采用（yòng）JN338數字轉矩（jǔ）轉速傳感（gǎn）器對轉矩轉速的測量

　　電動機及機械動力裝置旋轉軸（zhóu）的轉矩一（yī）轉速特性（xìng）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，往往是衡量一台電動機或機（jī）械動（dòng）力裝置能否順利起動和（hé）穩定運行的重要指標（biāo），因此，研製一種數（shù）字式、高精度、便攜式的轉矩轉速測量儀器，具有非常現實的（de）意（yì）義。

　　傳統的旋轉動力係統轉矩測試（shì），通常是采用（yòng）電阻應（yīng）變橋來檢測轉矩信號並借助於導電滑環來實現電阻應變橋能源的輸入及應（yīng）變信號的輸出，但是（shì），由於被測軸在高（gāo）速旋（xuán）轉時會產生顫振，使（shǐ）接觸點處的接觸電阻發生變化，從而使測量誤差增大。此外，導電滑環屬（shǔ）於（yú）摩擦接觸，也不可避免（miǎn）地存在磨損及發熱，因而限（xiàn）製了旋轉軸的轉速及導電滑（huá）環的使用（yòng）壽命。

　　為了（le）更好地測量電機的輸（shū）出轉矩和轉速，控製（zhì）和調整電機，本文選用JN338數字式轉（zhuǎn）矩轉速傳感器來進行轉矩的測量，並以數字量的形式（shì）送入以AT89C52單片機為（wéi）核心構成的測試係統。由於JN338傳感器采用兩組帶間（jiān）隙的特殊環形旋轉變壓器來承擔應變橋（qiáo）能源（yuán）輸入及信號輸出任務，從而實現能源及信號的無接觸傳遞，因此提高了轉矩測量的精度及可靠性。此外，該傳感器還可同時實現旋轉軸轉速的測（cè）量，並方（fāng）便地計算（suàn）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（de）多參數輸出。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（cè）量（liàng）周期設定及傳感器調（diào）零設定，同時還可將測試數據通過RS232口傳送到上位計算機，以（yǐ）實現測量數據的處理、分析（xī）和對比。

　　1 轉矩轉速測量原理

　　用JN338數字轉矩轉速傳感器對轉矩進行測量，可實現轉矩（jǔ）信號的傳遞，而與旋轉無關，也與轉速大小和旋轉方向無關。該傳感器既可以測量靜（jìng）態轉矩，又可以測量（liàng）動態轉矩，它無（wú）需反複調零即可連續測（cè）量正（zhèng）反轉矩，並可高（gāo）速長時間運行，而且（qiě）檢測精度高、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（yě）便於和微處理器、單片機進行（háng）接口。

　　1.1 轉矩測量

　　JN338轉（zhuǎn）矩傳（chuán）感器的（de）檢（jiǎn）測敏感組件是電阻（zǔ）應變橋。該應變橋可以通過應變（biàn）膠將專（zhuān）用的測扭應變片粘貼在被測（cè）彈性軸上，從而（ér）組成應變電橋，這樣，隻要向應變電橋提供電源，即可測得該彈性軸受扭的電信號，然後將該應變信號放大，再經過壓/頻轉換（huàn）變成與扭應變成正比的頻率信號。傳感（gǎn）器的能源輸入及信號輸出是（shì）由兩（liǎng）組帶間隙的特殊環形旋轉變壓器承擔的，因（yīn）此，可（kě）實現能源（yuán）及信號（hào）的無接觸傳遞。該應變傳感器的測量原理如圖1所（suǒ）示。

　　由圖1可見，該傳感器是在一段特製的彈性軸上粘貼專用（yòng）的測扭（niǔ）應變（biàn）片（piàn）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環形旋轉變壓器的次級線圈、軸上印（yìn）刷（shuā）電（diàn）路板（bǎn）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（yā）電源、儀表放大電路及V/F變換電路（lù）。在傳感器的外殼（ké）上固定著激（jī）磁（cí）電路、能源環形旋（xuán）轉變壓器的初級線圈（quān）、信號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時，通常由外部電源向傳感器提供±15V電（diàn）源，激磁電（diàn）路中的晶體振蕩器產生的400 Hz的方波，經（jīng）過TDA2003功率放（fàng）大後，即可作為交流激磁功率電源，然後通過（guò）能源環形旋轉變壓器從靜（jìng）止的初級線圈（quān）T1傳遞至旋轉的次級線圈T2，將得到的交流電源通過（guò）軸上的整流、濾波電路處理後變成±5 V的直流電源。再（zài）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組成的高精度穩壓後，便可產（chǎn）生±4.5V的精密直流電源。該電源既可作為應變電橋的（de）電源，又可作為儀表放大器及V/F轉換器的工作電源。而當彈性軸受扭時（shí），應變橋檢測到的mV級（jí）應變信號通過儀表放大器AD620將（jiāng）其（qí）放大成1.5 V±1 V的強信號，再通過（guò）V/F轉換器LM33l變換成頻率信號。此信號（hào）可通過（guò）信（xìn）號環形旋（xuán）轉變壓器，從（cóng）旋轉軸傳遞至靜止（zhǐ）的次級線圈，再經過傳感器外（wài）殼上的信號處理電路進（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（xìn）號輸出（chū）。

　　JN338轉（zhuǎn）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（fǎn）向旋轉滿量程（chéng）：5 kHz±50 Hz;

　　信號幅值：0~8V;

　　負載電流：40mA。

　　1.2 轉速測量

　　轉（zhuǎn）矩傳感器在旋轉軸上安裝有60條齒縫的測速輪，同（tóng）時在傳（chuán）感器（qì）外殼上（shàng）安裝有一隻由發光二極管及光敏（mǐn）三極（jí）管組成（chéng）的（de）槽型光電開關架，測速輪（lún）的每一個齒（chǐ）將發光二（èr）極管的光線遮擋住時，光敏（mǐn）三（sān）極管就輸出一個高電平，而當光線通過齒縫射到光敏管的窗口時，光敏（mǐn）管則輸出（chū）一個低電平（píng），這樣，旋（xuán）轉軸每轉一圈就可（kě）得到（dào）60個脈衝。因此，每秒鍾（zhōng）檢測到的脈衝數恰好等於每分鍾的轉（zhuǎn）速值。

　　1.3 測量方法

　　為了（le）完成轉矩及轉速（sù）值的測量（liàng）及顯示，本設計采用單片機測頻法(M法)，即采用定時脈衝計數的方式來完成轉（zhuǎn）矩轉速的測量。將轉矩信號（hào）送單片機定時計數器T0，並（bìng）將轉速（sù）信號送單片機定時計數器T1，以用於完成頻率信號的計（jì）數。然後在測量周期結束後，取出計數（shù）值。再由測量周期和T0、T1的計數值，並通過計算得出相應的轉矩轉速值。

　　由於JN338輸出（chū）的轉矩頻（pín）率值一般在5～15kHz之間（jiān），因此，M法所固有的±l Hz計數器截斷絕對誤差（chà）可以（yǐ）忽略，關（guān）鍵是要保（bǎo）證測量定時周（zhōu）期T的精（jīng）度。為提高T的精度，可采用外部擴展硬件實時時鍾芯片的定時方法，來得到（dào）精確的定時測量周期（qī）T。此外，測量周期T的大小（xiǎo），也將影響測量精度，T值越（yuè）大，轉矩轉速（sù）的測量精度就會越高，穩定性越好（hǎo），相應的測（cè）量時間也會越長。因此，本係統的測量周期T可根據測量需要由鍵盤輸入，取值範圍（wéi）為200~2000 ms。

　　2 係（xì）統硬件構成

　　由於JN338的輸出為頻率量數字信號，故該傳感器可方便地與計算機或單片（piàn）機接口。圖2給出（chū）了JN338與（yǔ）單片機AT89C52進行接口構成的智能轉矩轉速測量儀（yí）的硬件電路結構框圖。基中AT89C52單片機是一種（zhǒng）低功耗、高性能、CMOS型微處理器，其片內含有8 kB的可反複擦寫（xiě）隻讀程序存儲器和256B的RAM。圖2中，JN338轉（zhuǎn）矩傳感器輸出的轉矩及轉速信號經光耦隔（gé）離（lí）後送入單片機的（de）TO、T1計（jì）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（qí）中光耦的作用，一是電平轉換，即把轉矩轉速信號電平（píng）轉換成TTL電平，二是（shì）提高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矩轉（zhuǎn）速值的運算後，即可將轉矩、轉速（sù）及軸功率等參數保存（cún）並顯（xiǎn）示（shì）輸出。本係統以AT89C52單片機為核心，由IMP813L構成電源監控及看（kàn）門狗電路，此外，係統中還擴（kuò）展了一片I2C總線（xiàn）串行鐵電存儲器FM24256，它的主要作用（yòng）是存儲參數設定值及采（cǎi）集的轉矩轉速值。通過內含GB2312中文漢字庫的圖形點陣（zhèn）液晶顯示模塊OCMJ4X8C可構成中（zhōng）文人機顯示界麵（miàn），ICL232的作用是將（jiāng）單片（piàn）機（jī）的TTL電平轉換（huàn）為RS一232電平，以便於和（hé）上位計算機進行通信。