數字式轉矩轉速傳感器及其在旋轉動力裝置測試中的應用

摘 要：本文介紹了JN338數字式轉矩轉速傳感器，該傳感器使用了兩組帶間隙特殊環形旋轉變壓器，實現了能源及信號的非接觸傳遞，其信號輸出為數字量，便于和微機接口。文中對傳感器的工作原理及特性予以了詳細介紹，并給出了在旋轉動力裝置機械參數測試中的一個典型應用示例。

關鍵詞：數字式；轉矩轉速傳感器；單片機

一、前言

轉矩傳感器被廣泛應用于電動機、內燃機、風機、水泵、攪拌機、 卷揚機、鉆探機械等眾多的旋轉動力系統中，此外，在近年來興起的數控機械加工中心及自動機床等機電一體化設備中也獲得了廣泛的應用。傳統的轉矩傳感器通常采用電阻應變橋來檢測轉矩信號，并采用導電滑環來耦合橋壓輸入及應變信號輸出，但由于導電滑環屬于磨擦接觸，因此不可避免的存在著磨損并發熱，因而限制了旋轉軸的轉速及導電滑環的使用壽命，同時由于接觸不可靠還能引起測量信號波動誤差增加。

JN338轉矩轉速傳感器采用了兩組特殊環形旋轉變壓器以實現電源的輸入及轉矩信號的輸出，從而解決了旋轉動力傳遞系統中,能源及信號如何可靠地在旋轉部分與靜止部分之間傳遞的問題，該傳感器同時還可實現旋轉軸轉速的測量，從而可方便的根據轉矩、轉速測量值計算出軸輸出功率。

二、JN388轉矩轉速傳感器的主要特性

1、傳感器的主要特性

⑴以應變電測技術為檢測手段；

⑵測量精度高，信號檢出、處理均采用數字技術，抗干擾能力強，無需調零即可工作，可靠性高,信噪比高，工作壽命長；

⑶既可以測量靜止扭矩，也可測量旋轉轉矩；

⑷既可測量穩態扭矩，也可測量過渡過程動態轉矩；

⑸無需反復調零即可連續測量正反轉矩；

⑹無集流環，電刷等磨損件，可以高速長時間運行；

⑺轉矩信號的傳遞與是否旋轉無關，與轉速大小無關，與旋轉方向無關；

⑻測量彈性體強度大，可承受150%過載；

⑼體積小、重量輕、安裝方便，有套裝式，卡裝式，聯軸式等多種安裝方式；

⑽ 傳感器輸出信號以頻率量方式給出，便于和計算機接口。

2、傳感器的主要技術參數及規格參數

JN338轉矩傳感器的主要技術參數和產品規格參數分別見表1和表2。

表1 JN338轉矩傳感器主要技術參數

表2 JN338轉矩傳感器產品規格參數

三、JN338轉矩轉速傳感器的結構及測量原理

1、結構

該轉矩傳感器的檢測敏感元件是電阻應變橋—將專用的測扭應變片用應變膠粘貼在被測彈性軸上即可組成應變電橋，向應變電橋提供電源即可測得該彈性軸受扭的電信號。將該應變信號放大后，經過壓/頻轉換，變成與扭應變成正比的頻率信號。傳感器的能源輸入及信號輸出是由兩組帶間隙的特殊環形旋轉變壓器所承擔的，因此實現了能源及信號的無接觸傳遞功能。

JN338轉矩傳感器測量流程如圖1所示。在一段特制的彈性軸上粘貼專用的測扭應變片并組成電橋，即為基礎扭矩傳感器。在軸上固定著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變壓器的初級線圈。電路板上包含整流穩壓電源，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，能源環形旋轉變壓器的初級線圈，信號環形變壓器的次級線圈及信號處理電路。

2、轉矩測量原理

轉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，激磁電路中的晶體振蕩器產生400Hz的方波信號，經過TDA2003功率放大即產生交流激磁功率電源電壓，其通過能源環形旋轉變壓器從靜止的初級線圈T1傳遞至旋轉的次級線圈T2，得到的交流電源電壓通過軸上的整流、濾波電路變為±5V的直流電源電壓。該電源電壓作為運算放大器AD822的工作電源電壓，由基準電源AD589與雙運放AD822組成高精度穩壓電源，可產生±4.5V的精密直流電源電壓，該電源既作為應變電橋電源，又作為儀表放大器及V/F轉換器的工作電源。當彈性軸受扭時，應變橋檢測到的mV級的應變信號通過儀表放大器AD620放大成1.5 V±1V的強信號，再通過V/F轉換器LM331變換成頻率信號，此信號通過信號環形旋轉變壓器，從旋轉軸傳遞至靜止的次級線圈，再經過傳感器外殼上的信號處理電路濾波、整形后即可得到與彈性軸承受的扭矩成正比的頻率信號輸出。

3、轉速測量原理

JN338轉矩傳感器在旋轉軸上安裝著有60條 齒縫的測速輪，在傳感器外殼上安裝一只由發光二極管及光敏三極管組成的槽型光電開關架。當測速輪的一個齒將發光二極管的光線遮擋住時，光敏三極管就輸出一個高電平，當光線通過齒縫射到光敏管的窗口時光敏管就輸出一個低電平，旋轉軸每轉一圈就可得到60個脈沖，因此，每秒鐘檢測到的脈沖數恰好等于每分鐘轉速值。

4、軸輸出功率

軸輸出功率可由轉矩傳感器輸出的轉矩及轉速值經運算后得到，計算公式為：

式中：P—軸輸出功率（KW）

M—轉矩值（N.M）

N—轉速值（r/min）

5、轉矩傳感器的信號輸出

JN338轉矩傳感器信號輸出形式如下：

⑴零轉矩：10KHz±50Hz

⑵正向旋轉滿量程：15KHz±50Hz

⑶反向旋轉滿量程：5KHz±50Hz

⑷信號幅值：0-8V；負載電流：40mA

在有效的量程范圍內，傳感器的轉矩輸出頻率與對應轉矩值基本上成線性關系，實際應用中，如果測量準確度要求不超過標稱值，不需要通過逐段參數標定來完成計算。

下面給出轉矩測量計算公式。

正向轉矩輸出值為：
反向轉矩輸出值為：
上兩式中：Mp—正向轉矩值

Mr—反向轉矩值

N—轉矩滿量程

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—實測轉矩輸出頻率值

轉速輸出值為：N=60f/z

式中：N—轉速值（r/min）

f—頻率值（kHz）

z—傳感器測速齒數

轉矩值與輸出頻率值的對應曲線如圖2所示。

四、具體應用

轉矩傳感器被廣泛應用于旋轉動力機械裝置中，以完成轉矩、轉速、軸輸出功率及效率等機械參數的測量。下面給出基于JN338的全數字式轉矩轉速測量儀設計方案，該測量儀可應用于旋轉動力機械參數的測試。

1、應用電路設計

由于JN338輸出為頻率量的數字信號，故該傳感器可方便的與計算機或單片機接口構成轉矩轉速測量儀。與計算機進行接口需擴展一塊基于ISA總線或PCI總線的多通道定時/計數器板卡，如“中泰”光隔定時計數器板卡PC-6503、PC-6508等。下面給出與單片機接口構成的智能轉矩轉速測量儀的硬件電路結構框圖（圖3）。

儀器工作原理簡述如下：

JN338轉矩傳感器輸出的轉矩及轉速信號經光耦隔離后（光耦的作用，一是電平轉換，把轉矩轉速信號電平轉換成TTL電平，二是提高單片機的抗干擾能力及保護單片機），分別送給單片機的T0、T1定時/計數器，由T0和T1完成測頻計數功能，秒脈沖閘門則由定時/計數器T2提供。

由單片機完成相應的轉矩、轉速值的運算后，將轉矩、轉速及軸功率等參數保存并顯示輸出。本系統以AT89C52單片機為核心,擴展了一片IMP813L芯片構成電源監控及看門狗電路以提高系統工作可靠性，擴展了一片I2C總線串行鐵電存儲器FM24256用于存儲參數設定值及采集的轉矩轉速值。擴展了內含GB2312中文漢字庫的圖形點陣液晶顯示模塊構成中文人機顯示界面，擴展了一片ICL232芯片用于將單片機的TTL電平轉換為RS-232電平，以便于和上位計算機通信。

2、 2、 使用注意事項

⑴使用兩組聯軸器將傳感器安裝在動力源和負載之間；

⑵建議使用撓性、彈性或方向聯軸器以保證同心度小于0.1?L；

⑶動力及負載必須固定可靠避免振動；

⑷將傳感器的基座與設備的基座固定可靠，中心高度需調節合適，避免產生附加變矩；

⑸安裝時切勿直接敲打、碰撞傳感器。

五、結束語

JN338數字式轉矩轉速傳感器是一種采用磁場耦合來傳遞能源及信號的新型轉矩轉速傳感器，該傳感器取消了傳統轉矩傳感器的滑環結構并采用數字式輸出，因而具有體積小、重量輕、安裝方便，轉矩轉速測量接口簡單的特點，因而是一種有著廣泛發展前景的轉矩轉速傳感器。