采用JN338數字轉矩轉速傳感器對轉矩轉速的測量

0 引言

電動(dòng)機及機械動(dòng)力裝置旋轉軸的轉矩一轉速特性是電動(dòng)機及機械動(dòng)力裝置的一項重要參數，轉矩轉速特性曲線(xiàn)的形狀及曲線(xiàn)中的起動(dòng)轉矩、最小轉矩、最大轉矩等參數，往往是衡量一臺電動(dòng)機或機械動(dòng)力裝置能否順利起動(dòng)和穩定運行的重要指標，因此，研制一種數字式、高精度、便攜式的轉矩轉速測量儀器，具有非?，F實(shí)的意義。

傳統的旋轉動(dòng)力系統轉矩測試，通常是采用電阻應變橋來(lái)檢測轉矩信號并借助于導電滑環(huán)來(lái)實(shí)現電阻應變橋能源的輸入及應變信號的輸出，但是，由于被測軸在高速旋轉時(shí)會(huì )產(chǎn)生顫振，使接觸點(diǎn)處的接觸電阻發(fā)生變化，從而使測量誤差增大。此外，導電滑環(huán)屬于摩擦接觸，也不可避免地存在磨損及發(fā)熱，因而限制了旋轉軸的轉速及導電滑環(huán)的使用壽命。

為了更好地測量電機的輸出轉矩和轉速，控制和調整電機，本文選用JN338數字式轉矩轉速傳感器來(lái)進(jìn)行轉矩的測量，并以數字量的形式送入以AT89C52單片機為核心構成的測試系統。由于JN338傳感器采用兩組帶間隙的特殊環(huán)形旋轉變壓器來(lái)承擔應變橋能源輸入及信號輸出任務(wù)，從而實(shí)現能源及信號的無(wú)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(shí)實(shí)現旋轉軸轉速的測量，并方便地計算出軸的輸出功率，因此，利用該傳感器可實(shí)現轉矩、轉速及軸功率的多參數輸出。本測量?jì)x還可完成轉矩、轉速、軸輸出功率的測量及報警值設定，測量周期設定及傳感器調零設定，同時(shí)還可將測試數據通過(guò)RS232口傳送到上位計算機，以實(shí)現測量數據的處理、分析和對比。

1 轉矩轉速測量原理

用JN338數字轉矩轉速傳感器對轉矩進(jìn)行測量，可實(shí)現轉矩信號的傳遞，而與旋轉無(wú)關(guān)，也與轉速大小和旋轉方向無(wú)關(guān)。該傳感器既可以測量靜態(tài)轉矩，又可以測量動(dòng)態(tài)轉矩，它無(wú)需反復調零即可連續測量正反轉矩，并可高速長(cháng)時(shí)間運行，而且檢測精度高、穩定性好、抗干擾能力強。此外，傳感器的輸出信號以頻率量給出，也便于和微處理器、單片機進(jìn)行接口。

1.1 轉矩測量

JN338轉矩傳感器的檢測敏感組件是電阻應變橋。該應變橋可以通過(guò)應變膠將專(zhuān)用的測扭應變片粘貼在被測彈性軸上，從而組成應變電橋，這樣，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(guò)壓/頻轉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)形旋轉變壓器承擔的，因此，可實(shí)現能源及信號的無(wú)接觸傳遞。該應變傳感器的測量原理如圖1所示。

由圖1可見(jiàn)，該傳感器是在一段特制的彈性軸上粘貼專(zhuān)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)形旋轉變壓器的次級線(xiàn)圈、軸上印刷電路板和信號環(huán)旋轉變壓器的初級線(xiàn)圈。電路板上則包含整流穩壓電源、儀表放大電路及V/F變換電路。在傳感器的外殼上固定著(zhù)激磁電路、能源環(huán)形旋轉變壓器的初級線(xiàn)圈、信號環(huán)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(shí)，通常由外部電源向傳感器提供±15V電源，激磁電路中的晶體振蕩器產(chǎn)生的400 Hz的方波，經(jīng)過(guò)TDA2003功率放大后，即可作為交流激磁功率電源，然后通過(guò)能源環(huán)形旋轉變壓器從靜止的初級線(xiàn)圈T1傳遞至旋轉的次級線(xiàn)圈T2，將得到的交流電源通過(guò)軸上的整流、濾波電路處理后變成±5 V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組成的高精度穩壓后，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級應變信號通過(guò)儀表放大器AD620將其放大成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。此信號可通過(guò)信號環(huán)形旋轉變壓器，從旋轉軸傳遞至靜止的次級線(xiàn)圈，再經(jīng)過(guò)傳感器外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號輸出。