数字式转矩转速传感器及其在旋转动力装置测试中的应用

摘 要：本文介绍了JN338数字式转矩转速传感器，该传感器使用了两组带间隙特殊环形旋转变压器，实现了能源及信号的非接触传递，其信号输出为数字量，便于和微机接口。文中对传感器的工作原理及特性予以了详细介绍，并给出了在旋转动力装置机械参数测试中的一个典型应用示例。

关键词：数字式；转矩转速传感器；单片机

一、前言

转矩传感器被广泛应用于电动机、内燃机、风机、水泵、搅拌机、 卷扬机、钻探机械等众多的旋转动力系统中，此外，在近年来兴起的数控机械加工中心及自动机床等机电一体化设备中也获得了广泛的应用。传统的转矩传感器通常采用电阻应变桥来检测转矩信号，并采用导电滑环来耦合桥压输入及应变信号输出，但由于导电滑环属于磨擦接触，因此不可避免的存在着磨损并发热，因而限制了旋转轴的转速及导电滑环的使用寿命，同时由于接触不可靠还能引起测量信号波动误差增加。

JN338转矩转速传感器采用了两组特殊环形旋转变压器以实现电源的输入及转矩信号的输出，从而解决了旋转动力传递系统中,能源及信号如何可靠地在旋转部分与静止部分之间传递的问题，该传感器同时还可实现旋转轴转速的测量，从而可方便的根据转矩、转速测量值计算出轴输出功率。

二、JN388转矩转速传感器的主要特性

1、传感器的主要特性

⑴以应变电测技术为检测手段；

⑵测量精度高，信号检出、处理均采用数字技术，抗干扰能力强，无需调零即可工作，可靠性高,信噪比高，工作寿命长；

⑶既可以测量静止扭矩，也可测量旋转转矩；

⑷既可测量稳态扭矩，也可测量过渡过程动态转矩；

⑸无需反复调零即可连续测量正反转矩；

⑹无集流环，电刷等磨损件，可以高速长时间运行；

⑺转矩信号的传递与是否旋转无关，与转速大小无关，与旋转方向无关；

⑻测量弹性体强度大，可承受150%过载；

⑼体积小、重量轻、安装方便，有套装式，卡装式，联轴式等多种安装方式；

⑽ 传感器输出信号以频率量方式给出，便于和计算机接口。

2、传感器的主要技术参数及规格参数

JN338转矩传感器的主要技术参数和产品规格参数分别见表1和表2。

表1 JN338转矩传感器主要技术参数

表2 JN338转矩传感器产品规格参数

三、JN338转矩转速传感器的结构及测量原理

1、结构

该转矩传感器的检测敏感元件是电阻应变桥—将专用的测扭应变片用应变胶粘贴在被测弹性轴上即可组成应变电桥，向应变电桥提供电源即可测得该弹性轴受扭的电信号。将该应变信号放大后，经过压/频转换，变成与扭应变成正比的频率信号。传感器的能源输入及信号输出是由两组带间隙的特殊环形旋转变压器所承担的，因此实现了能源及信号的无接触传递功能。

JN338转矩传感器测量流程如图1所示。在一段特制的弹性轴上粘贴专用的测扭应变片并组成电桥，即为基础扭矩传感器。在轴上固定着能源环形旋转变压器的次级线圈，轴上印刷电路板和信号环旋转变压器的初级线圈。电路板上包含整流稳压电源，仪表放大电路及V/F变换电路。在传感器外壳上固定激磁电路，能源环形旋转变压器的初级线圈，信号环形变压器的次级线圈及信号处理电路。

2、转矩测量原理

转矩传感器电路部分的工作原理如下：

由外部电源向传感器提供±15V电源电压，同时，激磁电路中的晶体振荡器产生400Hz的方波信号，经过TDA2003功率放大即产生交流激磁功率电源电压，其通过能源环形旋转变压器从静止的初级线圈T1传递至旋转的次级线圈T2，得到的交流电源电压通过轴上的整流、滤波电路变为±5V的直流电源电压。该电源电压作为运算放大器AD822的工作电源电压，由基准电源AD589与双运放AD822组成高精度稳压电源，可产生±4.5V的精密直流电源电压，该电源既作为应变电桥电源，又作为仪表放大器及V/F转换器的工作电源。当弹性轴受扭时，应变桥检测到的mV级的应变信号通过仪表放大器AD620放大成1.5 V±1V的强信号，再通过V/F转换器LM331变换成频率信号，此信号通过信号环形旋转变压器，从旋转轴传递至静止的次级线圈，再经过传感器外壳上的信号处理电路滤波、整形后即可得到与弹性轴承受的扭矩成正比的频率信号输出。

3、转速测量原理

JN338转矩传感器在旋转轴上安装着有60条 齿缝的测速轮，在传感器外壳上安装一只由发光二极管及光敏三极管组成的槽型光电开关架。当测速轮的一个齿将发光二极管的光线遮挡住时，光敏三极管就输出一个高电平，当光线通过齿缝射到光敏管的窗口时光敏管就输出一个低电平，旋转轴每转一圈就可得到60个脉冲，因此，每秒钟检测到的脉冲数恰好等于每分钟转速值。

4、轴输出功率

轴输出功率可由转矩传感器输出的转矩及转速值经运算后得到，计算公式为：

式中：P—轴输出功率（KW）

M—转矩值（N.M）

N—转速值（r/min）

5、转矩传感器的信号输出

JN338转矩传感器信号输出形式如下：

⑴零转矩：10KHz±50Hz

⑵正向旋转满量程：15KHz±50Hz

⑶反向旋转满量程：5KHz±50Hz

⑷信号幅值：0-8V；负载电流：40mA

在有效的量程范围内，传感器的转矩输出频率与对应转矩值基本上成线性关系，实际应用中，如果测量准确度要求不超过标称值，不需要通过逐段参数标定来完成计算。

下面给出转矩测量计算公式。

正向转矩输出值为：
反向转矩输出值为：
上两式中：Mp—正向转矩值

Mr—反向转矩值

N—转矩满量程

fp—正向满量程输出频率值（kHz）

fr—反向满量程输出频率值（kHz）

f—实测转矩输出频率值

转速输出值为：N=60f/z

式中：N—转速值（r/min）

f—频率值（kHz）

z—传感器测速齿数

转矩值与输出频率值的对应曲线如图2所示。

四、具体应用

转矩传感器被广泛应用于旋转动力机械装置中，以完成转矩、转速、轴输出功率及效率等机械参数的测量。下面给出基于JN338的全数字式转矩转速测量仪设计方案，该测量仪可应用于旋转动力机械参数的测试。

1、应用电路设计

由于JN338输出为频率量的数字信号，故该传感器可方便的与计算机或单片机接口构成转矩转速测量仪。与计算机进行接口需扩展一块基于ISA总线或PCI总线的多通道定时/计数器板卡，如“中泰”光隔定时计数器板卡PC-6503、PC-6508等。下面给出与单片机接口构成的智能转矩转速测量仪的硬件电路结构框图（图3）。

仪器工作原理简述如下：

JN338转矩传感器输出的转矩及转速信号经光耦隔离后（光耦的作用，一是电平转换，把转矩转速信号电平转换成TTL电平，二是提高单片机的抗干扰能力及保护单片机），分别送给单片机的T0、T1定时/计数器，由T0和T1完成测频计数功能，秒脉冲闸门则由定时/计数器T2提供。

由单片机完成相应的转矩、转速值的运算后，将转矩、转速及轴功率等参数保存并显示输出。本系统以AT89C52单片机为核心,扩展了一片IMP813L芯片构成电源监控及看门狗电路以提高系统工作可靠性，扩展了一片I2C总线串行铁电存储器FM24256用于存储参数设定值及采集的转矩转速值。扩展了内含GB2312中文汉字库的图形点阵液晶显示模块构成中文人机显示界面，扩展了一片ICL232芯片用于将单片机的TTL电平转换为RS-232电平，以便于和上位计算机通信。

2、 2、 使用注意事项

⑴使用两组联轴器将传感器安装在动力源和负载之间；

⑵建议使用挠性、弹性或方向联轴器以保证同心度小于0.1?L；

⑶动力及负载必须固定可靠避免振动；

⑷将传感器的基座与设备的基座固定可靠，中心高度需调节合适，避免产生附加变矩；

⑸安装时切勿直接敲打、碰撞传感器。

五、结束语

JN338数字式转矩转速传感器是一种采用磁场耦合来传递能源及信号的新型转矩转速传感器，该传感器取消了传统转矩传感器的滑环结构并采用数字式输出，因而具有体积小、重量轻、安装方便，转矩转速测量接口简单的特点，因而是一种有着广泛发展前景的转矩转速传感器。