摘 要：本文介紹了JN338數(shù)字式轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器，該傳感器使用了兩組帶間隙特殊環(huán)形旋轉(zhuǎn)變壓器，實現(xiàn)了能源及信號的非接觸傳遞，其信號輸出為數(shù)字量，便于和微機接口。文中對傳感器的工作原理及特性予以了詳細介紹，并給出了在旋轉(zhuǎn)動力裝置機械參數(shù)測試中的一個典型應用示例。

關鍵詞：數(shù)字式；轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器；單片機

一、前言

轉(zhuǎn)矩傳感器被廣泛應用于電動機、內(nèi)燃機、風機、水泵、攪拌機、 卷揚機、鉆探機械等眾多的旋轉(zhuǎn)動力系統(tǒng)中，此外，在近年來興起的數(shù)控機械加工中心及自動機床等機電一體化設備中也獲得了廣泛的應用。傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩傳感器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)來耦合橋壓輸入及應變信號輸出，但由于導電滑環(huán)屬于磨擦接觸，因此不可避免的存在著磨損并發(fā)熱，因而限制了旋轉(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還能引起測量信號波動誤差增加。

JN338轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器采用了兩組特殊環(huán)形旋轉(zhuǎn)變壓器以實現(xiàn)電源的輸入及轉(zhuǎn)矩信號的輸出，從而解決了旋轉(zhuǎn)動力傳遞系統(tǒng)中,能源及信號如何可靠地在旋轉(zhuǎn)部分與靜止部分之間傳遞的問題，該傳感器同時還可實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速的測量，從而可方便的根據(jù)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速測量值計算出軸輸出功率。

二、JN388轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器的主要特性

1、傳感器的主要特性

⑴以應變電測技術(shù)為檢測手段；

⑵測量精度高，信號檢出、處理均采用數(shù)字技術(shù)，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；

⑶既可以測量靜止扭矩，也可測量旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩；

⑷既可測量穩(wěn)態(tài)扭矩，也可測量過渡過程動態(tài)轉(zhuǎn)矩；

⑸無需反復調(diào)零即可連續(xù)測量正反轉(zhuǎn)矩；

⑹無集流環(huán)，電刷等磨損件，可以高速長時間運行；

⑺轉(zhuǎn)矩信號的傳遞與是否旋轉(zhuǎn)無關，與轉(zhuǎn)速大小無關，與旋轉(zhuǎn)方向無關；

⑻測量彈性體強度大，可承受150%過載；

⑼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；

⑽ 傳感器輸出信號以頻率量方式給出，便于和計算機接口。

2、傳感器的主要技術(shù)參數(shù)及規(guī)格參數(shù)

JN338轉(zhuǎn)矩傳感器的主要技術(shù)參數(shù)和產(chǎn)品規(guī)格參數(shù)分別見表1和表2。

表1 JN338轉(zhuǎn)矩傳感器主要技術(shù)參數(shù)

表2 JN338轉(zhuǎn)矩傳感器產(chǎn)品規(guī)格參數(shù)

三、JN338轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)及測量原理

1、結(jié)構(gòu)

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即可組成應變電橋，向應變電橋提供電源即可測得該彈性軸受扭的電信號。將該應變信號放大后，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)變壓器所承擔的，因此實現(xiàn)了能源及信號的無接觸傳遞功能。

JN338轉(zhuǎn)矩傳感器測量流程如圖1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，即為基礎扭矩傳感器。在軸上固定著能源環(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。在傳感器外殼上固定激磁電路，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。

2、轉(zhuǎn)矩測量原理

轉(zhuǎn)矩傳感器電路部分的工作原理如下：

由外部電源向傳感器提供±15V電源電壓，同時，激磁電路中的晶體振蕩器產(chǎn)生400Hz的方波信號，經(jīng)過TDA2003功率放大即產(chǎn)生交流激磁功率電源電壓，其通過能源環(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，得到的交流電源電壓通過軸上的整流、濾波電路變?yōu)椤?V的直流電源電壓。該電源電壓作為運算放大器AD822的工作電源電壓，由基準電源AD589與雙運放AD822組成高精度穩(wěn)壓電源，可產(chǎn)生±4.5V的精密直流電源電壓，該電源既作為應變電橋電源，又作為儀表放大器及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級的應變信號通過儀表放大器AD620放大成1.5 V±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、整形后即可得到與彈性軸承受的扭矩成正比的頻率信號輸出。

3、轉(zhuǎn)速測量原理

JN338轉(zhuǎn)矩傳感器在旋轉(zhuǎn)軸上安裝著有60條 齒縫的測速輪，在傳感器外殼上安裝一只由發(fā)光二極管及光敏三極管組成的槽型光電開關架。當測速輪的一個齒將發(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)恰好等于每分鐘轉(zhuǎn)速值。

4、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：

式中：P—軸輸出功率（KW）

M—轉(zhuǎn)矩值（N.M）

N—轉(zhuǎn)速值（r/min）

5、轉(zhuǎn)矩傳感器的信號輸出

JN338轉(zhuǎn)矩傳感器信號輸出形式如下：

⑴零轉(zhuǎn)矩：10KHz±50Hz

⑵正向旋轉(zhuǎn)滿量程：15KHz±50Hz

⑶反向旋轉(zhuǎn)滿量程：5KHz±50Hz

⑷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)矩輸出頻率與對應轉(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，不需要通過逐段參數(shù)標定來完成計算。

下面給出轉(zhuǎn)矩測量計算公式。

正向轉(zhuǎn)矩輸出值為：
反向轉(zhuǎn)矩輸出值為：
上兩式中：Mp—正向轉(zhuǎn)矩值

Mr—反向轉(zhuǎn)矩值

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)速輸出值為：N=60f/z

式中：N—轉(zhuǎn)速值（r/min）

f—頻率值（kHz）

z—傳感器測速齒數(shù)

轉(zhuǎn)矩值與輸出頻率值的對應曲線如圖2所示。

四、具體應用

轉(zhuǎn)矩傳感器被廣泛應用于旋轉(zhuǎn)動力機械裝置中，以完成轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、軸輸出功率及效率等機械參數(shù)的測量。下面給出基于JN338的全數(shù)字式轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測量儀設計方案，該測量儀可應用于旋轉(zhuǎn)動力機械參數(shù)的測試。

1、應用電路設計

由于JN338輸出為頻率量的數(shù)字信號，故該傳感器可方便的與計算機或單片機接口構(gòu)成轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測量儀。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。下面給出與單片機接口構(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3）。

儀器工作原理簡述如下：

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（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及保護單片機），分別送給單片機的T0、T1定時/計數(shù)器，由T0和T1完成測頻計數(shù)功能，秒脈沖閘門則由定時/計數(shù)器T2提供。

由單片機完成相應的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速值的運算后，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,擴展了一片IMP813L芯片構(gòu)成電源監(jiān)控及看門狗電路以提高系統(tǒng)工作可靠性，擴展了一片I2C總線串行鐵電存儲器FM24256用于存儲參數(shù)設定值及采集的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速值。擴展了內(nèi)含GB2312中文漢字庫的圖形點陣液晶顯示模塊構(gòu)成中文人機顯示界面，擴展了一片ICL232芯片用于將單片機的TTL電平轉(zhuǎn)換為RS-232電平，以便于和上位計算機通信。

2、 2、 使用注意事項

⑴使用兩組聯(lián)軸器將傳感器安裝在動力源和負載之間；

⑵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?L；

⑶動力及負載必須固定可靠避免振動；

⑷將傳感器的基座與設備的基座固定可靠，中心高度需調(diào)節(jié)合適，避免產(chǎn)生附加變矩；

⑸安裝時切勿直接敲打、碰撞傳感器。

五、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)矩傳感器的滑環(huán)結(jié)構(gòu)并采用數(shù)字式輸出，因而具有體積小、重量輕、安裝方便，轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測量接口簡單的特點，因而是一種有著廣泛發(fā)展前景的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器。