采用（yòng）JN338數字轉矩轉速傳感器對轉（zhuǎn）矩轉速的測量

　　電（diàn）動機及機械動力裝置旋轉軸的轉（zhuǎn）矩一轉速特性是電動機及機（jī）械動力裝置的一項重要參數，轉矩轉速特性（xìng）曲線的（de）形狀及曲線中的起動轉矩、最小轉矩、最大轉矩（jǔ）等參數，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（dòng）和穩定運行的重要指標，因此，研製一（yī）種數字式（shì）、高精度、便（biàn）攜式的轉矩（jǔ）轉速測量儀器，具有非（fēi）常現實的意義。

　　傳統的旋轉動力係統（tǒng）轉矩測試，通常是采（cǎi）用電阻應變橋來檢測轉矩信號並借（jiè）助於導電滑環來（lái）實現電阻（zǔ）應（yīng）變橋能源的輸入及應變信號的輸出，但是（shì），由於被測軸在高速旋轉時會產生（shēng）顫振，使接觸點處的接觸電阻發生變化，從（cóng）而使測量誤差（chà）增大。此外，導（dǎo）電滑（huá）環屬於摩擦接觸，也不可避免地存在磨損及發熱（rè），因而限製了旋轉軸的轉速及導電滑環的（de）使用壽命（mìng）。

　　為了更好（hǎo）地測（cè）量電機的輸出轉矩和（hé）轉速，控製和調整電機，本文選用JN338數字式（shì）轉矩轉速傳感器來進行轉（zhuǎn）矩的（de）測（cè）量，並以（yǐ）數字量的形式（shì）送入（rù）以AT89C52單片機為核（hé）心構成的測試係統（tǒng）。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變橋能源輸入及信號輸出任務，從而實現能源及信號（hào）的無接（jiē）觸傳遞，因此（cǐ）提高了轉矩（jǔ）測（cè）量的精度及可靠性。此外，該傳感器還可同時實現旋轉軸轉速的測量，並方便地計算出軸的輸出功率，因（yīn）此（cǐ），利（lì）用（yòng）該傳感器可實（shí）現轉矩、轉速及軸（zhóu）功率的（de）多參數輸出。本測量（liàng）儀還（hái）可完成轉矩、轉速、軸輸（shū）出（chū）功率的測量及報警值設定，測量周期設定及傳感器調零設定（dìng），同時還可將測試數據通過RS232口傳送到上位計算機，以實現測量數據（jù）的處理（lǐ）、分析和對比（bǐ）。

　　1 轉（zhuǎn）矩轉速測量原理

　　用JN338數字轉矩轉速傳感器對轉矩進行測量，可實現轉矩信（xìn）號的傳遞（dì），而與旋轉（zhuǎn）無關（guān），也與轉速（sù）大小和旋轉方向無關。該傳感器既可以測量靜態轉矩，又可以測量動態轉矩，它無需（xū）反複調零即可連（lián）續測（cè）量正反轉矩，並可高速長時間（jiān）運行（háng），而且檢測精度高、穩定（dìng）性好、抗幹擾能力強。此外，傳感器的輸出信號以頻率量給出，也便於和微處理器、單片機進行接口。

　　1.1 轉矩（jǔ）測（cè）量

　　JN338轉（zhuǎn）矩傳感器的檢測敏感組件是電（diàn）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（tiē）在被測彈性軸上，從（cóng）而組成（chéng）應變電橋（qiáo），這樣，隻（zhī）要向應變電橋提供電源（yuán），即（jí）可測得該彈性軸受扭的電（diàn）信號，然後將該應變信號（hào）放大（dà），再經過壓/頻轉換變成與扭應（yīng）變成正比的頻率信（xìn）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器承（chéng）擔的，因此，可實現能源及信號的無接觸傳遞。該應變傳感器的測量原理如圖1所示。

　　由圖1可見，該傳感器是在（zài）一段特（tè）製（zhì）的彈性（xìng）軸上粘貼（tiē）專用的測扭應變片並（bìng）組成電橋，以形成基礎扭矩傳感器，然後在軸上再固定能源（yuán）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。電路板上則包含整流穩壓電源、儀表放大電路及V/F變換電路。在傳感器的外殼上固定（dìng）著激磁電路、能源環形旋轉變壓器的（de）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。

　　該傳感器電路在工（gōng）作時，通常由（yóu）外部（bù）電源向（xiàng）傳感器提供±15V電源，激磁電路（lù）中的晶體振蕩器（qì）產生的400 Hz的方（fāng）波，經過TDA2003功率放大後，即可作為交流激磁功（gōng）率電源，然後通過能源環形旋轉變壓（yā）器從靜止的初級線圈T1傳遞至旋轉的（de）次級線圈T2，將得到的交流電源通過軸（zhóu）上的整流、濾波電（diàn）路處理後變成（chéng）±5 V的直流電源。再將該電源作為運算放大器AD822的工作電源，並由基準電源AD589與雙運放AD822組成（chéng）的高精度穩壓後，便可產生±4.5V的精密直流電源。該電源既可（kě）作為應變電橋（qiáo）的電源（yuán），又可作為（wéi）儀表放大（dà）器及V/F轉換器的工作（zuò）電（diàn）源。而當彈性軸受扭時，應變橋檢測（cè）到的mV級應變信（xìn）號通過儀表放大器AD620將其放大成1.5 V±1 V的強信號，再通過V/F轉換（huàn）器LM33l變換成頻率信號。此（cǐ）信號可通過信號環形旋轉變壓器（qì），從旋轉軸（zhóu）傳遞至靜止的次級線圈，再經過傳感（gǎn）器外殼上的信號處（chù）理電路進行濾波、整形，即可（kě）得到（dào）與彈性軸承受的（de）扭矩成正比的頻率信號輸出。

　　JN338轉矩傳感器信號輸出形式如下：

　　零轉矩：10 kHz±50 Hz;

　　正向旋轉滿量程：15 kHz±50 Hz;

　　反向旋轉滿量（liàng）程：5 kHz±50 Hz;

　　信號（hào）幅值（zhí）：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（tiáo）齒縫的測（cè）速輪，同時在（zài）傳感器外殼上安裝有一（yī）隻由（yóu）發光二極管及光敏三極管組成的槽型光電開關架，測速輪的每一個齒將發光二極管的光線遮擋（dǎng）住（zhù）時，光敏三極管就輸出一（yī）個高電（diàn）平，而（ér）當光線通過齒縫射到光（guāng）敏管的窗口時，光敏管（guǎn）則輸（shū）出一個（gè）低電平，這樣，旋轉軸每轉一圈就可得到60個（gè）脈衝。因此，每秒鍾檢（jiǎn）測到的（de）脈衝數恰好等於每分（fèn）鍾的轉速值。

　　1.3 測（cè）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（piàn）機測頻法(M法)，即采用定時脈衝計數（shù）的方式來完成轉矩轉速的測量。將轉矩信號（hào）送單片機定（dìng）時計數器T0，並將轉速信號送單（dān）片機定時計數器T1，以用於完成頻率信號的計數。然後在測量（liàng）周期結束後，取出計數值。再由測量周（zhōu）期和T0、T1的計數值（zhí），並通過計算得出相應的轉矩轉速值。

　　由於JN338輸出的轉（zhuǎn）矩頻率（lǜ）值一般在5～15kHz之間，因此，M法所固有的±l Hz計數器截斷絕對誤（wù）差可以忽略，關鍵是（shì）要保證（zhèng）測量定時周期T的精度。為提高T的精（jīng）度，可采（cǎi）用外部擴展硬件實時時鍾芯片的定時方法，來得到精確的定（dìng）時測量周期T。此外，測（cè）量周（zhōu）期T的大小，也將影響測量精度，T值越大，轉矩轉速的測量（liàng）精（jīng）度就會（huì）越高，穩定性越好，相應（yīng）的測量時間也會越長。因此，本係統的測（cè）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 係統硬件構成

　　由於JN338的（de）輸出為頻率量數字信號，故該傳感器可方便地與計算機（jī）或單（dān）片機（jī）接口（kǒu）。圖2給出了JN338與（yǔ）單片機AT89C52進行接口構成的智能轉矩轉速測量（liàng）儀（yí）的硬件電路結構框圖。基（jī）中AT89C52單（dān）片機是一種低功耗、高性能、CMOS型（xíng）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（shū）出的轉矩及轉速信號經光（guāng）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，秒脈衝閘門由T2提供。其中光耦的作用，一是電平轉換，即把轉（zhuǎn）矩轉（zhuǎn）速（sù）信（xìn）號電平轉換成TTL電平，二是提高單片機的抗幹擾能（néng）力和（hé）保護單（dān）片機（jī）。

　　由單片機完成相應的（de）轉矩轉速值的運算後，即可將轉矩、轉速（sù）及軸功率（lǜ）等參數保存並（bìng）顯示輸出。本係統以AT89C52單片機為核心，由（yóu）IMP813L構成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FM24256，它的主（zhǔ）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（tú）形點陣液晶顯示模塊OCMJ4X8C可（kě）構（gòu）成中文人機顯示界（jiè）麵（miàn），ICL232的作用（yòng）是將單（dān）片機的TTL電平轉換為RS一232電平，以便於和上位計算機進（jìn）行通信。