采用JN338數字轉矩（jǔ）轉速傳感器對轉矩轉速的測量

　　電動機及（jí）機（jī）械（xiè）動力裝置旋轉軸的轉矩（jǔ）一轉速特性是電動機及機械動力裝置（zhì）的（de）一項（xiàng）重要參數，轉矩（jǔ）轉速特（tè）性曲線的形狀及曲線中的起動轉矩、最小轉矩、最大轉（zhuǎn）矩等參數，往往是衡量一台電動機或機械動力（lì）裝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（xié）式的轉矩（jǔ）轉速測量儀器，具有非常現實的意義。

　　傳統的旋轉（zhuǎn）動力係統轉矩測試，通常是采用（yòng）電阻應變橋來檢測轉矩信號並借助於導電滑環來實（shí）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（cè）軸在高速旋轉時（shí）會產生顫振，使接觸點處的接觸電阻發生變（biàn）化，從而使測量誤差增大。此（cǐ）外，導電滑環屬於摩擦接（jiē）觸，也不可避免地存在磨損及發熱，因而（ér）限製了旋（xuán）轉軸的轉速及導電滑環的使用壽命。

　　為了更好地測（cè）量電（diàn）機的輸出轉矩和轉速，控製和調整（zhěng）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（liàng），並以數字（zì）量的形式送入以AT89C52單片機為核心構成的測試（shì）係統。由於JN338傳感器采用兩組帶間隙的特殊環形（xíng）旋轉（zhuǎn）變壓器來承擔應變橋（qiáo）能源輸入及信號輸出任務，從而實現能源及信號的無接觸傳遞（dì），因此（cǐ）提高了轉矩（jǔ）測量的精（jīng）度及可靠性。此外，該傳感器還可同時實現（xiàn）旋轉軸轉速的測量，並（bìng）方便地計（jì）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（shù）輸出。本測（cè）量儀還可完成轉矩、轉速、軸輸出功率的測量及報警值設定，測量周期設定（dìng）及傳感器調零設定（dìng），同時還可將測試數據通過（guò）RS232口傳送到上位計算機，以實現測量數據的處（chù）理、分析和（hé）對比。

　　1 轉矩轉（zhuǎn）速測量原理

　　用（yòng）JN338數字轉矩轉速傳（chuán）感器對轉（zhuǎn）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（chuán）感器既可（kě）以測（cè）量靜態轉矩，又可以（yǐ）測量動態轉矩，它無需反複調零即可連續（xù）測量正反轉（zhuǎn）矩，並可高速長時間運行，而且檢測精度（dù）高、穩定性好、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（yú）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（cè）敏感組件是電阻（zǔ）應（yīng）變橋。該應變橋可以通過應變膠將專（zhuān）用的測扭應變片（piàn）粘貼在被測彈性軸（zhóu）上，從而組成應變電（diàn）橋，這樣，隻要向應變電橋（qiáo）提供電源，即可測（cè）得該彈性軸受扭的電（diàn）信號，然後（hòu）將該應（yīng）變信（xìn）號放大，再經（jīng）過（guò）壓/頻轉換（huàn）變成與扭應變成正（zhèng）比的頻率信號。傳感器的能源輸入及信號輸出是由兩組帶間隙的特殊環形旋轉變壓器承擔（dān）的，因此，可實現能源及信號的無接觸傳遞。該（gāi）應變（biàn）傳感（gǎn）器的測量原理如（rú）圖1所示。

　　由圖1可見，該（gāi）傳感器（qì）是在一段特製的彈性軸上粘貼（tiē）專（zhuān）用的測扭應變片並組成電橋（qiáo），以（yǐ）形成基礎扭矩傳感器，然後（hòu）在軸上（shàng）再固（gù）定能源環形（xíng）旋轉變壓器的次級線圈、軸上印刷電路板（bǎn）和信號環（huán）旋轉變壓器的初級線圈。電路板上則（zé）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（lù）、能源（yuán）環形旋轉變（biàn）壓器的（de）初級線圈、信號（hào）環形變壓器的次級線（xiàn）圈及信號處理電路。

　　該傳感器電路在工作（zuò）時，通常由外部電源向傳感器提供±15V電（diàn）源，激磁電路中的晶體振蕩（dàng）器產（chǎn）生的（de）400 Hz的方波，經過TDA2003功率放大後，即可（kě）作為交流激磁功率電源（yuán），然後通過能（néng）源環形旋轉變壓器從靜止的初（chū）級線（xiàn）圈T1傳（chuán）遞（dì）至旋轉的次級（jí）線圈T2，將得到的交流電源通過軸上的整流、濾波電（diàn）路處理後變成±5 V的直流電源。再將該電源作為（wéi）運（yùn）算放大（dà）器AD822的工作電源，並由基準電源AD589與雙運放AD822組成的高精度（dù）穩壓後，便可產生±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（yòu）可作為儀表放（fàng）大器及V/F轉（zhuǎn）換器的工作電源。而當彈（dàn）性軸受扭時，應變橋檢測到的mV級應變信號通過儀表放大器AD620將其放大成1.5 V±1 V的強信號，再通過V/F轉換器LM33l變換成頻率信號。此信號可通過信號環形旋轉變壓器，從旋轉軸傳遞至（zhì）靜止的次級線圈，再經過傳感器外殼上的信號處（chù）理電路（lù）進行濾波、整形，即可得到與彈（dàn）性軸承受的扭矩成正比的頻率信號（hào）輸出。

　　JN338轉矩傳感器信號輸出（chū）形式如（rú）下：

　　零（líng）轉矩：10 kHz±50 Hz;

　　正向旋轉滿量程：15 kHz±50 Hz;

　　反向旋轉滿量程：5 kHz±50 Hz;

　　信號幅（fú）值：0~8V;

　　負載電（diàn）流：40mA。

　　1.2 轉速測量

　　轉矩傳感器在旋轉軸上安裝有（yǒu）60條齒縫的測速輪，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（chǐ）將發光（guāng）二極管的光線遮擋住時，光敏三極管就（jiù）輸出一個（gè）高電平，而當（dāng）光線通過齒（chǐ）縫射到光敏管的窗口時，光敏管則輸出一（yī）個低電平，這樣，旋（xuán）轉軸（zhóu）每轉一圈就可得到60個脈（mò）衝。因此，每（měi）秒鍾檢測到的（de）脈衝數恰（qià）好等於每分（fèn）鍾的轉速值。

　　1.3 測量方法

　　為了完成轉（zhuǎn）矩及轉速值（zhí）的（de）測量及顯示，本設計采用單片機測頻法(M法)，即采用（yòng）定時脈衝計數的方式來完成轉矩轉速（sù）的測（cè）量。將轉矩信號送單片（piàn）機定時計數（shù）器（qì）T0，並將（jiāng）轉速信號送單片機定時計數器T1，以用於完成頻率信號的計數。然（rán）後在（zài）測量周期結束（shù）後，取出計數（shù）值。再由測量周（zhōu）期和T0、T1的計數（shù）值，並（bìng）通過（guò）計算得出相應的（de）轉矩轉速值。

　　由於（yú）JN338輸出的轉矩頻率（lǜ）值一（yī）般在5～15kHz之間，因此（cǐ），M法所固有的±l Hz計（jì）數器截斷絕對誤差可以忽略，關鍵是要保證測量定時（shí）周期T的精度。為提（tí）高T的精度（dù），可采用外部擴（kuò）展硬件實時時鍾（zhōng）芯片的定時方法，來（lái）得到精確的定時測量周期T。此外，測量周期T的大小，也將影響測量精度，T值越大，轉矩（jǔ）轉速的測量精度就會越高（gāo），穩定性越好，相應的測量時間也會越長。因此，本係統（tǒng）的（de）測（cè）量周期T可根據測量需要由鍵盤輸入，取值範（fàn）圍為200~2000 ms。

　　2 係統硬件構成

　　由於JN338的輸出為頻率量數字信號，故該傳（chuán）感器可方便地與計算（suàn）機或（huò）單片機接口（kǒu）。圖2給出了（le）JN338與單片機AT89C52進行接口構成的智能轉矩（jǔ）轉速（sù）測量儀的硬件電路結構框圖。基中AT89C52單片（piàn）機是一（yī）種低功耗、高性能（néng）、CMOS型微處理器，其片內含有8 kB的可反複擦寫隻（zhī）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（sòng）入單片機的TO、T1計數器，然後由TO和（hé）Tl完成測（cè）頻計數功能，秒脈衝閘門（mén）由T2提供（gòng）。其中光耦的作用，一是電平轉換，即把轉矩轉速信號電平轉換成（chéng）TTL電平，二是提高（gāo）單片機的抗幹擾能力和保護單片機。

　　由單片機完成相應的轉（zhuǎn）矩轉（zhuǎn）速值的運算後，即可將轉（zhuǎn）矩、轉速及軸功率等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）源監控及看門狗電路，此外，係統中還擴展了一片（piàn）I2C總線串行（háng）鐵電存儲器（qì）FM24256，它的主要作用是存儲參（cān）數設定值及（jí）采集的轉矩轉速（sù）值。通過內含GB2312中文漢字庫的圖形（xíng）點陣液晶顯示模塊OCMJ4X8C可構成中文人機顯示界麵，ICL232的作用是將單（dān）片機的TTL電平轉（zhuǎn）換為RS一232電平，以便（biàn）於和上位計算機進行通信。