轉(zhuǎn)矩傳感器JN388的性能特點及如何實現(xiàn)智能轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測量儀的設計

１、概述

轉(zhuǎn)矩傳感器產(chǎn)品在電動機、發(fā)動機、發(fā)電機、風機、攪拌機、卷揚機、鉆探機械等眾多的旋轉(zhuǎn)動力測試系統(tǒng)中及數(shù)控機械加工中心、自動機床等機電一體化設備中已獲得廣泛的應用。傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩傳感器產(chǎn)品通常采用電阻應變橋來檢測轉(zhuǎn)矩信號，并采用導電滑環(huán)來耦合電源輸入及應變信號輸出，由于導電滑環(huán)屬于磨擦接觸，因此不可避免地存在著磨損和發(fā)熱，這樣不但限制了旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速及導電滑環(huán)的使用壽命，同時由于接觸不可靠，也不可避免地會引起測量信號的波動及誤差的增加。因此，如何在旋轉(zhuǎn)軸上進行能源及信號的可靠耦合已成為轉(zhuǎn)矩傳感器最棘手的問題，而ＪＮ３３８數(shù)字式轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器則巧妙地解決了這個問題。

ＪＮ３３８是北京三晶創(chuàng)業(yè)集團公司的產(chǎn)品，該傳感器采用兩組特殊環(huán)形旋轉(zhuǎn)變壓器來實現(xiàn)能源的輸入及轉(zhuǎn)矩信號的輸出，從而解決了旋轉(zhuǎn)動力傳遞系統(tǒng)中能源及信號可靠地在旋轉(zhuǎn)部分與靜止部分之間的傳遞問題。該傳感器還可同時實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速的測量，從而可方便地計算出軸輸出功率，因此，利用該傳感器可實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速及軸功率的多參數(shù)輸出。

２、主要特性及參數(shù)

2.1 ＪＮ３３８的主要特性

ＪＮ３３８的主要特性如下：

●檢測手段為應變電測技術；

●測量精度高信號檢出、處理均用數(shù)字技術；

●抗干擾能力強，無需調(diào)零即可工作；

●可靠性高、信噪比高，工作壽命長；

●既可以測量靜止扭矩，也可測量旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩；

●能夠測量穩(wěn)態(tài)扭矩，也能測量過渡過程的動態(tài)轉(zhuǎn)矩；

●無需反復調(diào)零即可連續(xù)測量正反轉(zhuǎn)矩；

●無集流環(huán)、電刷等磨損件，可高速超長運行；

●轉(zhuǎn)矩信號的傳遞與是否旋轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)速大小及旋轉(zhuǎn)方向無關；

●測量彈性體強度大，可承受１５０％過載；

●體積小，重量輕，安裝方便，有套裝式、卡裝式、聯(lián)軸式等多種安裝方式；

●輸出信號以頻率形式給出，便于和計算機進行接口。

2.2 傳感器的主要技術參數(shù)

傳感器的主要技術參數(shù)如表１所列，表２所列是該傳感器產(chǎn)品的規(guī)格參數(shù)。

表1 JN338傳感器主要技術參數(shù)

表2 傳感器產(chǎn)品規(guī)格參考

2.3 插座引腳及功能

ＪＮ３３８轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器采用一只５腳的航空插座做電源輸入及轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速信號輸出，插座外形及引腳排列如圖１所示。各引腳功能說明如下：

１腳：接地端；

２腳：＋１５Ｖ電源端；

３腳：－１５Ｖ電源端；

４腳：轉(zhuǎn)速信號輸出端；

５腳：轉(zhuǎn)矩信號輸出端。

３、工作原理

３.1 轉(zhuǎn)矩測量原理

該轉(zhuǎn)矩傳感器的檢測敏感元件是電阻應變橋。將專用的測扭應變片用應變膠粘貼在被測彈性軸上以組成應變電橋，只要向應變電橋提供電源即可測得該彈性軸受扭的電信號，然后將該應變信號放大，再經(jīng)過壓／頻轉(zhuǎn)換變成與扭應變成正比的頻率信號。傳感器的能源輸入及信號輸出是由兩組帶間隙的特殊環(huán)形旋轉(zhuǎn)變壓器承擔的，因此可實現(xiàn)能源及信號的無接觸傳遞。該應變傳感器測量原理如圖２所示。

在一段特制的彈性軸上粘貼專用的測扭應變片并組成電橋，以形成基礎扭矩傳感器，然后在軸上再固定能源環(huán)形旋轉(zhuǎn)變壓器的次級線圈、軸上印刷電路板和信號環(huán)旋轉(zhuǎn)變壓器的初級線圈。電路板上包含整流穩(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)變壓器的初級線圈、信號環(huán)形變壓器的次級線圈及信號處理電路。

傳感器電路部分在工作時，由外部電源向傳感器提供%26;#177;１５Ｖ電源，激磁電路中的晶體振蕩器產(chǎn)生４００Ｈｚ的方波，經(jīng)過ＴＤＡ２００３功率放大即產(chǎn)生交流激磁功率電源，通過能源環(huán)形旋轉(zhuǎn)變壓器從靜止的初級線圈Ｔ１傳遞至旋轉(zhuǎn)的次級線圈Ｔ２，然后將得到的交流電源通過軸上的整流、濾波電路處理后變成%26;#177;５Ｖ的直流電源。再將該電源作為運算放大器ＡＤ８２２的工作電源，并由基準電源ＡＤ５８９與雙運放ＡＤ８２２組成高精度穩(wěn)壓電源，以產(chǎn)生%26;#177;４．５Ｖ的精密直流電源，該電源既可作為應變電橋電源，又可作為儀表放大器及Ｖ／Ｆ轉(zhuǎn)換器的工作電源。當彈性軸受扭時，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%26;#177;１Ｖ的強信號，再通過Ｖ／Ｆ轉(zhuǎn)換器ＬＭ３３１變換成頻率信號，此信號通過信號環(huán)形旋轉(zhuǎn)變壓器，從旋轉(zhuǎn)軸傳遞至靜止的次級線圈，再經(jīng)過傳感器外殼上的信號處理電路濾波、整形即可得到與彈性軸承受的扭矩成正比的頻率信號輸出。

３.2 轉(zhuǎn)速測量原理

轉(zhuǎn)矩傳感器在旋轉(zhuǎn)軸上安裝著６０條齒縫的測速輪，在傳感器外殼上安裝的一只由發(fā)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(fā)光二極管的光線遮擋住時，光敏三極管就輸出一個高電平，當光線通過齒縫射到光敏管的窗口時，光敏管就輸出一個低電平，旋轉(zhuǎn)軸每轉(zhuǎn)一圈就可得到６０個脈沖，因此，每秒鐘檢測到的脈沖數(shù)恰好等于每分鐘的轉(zhuǎn)速值。

３.3 軸輸出功率

軸輸出功率可由轉(zhuǎn)矩傳感器輸出的轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速值經(jīng)運算后得到，計算公式為：

ｐ＝ＭＮ／９５５０

式中，Ｐ為軸輸出功率（ｋＷ）；Ｍ為轉(zhuǎn)矩（Ｎ．Ｍ）； Ｎ為轉(zhuǎn)速（ｒ／ｍｉｎ）。

３.4 轉(zhuǎn)矩傳感器信號輸出

ＪＮ３３８轉(zhuǎn)矩傳感器信號輸出形式如下：

●零轉(zhuǎn)矩：１０ｋＨｚ%26;#177;５０Ｈｚ；

●正向旋轉(zhuǎn)滿量程：１５ｋＨｚ%26;#177;５０Ｈｚ；

●反向旋轉(zhuǎn)滿量程：５ｋＨｚ%26;#177;５０Ｈｚ；

●信號幅值：０～８Ｖ；負載電流：４０ｍＡ。

在有效的量程范圍內(nèi)，傳感器的轉(zhuǎn)矩頻率輸出與對應的轉(zhuǎn)矩值基本上成線性關系，實際應用中，如果測量準確度要求不超過標稱值，一般不需要通過逐段參數(shù)標定來完成計算。

●轉(zhuǎn)矩輸出 下面給出轉(zhuǎn)矩測量計算公式：

正向轉(zhuǎn)矩輸出值為：Ｍｐ＝Ｎ（ｆ－ｆ０）／（ｆｐ－ｆ０）

反向轉(zhuǎn)矩輸出值為：Ｍｒ＝Ｎ（ｆ０－ｆ）／（ｆ０－ｆｒ）

上兩式中：Ｍｐ：正向轉(zhuǎn)矩；Ｍｒ：反向轉(zhuǎn)矩；Ｎ：轉(zhuǎn)矩滿量程；ｆｐ：正向滿量程輸出頻率值（ｋＨｚ）；ｆｒ：反向滿量程輸出頻率值（ｋＨｚ）；ｆ：實測轉(zhuǎn)矩輸出頻率值。

●轉(zhuǎn)速輸出 該裝置的轉(zhuǎn)速輸出值為：

Ｎ＝６０ｆ／ｚ 式中，Ｎ為轉(zhuǎn)速（ｒ／ｍｉｎ）；ｆ為實測轉(zhuǎn)速輸出頻率值（ｋＨｚ）；Ｚ為傳感器測速齒數(shù)，這里Ｚ?。叮啊?/p>

轉(zhuǎn)矩值與輸出頻率值的對應曲線如圖３所示。

４、具體應用

４.1 應用電路設計

由于ＪＮ３３８的輸出為頻率量的數(shù)字信號，故該傳感器可方便地與計算機或單片機接口。與計算機進行接口需擴展一塊基于ＩＳＡ總線或ＰＣＩ總線的多通道定時／計數(shù)器板卡，如“中泰” 光隔定時計數(shù)器板卡ＰＣ－６５０３、ＰＣ－６５０８等。圖４給出了與單片機接口構(gòu)成的智能轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測量儀的硬件電路結(jié)構(gòu)框圖。

圖中，ＪＮ３３８轉(zhuǎn)矩傳感器輸出的轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速信號經(jīng)光耦隔離后送入單片機的Ｔ０、Ｔ１計數(shù)器，然后由Ｔ０和Ｔ１完成測頻計數(shù)功能，秒脈沖閘門由Ｔ２提供。這其中光耦的作用，一是電平轉(zhuǎn)換，把轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速信號電平轉(zhuǎn)換成ＴＴＬ電平，二是提高單片機的抗干擾能力并保護單片機。

由單片機完成相應的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速值的運算后，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單片機為核心由ＩＭＰ８１３Ｌ構(gòu)成電源監(jiān)控及看門狗電路以提高系統(tǒng)工作的可靠性，系統(tǒng)中擴展了一片Ｉ２Ｃ總線串行鐵電存儲器ＦＭ２４２５６，它的主要作用是存儲參數(shù)設定值及采集的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速值。內(nèi)含ＧＢ２３１２中文漢字庫的圖形點陣液晶顯示模塊ＯＣＭＪ４Ｘ８Ｃ可用于構(gòu)成中文人機顯示界面，ＩＣＬ２３２的作用是將單片機的ＴＴＬ電平轉(zhuǎn)換為ＲＳ－２３２電平，以便于和上位計算機進行通信。

４.2 安裝使用注意事項

安裝使用ＪＮ３３８傳感器時應注意以下幾點

（１）應使用兩組聯(lián)軸器將傳感器安裝在動力源和負載之間；

（２）建議使用撓性、彈性或方向聯(lián)軸器，以保證同心度小于０.１；

（３）動力及負載必須固定牢靠以避免振動；

（４）應將傳感器的基座與設備的基座固定牢靠，中心高度需調(diào)節(jié)合適，并應避免產(chǎn)生附加轉(zhuǎn)矩。

５、結(jié)束語

ＪＮ３３８數(shù)字式轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器是一種采用磁場耦合來傳遞能源及信號的新型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器，該傳感器取消了傳統(tǒng)轉(zhuǎn)矩傳感器滑環(huán)結(jié)構(gòu)并采用數(shù)字式輸出，因而具有體積小、重量輕、安裝簡單方便、微機化測量接口簡單方便等特點，是一種具有廣泛發(fā)展前景的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器。

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