采用JN338數字轉矩轉（zhuǎn）速傳感器對轉矩轉速的（de）測量

　　電（diàn）動機及機械動力裝置旋轉軸的轉矩一轉速（sù）特性是電動機（jī）及機械動力裝置的一項重要參數（shù），轉（zhuǎn）矩轉速特性（xìng）曲線（xiàn）的形狀及曲線中的起（qǐ）動（dòng）轉矩、最小轉矩、最大轉矩等（děng）參數，往往是衡量一台（tái）電動機（jī）或機械動力裝置能否順利起動和穩定運行的重要指標，因此，研製一（yī）種數字式、高精度（dù）、便攜式的轉矩轉速測量儀器，具有非常現實的意義。

　　傳統的旋轉動力係統轉矩測試，通常是采用電阻應變橋來檢（jiǎn）測轉矩信號並借助於導（dǎo）電滑環（huán）來實（shí）現電阻應變橋能源的輸入及應變信號的輸（shū）出（chū），但是，由於被測軸在高（gāo）速旋轉時會產生顫振，使接觸點處的接觸電阻發生變化，從而使測量誤差增（zēng）大。此外，導電滑環屬於（yú）摩擦接觸，也不可避免地存在磨損及發熱，因而限製了旋轉軸（zhóu）的轉（zhuǎn）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（hé）轉速，控製和調整電機，本文選用JN338數字（zì）式轉矩轉速傳感器（qì）來進行轉矩的測量，並以數字量的形式送入以AT89C52單片機為核心構成的測試係統。由於JN338傳感器采用兩組帶間隙的特殊環形旋轉變壓器來承擔應（yīng）變橋能源輸入及（jí）信號輸出任務，從而實現能源及信號的無接觸傳遞，因（yīn）此提高（gāo）了轉矩測量的精度（dù）及可靠性。此外，該傳感器還（hái）可同時實現旋轉軸轉速的測量，並方便地（dì）計算出（chū）軸的輸（shū）出功率，因此，利用該（gāi）傳感器可實現轉（zhuǎn）矩、轉速及軸功率的多參數輸出。本測量儀還可完成轉矩、轉速（sù）、軸輸出功率的測（cè）量及報警值設定，測量周期設定及傳感器調（diào）零設定，同時還可將測試數據通過RS232口傳送到上（shàng）位計算機（jī），以（yǐ）實現測量數據的處理、分析和對比。

　　1 轉矩轉速測量原理

　　用JN338數（shù）字轉矩轉速傳感器對轉矩進行測量，可實現轉矩信號的傳遞，而與旋轉無關，也與轉速大小和旋轉方向無關。該（gāi）傳感器既可以測量靜態轉矩，又可以測量動態轉矩，它無需反複調（diào）零即可連續測量正反轉矩（jǔ），並可高速長時間運行，而且檢測精度高、穩（wěn）定性好、抗幹擾能力強。此外，傳感器的輸（shū）出信號以頻率（lǜ）量給出，也便於和微處理器、單片機進行接口。

　　1.1 轉矩測量

　　JN338轉矩傳感器（qì）的（de）檢測敏感組（zǔ）件是電阻應變橋。該應變橋可以通過應變膠將專（zhuān）用的測扭應變片粘貼在被測彈性軸上，從而組成應變電橋（qiáo），這樣，隻要向應變電橋提供電源，即可測得該（gāi）彈性（xìng）軸（zhóu）受扭的電信號，然後將該應變信號放大，再經過（guò）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（liǎng）組帶間隙的特殊環形旋轉變壓（yā）器承擔的，因此，可（kě）實現能源（yuán）及信號的無接觸傳遞。該應變傳（chuán）感器的測（cè）量原理如圖1所示。

　　由圖1可見，該傳感器是（shì）在一段特製的（de）彈（dàn）性軸上粘貼（tiē）專用的測扭應變片並組成電橋，以形成基礎扭矩傳感器，然（rán）後（hòu）在軸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變壓（yā）器的初級線圈（quān）。電路板上則包含整流穩（wěn）壓電源、儀表放大電路及V/F變（biàn）換電路（lù）。在傳感器的外殼上固定著激磁（cí）電路、能源（yuán）環形旋（xuán）轉變壓器的初級線圈、信號環（huán）形變（biàn）壓器的次級線圈及（jí）信號處理電路。

　　該（gāi）傳感（gǎn）器（qì）電路在工作時，通（tōng）常由外部電（diàn）源向（xiàng）傳感器提供±15V電源，激磁電路中的晶體振蕩器（qì）產生的400 Hz的方波（bō），經過TDA2003功（gōng）率放大後（hòu），即可作為（wéi）交流激（jī）磁功率電源（yuán），然後通過能源環形旋轉變壓器從靜止（zhǐ）的初（chū）級線圈T1傳遞至（zhì）旋轉的次級線圈（quān）T2，將得（dé）到的交流電源通過（guò）軸上的整流、濾波電路處理後變成±5 V的直流（liú）電源。再將該電源作為運算放大器（qì）AD822的工作（zuò）電源，並由基準電源AD589與雙運放AD822組成的高精度穩壓後，便可產生±4.5V的精密直流電源（yuán）。該電源既可作為應變電橋的電源，又（yòu）可作為儀表（biǎo）放大（dà）器及V/F轉（zhuǎn）換器的工（gōng）作電源。而當彈（dàn）性軸受扭時，應變橋檢測到的mV級（jí）應變（biàn）信號通過儀表放大器AD620將其放大成（chéng）1.5 V±1 V的強信號，再通過V/F轉換器LM33l變換成頻率（lǜ）信號。此（cǐ）信號可通過信（xìn）號環形旋轉變壓器，從旋轉軸傳（chuán）遞至靜止的次級線（xiàn）圈，再經過傳感（gǎn）器外殼上的信號處理電路進行濾波、整形，即（jí）可得到與彈性軸（zhóu）承受的扭矩成正比的頻率信號輸出。

　　JN338轉矩傳（chuán）感器信號輸出形式如下：

　　零轉矩：10 kHz±50 Hz;

　　正向（xiàng）旋轉滿量程（chéng）：15 kHz±50 Hz;

　　反向旋轉滿量（liàng）程：5 kHz±50 Hz;

　　信號幅值：0~8V;

　　負載電流：40mA。

　　1.2 轉速測量

　　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（chuán）感器外殼上（shàng）安裝有一隻由發光二極管及（jí）光敏三極管組成（chéng）的槽型光電（diàn）開關架，測速（sù）輪的每一個齒將（jiāng）發光二極管的光線遮擋住時，光敏三極管就輸（shū）出一個高電平，而當光線（xiàn）通（tōng）過齒縫射到光（guāng）敏管的窗口時，光敏管則輸出一個低（dī）電平，這樣，旋轉軸每轉一圈就可得（dé）到60個脈衝。因此，每秒鍾檢測到的脈衝數恰好等（děng）於每分鍾的轉速值。

　　1.3 測量方法

　　為了完（wán）成轉矩及轉速值的測量及顯示（shì），本設計采用（yòng）單片機測頻法(M法（fǎ）)，即采用（yòng）定時脈衝計數的（de）方式（shì）來完成（chéng）轉矩轉（zhuǎn）速的（de）測量（liàng）。將轉矩信號（hào）送單片（piàn）機定時計數（shù）器T0，並將轉速信號（hào）送單片機定時計數器T1，以用於完成頻率信號（hào）的計數。然後在測量周期結束後，取出（chū）計數值。再由測量周期和T0、T1的計數值，並通過計（jì）算得出相（xiàng）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，因此，M法所固有的±l Hz計數（shù）器截斷絕（jué）對（duì）誤差可以忽略，關鍵是要保證測量（liàng）定時周期T的精度。為提（tí）高（gāo）T的精度，可采用外部擴展硬件實時時鍾芯片的定時方法，來得到（dào）精確的（de）定時測量周期T。此外，測量周期（qī）T的大小，也將影響測量（liàng）精度，T值越大（dà），轉矩轉（zhuǎn）速（sù）的測量精度（dù）就會越高，穩定性越好，相應的測量時間也會越長。因此，本（běn）係統的測量周期T可根據測量需要由鍵盤輸入，取值範圍為200~2000 ms。

　　2 係統（tǒng）硬件構成

　　由於JN338的輸（shū）出為（wéi）頻率量數字信號，故該傳感器可方（fāng）便（biàn）地（dì）與計（jì）算機或單片機接口。圖2給出了JN338與單片機AT89C52進行接口構成的智能轉矩轉（zhuǎn）速測量儀的（de）硬（yìng）件電路（lù）結構框圖。基中AT89C52單片（piàn）機（jī）是一種低功（gōng）耗、高性能、CMOS型微處理器，其片內含有8 kB的可反複擦寫隻讀程序存儲器和256B的RAM。圖2中，JN338轉矩傳感器輸出的轉矩及轉速（sù）信號經光（guāng）耦隔離後送入單片（piàn）機（jī）的TO、T1計數器，然後由TO和Tl完成測頻計數（shù）功能，秒脈衝閘（zhá）門由T2提供。其中光耦的作用，一是電平轉換，即把轉矩轉速（sù）信號電平轉換成TTL電（diàn）平，二是提高單片（piàn）機的抗幹擾能力和保護（hù）單片機。

　　由單片（piàn）機完成相（xiàng）應的轉（zhuǎn）矩轉速值的運算後，即可將轉矩、轉速及軸功率等參數保存並顯示（shì）輸出。本係統以AT89C52單片機為（wéi）核（hé）心，由IMP813L構成電源監控（kòng）及看門狗電路，此外，係統中還擴展了一片I2C總（zǒng）線串行鐵電存儲器（qì）FM24256，它的主要作用是存儲參數設定值及（jí）采集的轉（zhuǎn）矩轉速值。通（tōng）過內含GB2312中文漢字庫的圖形點陣液晶顯示（shì）模塊OCMJ4X8C可構成中文（wén）人機顯示界（jiè）麵（miàn），ICL232的作用是將單片機的TTL電平轉換為RS一232電平，以便（biàn）於和上位計算機進行通信。