采用JN338數(shù)字轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器對(duì)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速的測(cè)量

　　電動(dòng)機(jī)及機(jī)械動(dòng)力裝置旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)矩一轉(zhuǎn)速特性是電動(dòng)機(jī)及機(jī)械動(dòng)力裝置的一項(xiàng)重要參數(shù)，轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性曲線的形狀及曲線中的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、最小轉(zhuǎn)矩、最大轉(zhuǎn)矩等參數(shù)，往往是衡量一臺(tái)電動(dòng)機(jī)或機(jī)械動(dòng)力裝置能否順利起動(dòng)和穩(wěn)定運(yùn)行的重要指標(biāo)，因此，研制一種數(shù)字式、高精度、便攜式的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x器，具有非常現(xiàn)實(shí)的意義。

　　傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)動(dòng)力系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩測(cè)試，通常是采用電阻應(yīng)變橋來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)矩信號(hào)并借助于導(dǎo)電滑環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)電阻應(yīng)變橋能源的輸入及應(yīng)變信號(hào)的輸出，但是，由于被測(cè)軸在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生顫振，使接觸點(diǎn)處的接觸電阻發(fā)生變化，從而使測(cè)量誤差增大。此外，導(dǎo)電滑環(huán)屬于摩擦接觸，也不可避免地存在磨損及發(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。

　　為了更好地測(cè)量電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，控制和調(diào)整電機(jī)，本文選用JN338數(shù)字式轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器來(lái)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩的測(cè)量，并以數(shù)字量的形式送入以AT89C52單片機(jī)為核心構(gòu)成的測(cè)試系統(tǒng)。由于JN338傳感器采用兩組帶間隙的特殊環(huán)形旋轉(zhuǎn)變壓器來(lái)承擔(dān)應(yīng)變橋能源輸入及信號(hào)輸出任務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)能源及信號(hào)的無(wú)接觸傳遞，因此提高了轉(zhuǎn)矩測(cè)量的精度及可靠性。此外，該傳感器還可同時(shí)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速的測(cè)量，并方便地計(jì)算出軸的輸出功率，因此，利用該傳感器可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速及軸功率的多參數(shù)輸出。本測(cè)量?jī)x還可完成轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、軸輸出功率的測(cè)量及報(bào)警值設(shè)定，測(cè)量周期設(shè)定及傳感器調(diào)零設(shè)定，同時(shí)還可將測(cè)試數(shù)據(jù)通過(guò)RS232口傳送到上位計(jì)算機(jī)，以實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的處理、分析和對(duì)比。

　　1 轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測(cè)量原理

　　用JN338數(shù)字轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器對(duì)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行測(cè)量，可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩信號(hào)的傳遞，而與旋轉(zhuǎn)無(wú)關(guān)，也與轉(zhuǎn)速大小和旋轉(zhuǎn)方向無(wú)關(guān)。該傳感器既可以測(cè)量靜態(tài)轉(zhuǎn)矩，又可以測(cè)量動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩，它無(wú)需反復(fù)調(diào)零即可連續(xù)測(cè)量正反轉(zhuǎn)矩，并可高速長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，而且檢測(cè)精度高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)。此外，傳感器的輸出信號(hào)以頻率量給出，也便于和微處理器、單片機(jī)進(jìn)行接口。

　　1.1 轉(zhuǎn)矩測(cè)量

　　JN338轉(zhuǎn)矩傳感器的檢測(cè)敏感組件是電阻應(yīng)變橋。該應(yīng)變橋可以通過(guò)應(yīng)變膠將專用的測(cè)扭應(yīng)變片粘貼在被測(cè)彈性軸上，從而組成應(yīng)變電橋，這樣，只要向應(yīng)變電橋提供電源，即可測(cè)得該彈性軸受扭的電信號(hào)，然后將該應(yīng)變信號(hào)放大，再經(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)變壓器承擔(dān)的，因此，可實(shí)現(xiàn)能源及信號(hào)的無(wú)接觸傳遞。該應(yīng)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制的彈性軸上粘貼專用的測(cè)扭應(yīng)變片并組成電橋，以形成基礎(chǔ)扭矩傳感器，然后在軸上再固定能源環(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。電路板上則包含整流穩(wěn)壓電源、儀表放大電路及V/F變換電路。在傳感器的外殼上固定著激磁電路、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。

　　該傳感器電路在工作時(shí)，通常由外部電源向傳感器提供±15V電源，激磁電路中的晶體振蕩器產(chǎn)生的400 Hz的方波，經(jīng)過(guò)TDA2003功率放大后，即可作為交流激磁功率電源，然后通過(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，將得到的交流電源通過(guò)軸上的整流、濾波電路處理后變成±5 V的直流電源。再將該電源作為運(yùn)算放大器AD822的工作電源，并由基準(zhǔn)電源AD589與雙運(yùn)放AD822組成的高精度穩(wěn)壓后，便可產(chǎn)生±4.5V的精密直流電源。該電源既可作為應(yīng)變電橋的電源，又可作為儀表放大器及V/F轉(zhuǎn)換器的工作電源。而當(dāng)彈性軸受扭時(shí)，應(yīng)變橋檢測(cè)到的mV級(jí)應(yīng)變信號(hào)通過(guò)儀表放大器AD620將其放大成1.5 V±1 V的強(qiáng)信號(hào)，再通過(guò)V/F轉(zhuǎn)換器LM33l變換成頻率信號(hào)。此信號(hào)可通過(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)處理電路進(jìn)行濾波、整形，即可得到與彈性軸承受的扭矩成正比的頻率信號(hào)輸出。

　　JN338轉(zhuǎn)矩傳感器信號(hào)輸出形式如下：

　　零轉(zhuǎn)矩：10 kHz±50 Hz;

　　正向旋轉(zhuǎn)滿量程：15 kHz±50 Hz;

　　反向旋轉(zhuǎn)滿量程：5 kHz±50 Hz;

　　信號(hào)幅值：0~8V;

　　負(fù)載電流：40mA。

　　1.2 轉(zhuǎn)速測(cè)量

　　轉(zhuǎn)矩傳感器在旋轉(zhuǎn)軸上安裝有60條齒縫的測(cè)速輪，同時(shí)在傳感器外殼上安裝有一只由發(fā)光二極管及光敏三極管組成的槽型光電開關(guān)架，測(cè)速輪的每一個(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，而當(dāng)光線通過(guò)齒縫射到光敏管的窗口時(shí)，光敏管則輸出一個(gè)低電平，這樣，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)恰好等于每分鐘的轉(zhuǎn)速值。

　　1.3 測(cè)量方法

　　為了完成轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速值的測(cè)量及顯示，本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)測(cè)頻法(M法)，即采用定時(shí)脈沖計(jì)數(shù)的方式來(lái)完成轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速的測(cè)量。將轉(zhuǎn)矩信號(hào)送單片機(jī)定時(shí)計(jì)數(shù)器T0，并將轉(zhuǎn)速信號(hào)送單片機(jī)定時(shí)計(jì)數(shù)器T1，以用于完成頻率信號(hào)的計(jì)數(shù)。然后在測(cè)量周期結(jié)束后，取出計(jì)數(shù)值。再由測(cè)量周期和T0、T1的計(jì)數(shù)值，并通過(guò)計(jì)算得出相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速值。

　　由于JN338輸出的轉(zhuǎn)矩頻率值一般在5～15kHz之間，因此，M法所固有的±l Hz計(jì)數(shù)器截?cái)嘟^對(duì)誤差可以忽略，關(guān)鍵是要保證測(cè)量定時(shí)周期T的精度。為提高T的精度，可采用外部擴(kuò)展硬件實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片的定時(shí)方法，來(lái)得到精確的定時(shí)測(cè)量周期T。此外，測(cè)量周期T的大小，也將影響測(cè)量精度，T值越大，轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速的測(cè)量精度就會(huì)越高，穩(wěn)定性越好，相應(yīng)的測(cè)量時(shí)間也會(huì)越長(zhǎng)。因此，本系統(tǒng)的測(cè)量周期T可根據(jù)測(cè)量需要由鍵盤輸入，取值范圍為200~2000 ms。

　　2 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

　　由于JN338的輸出為頻率量數(shù)字信號(hào)，故該傳感器可方便地與計(jì)算機(jī)或單片機(jī)接口。圖2給出了JN338與單片機(jī)AT89C52進(jìn)行接口構(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。基中AT89C52單片機(jī)是一種低功耗、高性能、CMOS型微處理器，其片內(nèi)含有8 kB的可反復(fù)擦寫只讀程序存儲(chǔ)器和256B的RAM。圖2中，JN338轉(zhuǎn)矩傳感器輸出的轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速信號(hào)經(jīng)光耦隔離后送入單片機(jī)的TO、T1計(jì)數(shù)器，然后由TO和Tl完成測(cè)頻計(jì)數(shù)功能，秒脈沖閘門由T2提供。其中光耦的作用，一是電平轉(zhuǎn)換，即把轉(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)的抗干擾能力和保護(hù)單片機(jī)。

　　由單片機(jī)完成相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速值的運(yùn)算后，即可將轉(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，由IMP813L構(gòu)成電源監(jiān)控及看門狗電路，此外，系統(tǒng)中還擴(kuò)展了一片I2C總線串行鐵電存儲(chǔ)器FM24256，它的主要作用是存儲(chǔ)參數(shù)設(shè)定值及采集的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速值。通過(guò)內(nèi)含GB2312中文漢字庫(kù)的圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊OCMJ4X8C可構(gòu)成中文人機(jī)顯示界面，ICL232的作用是將單片機(jī)的TTL電平轉(zhuǎn)換為RS一232電平，以便于和上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信。