)量原理

JN338轉(zhuǎn)矩傳感器在旋轉(zhuǎn)軸上安裝著有60條 齒縫的測(cè)速輪，在傳感器外殼上安裝一只由發(fā)光二極管及光敏三極管組成的槽型光電開(kāi)關(guān)架。當(dāng)測(cè)速輪的一個(gè)齒將發(fā)光二極管的光線遮擋住時(shí)，光敏三極管就輸出一個(gè)高電平，當(dāng)光線通過(guò)齒縫射到光敏管的窗口時(shí)光敏管就輸出一個(gè)低電平，旋轉(zhuǎn)軸每轉(zhuǎn)一圈就可得到60個(gè)脈沖，因此，每秒鐘檢測(cè)到的脈沖數(shù)恰好等于每分鐘轉(zhuǎn)速值。

4、軸輸出功率

軸輸出功率可由轉(zhuǎn)矩傳感器輸出的轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速值經(jīng)運(yùn)算后得到，計(jì)算公式為：

式中：P—軸輸出功率（KW）

M—轉(zhuǎn)矩值（N.M）

N—轉(zhuǎn)速值（r/min）

5、轉(zhuǎn)矩傳感器的信號(hào)輸出

JN338轉(zhuǎn)矩傳感器信號(hào)輸出形式如下：

⑴零轉(zhuǎn)矩：10KHz±50Hz

⑵正向旋轉(zhuǎn)滿量程：15KHz±50Hz

⑶反向旋轉(zhuǎn)滿量程：5KHz±50Hz

⑷信號(hào)幅值：0-8V；負(fù)載電流：40mA

在有效的量程范圍內(nèi)，傳感器的轉(zhuǎn)矩輸出頻率與對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)矩值基本上成線性關(guān)系，實(shí)際應(yīng)用中，如果測(cè)量準(zhǔn)確度要求不超過(guò)標(biāo)稱值，不需要通過(guò)逐段參數(shù)標(biāo)定來(lái)完成計(jì)算。

下面給出轉(zhuǎn)矩測(cè)量計(jì)算公式。

正向轉(zhuǎn)矩輸出值為：
反向轉(zhuǎn)矩輸出值為：
上兩式中：Mp—正向轉(zhuǎn)矩值

Mr—反向轉(zhuǎn)矩值

N—轉(zhuǎn)矩滿量程

fp—正向滿量程輸出頻率值（kHz）

fr—反向滿量程輸出頻率值（kHz）

f—實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)矩輸出頻率值

轉(zhuǎn)速輸出值為：N=60f/z

式中：N—轉(zhuǎn)速值（r/min）

f—頻率值（kHz）

z—傳感器測(cè)速齒數(shù)

轉(zhuǎn)矩值與輸出頻率值的對(duì)應(yīng)曲線如圖2所示。

四、具體應(yīng)用

轉(zhuǎn)矩傳感器被廣泛應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)動(dòng)力機(jī)械裝置中，以完成轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、軸輸出功率及效率等機(jī)械參數(shù)的測(cè)量。下面給出基于JN338的全數(shù)字式轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)方案，該測(cè)量?jī)x可應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)動(dòng)力機(jī)械參數(shù)的測(cè)試。

1、應(yīng)用電路設(shè)計(jì)

由于JN338輸出為頻率量的數(shù)字信號(hào)，故該傳感器可方便的與計(jì)算機(jī)或單片機(jī)接口構(gòu)成轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x。與計(jì)算機(jī)進(jìn)行接口需擴(kuò)展一塊基于ISA總線或PCI總線的多通道定時(shí)/計(jì)數(shù)器板卡，如“中泰”光隔定時(shí)計(jì)數(shù)器板卡PC-6503、PC-6508等。下面給出與單片機(jī)接口構(gòu)成的智能轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x的硬件電路結(jié)構(gòu)框圖（圖3）。

儀器工作原理簡(jiǎn)述如下：

JN338轉(zhuǎn)矩傳感器輸出的轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速信號(hào)經(jīng)光耦隔離后（光耦的作用，一是電平轉(zhuǎn)換，把轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速信號(hào)電平轉(zhuǎn)換成TTL電平，二是提高單片機(jī)的抗干擾能力及保護(hù)單片機(jī)），分別送給單片機(jī)的T0、T1定時(shí)/計(jì)數(shù)器，由T0和T1完成測(cè)頻計(jì)數(shù)功能，秒脈沖閘門(mén)則由定時(shí)/計(jì)數(shù)器T2提供。

由單片機(jī)完成相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速值的運(yùn)算后，將轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速及軸功率等參數(shù)保存并顯示輸出。本系統(tǒng)以AT89C52單片機(jī)為核心,擴(kuò)展了一片IMP813L芯片構(gòu)成電源監(jiān)控及看門(mén)狗電路以提高系統(tǒng)工作可靠性，擴(kuò)展了一片I2C總線串行鐵電存儲(chǔ)器FM24256用于存儲(chǔ)參數(shù)設(shè)定值及采集的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速值。擴(kuò)展了內(nèi)含GB2312中文漢字庫(kù)的圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊構(gòu)成中文人機(jī)顯示界面，擴(kuò)展了一片ICL232芯片用于將單片機(jī)的TTL電平轉(zhuǎn)換為RS-232電平，以便于和上位計(jì)算機(jī)通信。

2、 2、 使用注意事項(xiàng)

⑴使用兩組聯(lián)軸器將傳感器安裝在動(dòng)力源和負(fù)載之間；

⑵建議使用撓性、彈性或方向聯(lián)軸器以保證同心度小于0.1?L；

⑶動(dòng)力及負(fù)載必須固定可靠避免振動(dòng)；

⑷將傳感器的基座與設(shè)備的基座固定可靠，中心高度需調(diào)節(jié)合適，避免產(chǎn)生附加變矩；

⑸安裝時(shí)切勿直接敲打、碰撞傳感器。

五、結(jié)束語(yǔ)

JN338數(shù)字式轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器是一種采用磁場(chǎng)耦合來(lái)傳遞能源及信號(hào)的新型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器，該傳感器取消了傳統(tǒng)轉(zhuǎn)矩傳感器的滑環(huán)結(jié)構(gòu)并采用數(shù)字式輸出，因而具有體積小、重量輕、安裝方便，轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測(cè)量接口簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，因而是一種有著廣泛發(fā)展前景的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器。