采用（yòng）JN338數字轉矩轉速傳（chuán）感器對轉矩轉速的測量

　　電動機及機械動力裝置旋轉軸的轉矩一轉速特性是電動機及機械動力裝置的一項重要參（cān）數，轉（zhuǎn）矩轉速特性曲線的（de）形狀及曲線中的起（qǐ）動（dòng）轉矩、最小轉矩（jǔ）、最大轉矩等（děng）參數，往往（wǎng）是衡量一台電動機或機械動力裝置能否順利（lì）起動和穩定運行（háng）的重要指標，因此，研製一種數字式、高精度、便攜式的（de）轉矩轉（zhuǎn）速測量儀器（qì），具有非常現實的意義。

　　傳統的旋轉動力（lì）係統轉矩測試，通常是采用電阻應變橋來檢測轉矩信號並借助於導電滑環來實現電阻應變橋能源的輸入及應變信號的（de）輸出，但是，由於被測（cè）軸在高速旋轉時會產生顫振，使接觸點處（chù）的接（jiē）觸（chù）電阻發（fā）生變化，從而（ér）使測（cè）量誤差增（zēng）大。此外，導電滑（huá）環屬於（yú）摩擦接觸，也不可避（bì）免地存在磨損及發（fā）熱，因而限製了旋轉軸的轉速及導電滑環的使用壽命。

　　為了更好地測量電機的輸出轉矩和轉速，控製和調整電（diàn）機，本文選用（yòng）JN338數字（zì）式轉矩轉速傳感器來進行轉矩的測量，並（bìng）以數字量的（de）形式送入以AT89C52單（dān）片機為核心構成的測試係統。由於JN338傳（chuán）感器采用兩組帶間隙的特殊環形旋轉變壓器來承擔應變橋能源輸入及信號輸出任務，從而實現能源及信號的無接觸傳遞，因此提（tí）高了轉矩測量的精度及（jí）可靠（kào）性（xìng）。此外，該傳感器還可（kě）同時實現旋轉軸轉速的測（cè）量，並方便地計（jì）算出軸的輸出功率，因此，利用該傳感器可實現轉矩（jǔ）、轉速（sù）及軸（zhóu）功率（lǜ）的多參數輸出。本測（cè）量儀還可完成轉矩、轉（zhuǎn）速、軸輸出功率的測量及報警值設定，測（cè）量周期設定及傳感器調零設定，同時還可將測試數（shù）據通過RS232口傳送到上位計算（suàn）機，以實現（xiàn）測量數據的處理、分析和對比。

　　1 轉矩轉速測量（liàng）原理

　　用JN338數字轉（zhuǎn）矩轉速傳感器對轉矩進行測（cè）量，可實現轉矩信號的傳遞，而（ér）與旋轉無關，也與轉速大小和旋轉（zhuǎn）方向無關。該傳感器既可（kě）以測量靜態轉矩（jǔ），又可以測量動態（tài）轉矩，它無需反複調零即可連續（xù）測量正反（fǎn）轉矩，並可高（gāo）速長時間運行，而且檢測精度高、穩定性好、抗幹擾能力強。此外，傳感器的輸出信號以頻率量給出，也便於和微處（chù）理器、單片機進行接口。

　　1.1 轉矩測量

　　JN338轉矩傳感器的檢測敏（mǐn）感組件是電阻應變橋。該應變橋可以通過應變膠將專用的測扭應變片粘貼在被測彈（dàn）性軸上，從而（ér）組成應變電橋，這樣，隻要向應變電橋提供電源，即可測得該彈性軸受扭的電信號，然後將該應變信號放大，再經過壓/頻轉換變成與扭應（yīng）變成正比的頻率（lǜ）信號。傳感器的（de）能源輸（shū）入及信號輸出是由兩（liǎng）組帶間隙的特殊環形旋轉變壓器（qì）承擔的，因此，可實現能源及信號的無接觸傳遞（dì）。該應變（biàn）傳感器的測量原理如圖1所示。

　　由圖1可見，該傳（chuán）感器是在一段特製的彈性軸上（shàng）粘貼專（zhuān）用的測（cè）扭（niǔ）應變片並組成電橋，以形（xíng）成基礎扭矩傳感器，然後在軸（zhóu）上再固定能源環形旋轉變壓器的次級線圈、軸上印刷電路板和信號環旋轉（zhuǎn）變壓器的初級線（xiàn）圈。電路板上則包（bāo）含整流穩壓電（diàn）源、儀表放大電路及V/F變換電路（lù）。在傳感器的外殼（ké）上固定著激磁電（diàn）路、能源環形旋轉（zhuǎn）變（biàn）壓器的初級線圈、信號（hào）環形變壓器的次級線圈及信號處理電路。

　　該傳感器電路在工（gōng）作時，通常由（yóu）外部電源向（xiàng）傳（chuán）感器提供±15V電源，激磁電路中的晶體振蕩器產生的400 Hz的方波，經過TDA2003功（gōng）率放大後，即可作為交流激磁功率電源，然後通過能源環形旋轉變壓器從靜止的初級線圈T1傳遞至（zhì）旋轉的次級（jí）線圈T2，將得到的交流電源通過軸上的整流、濾波電路處理後（hòu）變成±5 V的直流（liú）電源。再將該電（diàn）源作為運算放大器AD822的工作電源（yuán），並由基準電（diàn）源AD589與雙運（yùn）放AD822組成的高精度穩壓後，便可產生±4.5V的精密直（zhí）流電源。該電源既可（kě）作（zuò）為應變電橋的電源，又可作為儀表放大器及V/F轉換器的工作電源。而當（dāng）彈性軸受扭時，應變（biàn）橋檢測到的mV級應變信號通過儀表放大器AD620將其放（fàng）大成1.5 V±1 V的強（qiáng）信號，再通過V/F轉（zhuǎn）換器LM33l變換成頻率信（xìn）號。此信號可（kě）通（tōng）過信號環形旋轉變壓器，從旋轉軸傳遞至靜止的次級線圈，再（zài）經過傳感器外（wài）殼上的信號處理電路進行濾波、整形，即可（kě）得到與彈性軸承受的扭矩成正比的頻率信號（hào）輸出。

　　JN338轉矩傳感器信號輸出形式如下：

　　零轉矩：10 kHz±50 Hz;

　　正向旋轉（zhuǎn）滿量程：15 kHz±50 Hz;

　　反向旋（xuán）轉滿量程：5 kHz±50 Hz;

　　信號幅值：0~8V;

　　負載（zǎi）電流：40mA。

　　1.2 轉速（sù）測量

　　轉矩傳感器在旋轉軸上安裝有60條齒縫的測速輪，同時在傳感器外（wài）殼上安裝有一隻由發光二極管及光敏三極管組成的槽型光電開關架，測速輪（lún）的每一個齒將發光二極管的光線遮擋住時，光（guāng）敏三（sān）極管就輸出一個高電平，而當光線通過齒縫射到光敏管的（de）窗口時，光敏（mǐn）管則輸出一個（gè）低電平，這樣，旋轉軸每轉一圈就可（kě）得到60個脈衝。因此，每秒鍾檢測到的脈衝數（shù）恰好等於每分（fèn）鍾的轉速值。

　　1.3 測量方法

　　為（wéi）了完成轉矩及轉速值的測量及（jí）顯示，本設計（jì）采用單片機測頻法(M法（fǎ）)，即采用定時脈衝計數的方式（shì）來（lái）完成轉矩轉速的測量。將（jiāng）轉矩信號送單片機定時計數器T0，並將轉速信（xìn）號送單片機定時計數器T1，以用於完成頻率信（xìn）號的計數。然後在測量周期結束後，取出計（jì）數值。再由測（cè）量周期和T0、T1的計數值，並通過計算得出相應的轉矩轉速值。

　　由於JN338輸出的轉矩頻率值一般在5～15kHz之間（jiān），因此，M法所固有（yǒu）的±l Hz計數器（qì）截斷絕對誤差可以忽（hū）略，關鍵是要保證測量定時周期T的精度。為提高T的精（jīng）度，可采用外部（bù）擴展硬件實時時鍾芯片的定時方法，來得到精確的（de）定（dìng）時測（cè）量周期T。此外（wài），測量周期T的大小，也將影響測量精度，T值越大，轉矩轉速的測量精（jīng）度就會越高，穩定性越好（hǎo），相應的（de）測量時間（jiān）也會越（yuè）長（zhǎng）。因此，本（běn）係統的測量周期（qī）T可根據測量需要由鍵盤輸入，取值（zhí）範圍（wéi）為200~2000 ms。

　　2 係統硬件構成

　　由於JN338的輸出為頻率量數字信號，故該（gāi）傳感器可方便地與計算機（jī）或單片機接口。圖2給出了JN338與單片機AT89C52進行接（jiē）口構成的智能轉矩轉速測量儀的（de）硬件電路結構框（kuàng）圖。基中AT89C52單（dān）片機是一種（zhǒng）低（dī）功耗、高（gāo）性能、CMOS型微處理器，其片內含有8 kB的可反複擦寫隻讀程序（xù）存（cún）儲器和256B的RAM。圖2中，JN338轉矩傳感器輸出的轉矩及轉速信號經光耦隔離後送入單片機的TO、T1計數器，然後由TO和（hé）Tl完成測頻計數功能，秒脈衝閘門由T2提供。其（qí）中光耦的（de）作用，一（yī）是電平轉換，即把轉矩轉速信號電平轉換成TTL電平，二（èr）是提高單片機的抗幹擾能力（lì）和保護單片機。

　　由（yóu）單片機完成相應的轉矩轉速值的運算後，即可將轉矩、轉速及軸功率等參數保（bǎo）存並顯示輸（shū）出。本係統以AT89C52單片機為核（hé）心，由IMP813L構成（chéng）電源監控及看門狗電路，此外，係統中還擴展了一片I2C總線串行鐵電存（cún）儲器（qì）FM24256，它的主（zhǔ）要（yào）作（zuò）用是（shì）存（cún）儲參數設定值及采集的轉矩轉速值。通過內含GB2312中文漢字庫的圖形點陣液晶顯示模塊OCMJ4X8C可（kě）構成（chéng）中文人機顯示界麵，ICL232的作用是將單片（piàn）機的TTL電平轉換為RS一232電平，以便於和上位計算（suàn）機進行通信。