采用JN338數字轉（zhuǎn）矩（jǔ）轉速傳感器對轉矩轉速的測量

　　電（diàn）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數，轉矩（jǔ）轉速特性曲線的形狀及曲線中的起動轉矩、最小轉矩（jǔ）、最大（dà）轉矩等參數，往往是衡量一台電動機或機械動力裝（zhuāng）置能否順利起動和穩定運行的重要指標，因此，研製一種數字式、高精度、便攜式的轉矩轉速測（cè）量（liàng）儀器，具有非常現實的意義。

　　傳（chuán）統的旋轉動力係統轉（zhuǎn）矩測試，通常是采用電阻應變橋來檢測轉矩信號（hào）並借（jiè）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輸出，但是，由於被測軸在高速旋轉時會產（chǎn）生顫振，使接觸點處的接觸電阻發（fā）生變化，從而使測量誤差增大。此外，導電滑環屬於摩擦接觸，也不可避免地存在磨損及發熱，因而限製了旋轉軸的轉（zhuǎn）速及導（dǎo）電滑環的使用壽命。

　　為了更好地測（cè）量電機的輸出轉矩和轉速，控製和調整電機，本文選用JN338數字式轉矩轉速傳感器來進行轉矩的測量，並以數字量（liàng）的（de）形式送入以AT89C52單片機為（wéi）核心（xīn）構成（chéng）的測試係統。由於JN338傳感器采用兩組帶間（jiān）隙的特殊環形旋轉變壓器來承擔應（yīng）變橋能源（yuán）輸（shū）入及信號輸出任務，從而實現能源及信號的無接（jiē）觸傳遞，因此（cǐ）提高了轉矩測量的精度及可靠性。此外，該傳感器（qì）還可同時實現旋轉軸轉速的（de）測量，並方便地計算出軸的輸出功率，因此，利用該傳感器可實現轉矩、轉速及軸功率的多參數輸（shū）出。本（běn）測量儀還可完成轉矩、轉速、軸輸出功率的測量及報警值設定，測量周（zhōu）期設定及傳感器調零設定，同時還可將測試數（shù）據通過RS232口傳送到上位計算機，以實現（xiàn）測量數據的處理、分析和對比。

　　1 轉矩轉速測量原理

　　用JN338數字轉（zhuǎn）矩（jǔ）轉速傳感器對轉矩進行測量，可實（shí）現（xiàn）轉矩信號的傳遞（dì），而與旋轉（zhuǎn）無關（guān），也與轉速大小和旋轉（zhuǎn）方向無關。該傳（chuán）感器既可以測量靜態轉矩，又（yòu）可以測量動態轉矩，它無需反複調零即可連續測量正反轉矩，並可高速長時間運行，而且（qiě）檢測精度高、穩（wěn）定性好、抗幹（gàn）擾能力強。此外，傳感（gǎn）器的輸出信號（hào）以頻率量給出，也便於和微處理器、單片機進行接口。

　　1.1 轉矩測量

　　JN338轉矩傳感器的檢測敏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（yīng）變片粘貼在被測彈性軸上，從而組成應（yīng）變電橋，這樣（yàng），隻要向應變電橋提供電源，即可（kě）測得該彈性軸受扭的電信號，然後將該應變信號（hào）放大，再經過壓/頻轉換變成與扭應變（biàn）成正比的頻率信號。傳（chuán）感器的能源輸入及信號輸出是由兩組（zǔ）帶間隙的（de）特殊環形旋（xuán）轉變壓器承擔的，因此（cǐ），可（kě）實現能源及信號的無接觸傳遞。該應變傳感器的測（cè）量原理如圖1所示。

　　由圖1可見，該傳感器是在一段特製的彈性軸上粘貼專（zhuān）用的測扭應變片並（bìng）組成（chéng）電橋，以（yǐ）形成基礎扭矩傳感器，然後在（zài）軸上再固（gù）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器的初級線圈。電（diàn）路板上則包含整流穩壓電源、儀表放大（dà）電路及V/F變換電路。在傳感器的（de）外殼上固定著激磁電路、能源（yuán）環形旋轉（zhuǎn）變壓器的初級線圈、信號（hào）環（huán）形變壓器的次級線圈及信號處理電路。

　　該傳感器（qì）電路（lù）在工作時，通常由外部電源向傳（chuán）感器（qì）提供±15V電（diàn）源，激磁電路中的晶體振蕩（dàng）器產（chǎn）生的400 Hz的方波，經過TDA2003功率放大（dà）後，即（jí）可作（zuò）為交流激磁（cí）功率電（diàn）源，然後通過（guò）能源環形旋轉（zhuǎn）變（biàn）壓器從靜（jìng）止的（de）初級線圈T1傳遞至旋轉的次級線圈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（chéng）±5 V的直流電源。再將該電源作為運算（suàn）放大器AD822的工（gōng）作電（diàn）源，並由基準電源AD589與雙運放AD822組成的高精度穩壓（yā）後，便可產生±4.5V的精密直流電源。該電源既（jì）可作為應變電橋的電源，又可作為（wéi）儀表放大器及V/F轉換器的工作電源。而當彈性軸受扭時，應變橋檢測到的mV級應（yīng）變信號通過儀（yí）表放大器AD620將其放大成1.5 V±1 V的強信號，再通過V/F轉換器LM33l變換成頻率信號。此信（xìn）號可通過信（xìn）號環形旋轉變壓器，從旋轉軸傳遞至靜止的次級（jí）線圈，再經過傳感器外殼上的信號處理電路進行濾波、整形（xíng），即可（kě）得到與彈性軸承受的扭矩成正（zhèng）比的頻率信號輸出。

　　JN338轉矩傳感器信號輸出形式如下：

　　零轉矩：10 kHz±50 Hz;

　　正向旋轉滿（mǎn）量（liàng）程：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（sù）測（cè）量

　　轉矩傳（chuán）感器在旋轉軸（zhóu）上安（ān）裝有60條齒縫的測（cè）速輪，同時在傳感器外殼上安裝有一隻由發光二極管及光敏三極管（guǎn）組成的槽型光電開關架，測速輪的每一個齒將發光（guāng）二極管的光線遮擋住時，光敏三（sān）極管就輸出一個高電平，而當光線通過（guò）齒縫射（shè）到光敏管的窗口時，光敏管則輸出（chū）一個低電平，這樣，旋轉（zhuǎn）軸每轉一圈就可得（dé）到60個脈衝。因（yīn）此（cǐ），每秒（miǎo）鍾檢測到的脈衝數恰好等於每分鍾的轉速值。

　　1.3 測量方法

　　為了完成轉矩及轉速值的測量及顯示，本設計采用單片機測頻法(M法)，即采用定時脈衝計數的方式來完（wán）成轉矩轉（zhuǎn）速的測量。將轉矩信（xìn）號送單片機定時計數器T0，並將轉速信號送單片機定時計數器T1，以用於（yú）完成頻率信號（hào）的計數。然後在（zài）測量周（zhōu）期結束（shù）後，取出（chū）計數值。再由測量周期和T0、T1的計（jì）數值，並（bìng）通過計算得出相應的轉矩轉速值。

　　由於JN338輸出的轉矩頻（pín）率值（zhí）一般在5～15kHz之間，因此，M法所固有的±l Hz計數（shù）器截（jié）斷絕對誤差可以忽略，關鍵（jiàn）是要保證測量定時周期T的精度（dù）。為提高T的精度，可采用（yòng）外部擴展（zhǎn）硬件實時時鍾芯片的定時方法，來得到精確的定時測量（liàng）周期T。此外，測量周期T的大小，也將（jiāng）影響測量精度，T值越大，轉矩轉速的測量精度就會（huì）越高，穩（wěn）定性越好，相應的測量時間也會越長。因此，本係統的測量周期T可根據測（cè）量需要由鍵（jiàn）盤輸（shū）入，取值範圍為200~2000 ms。

　　2 係統硬件構成

　　由於JN338的輸出為（wéi）頻率量數字（zì）信號，故該傳感器可方（fāng）便地與（yǔ）計算（suàn）機或單（dān）片機接（jiē）口。圖2給出了JN338與單片機AT89C52進行接口構（gòu）成的智能轉矩轉速測量儀（yí）的硬件電路（lù）結構框圖。基中AT89C52單片機是一（yī）種低功耗、高性能、CMOS型微處理器，其片內（nèi）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信號經（jīng）光耦隔離後送入單片機的TO、T1計數器，然後由TO和Tl完成測頻計數功能，秒（miǎo）脈衝閘門由（yóu）T2提供。其中光（guāng）耦的作用，一（yī）是電（diàn）平轉換，即把轉矩轉速信號電平轉換成TTL電平，二是提高單（dān）片（piàn）機的抗幹擾能力和保護單片機。

　　由單片機完成相應的轉矩轉速值（zhí）的運算後，即可將轉矩、轉速及（jí）軸功率等（děng）參數保存並顯示輸出。本係統以AT89C52單（dān）片機為核心，由（yóu）IMP813L構成電（diàn）源監（jiān）控及看門（mén）狗電路，此外，係統（tǒng）中（zhōng）還擴展了一片I2C總線串行鐵電存儲器FM24256，它的主要作用是存儲參數設定值及采集的轉矩轉速值。通過內含（hán）GB2312中文漢字庫的圖形點陣液晶顯示模塊OCMJ4X8C可構成（chéng）中文人機顯示界麵，ICL232的作用是將單片機的TTL電平（píng）轉換為RS一232電平，以便於（yú）和（hé）上位計算機進行通信。