JN338智能数字式转矩转速传感器设计

１　概述

　　转矩传感器在电动机、发动机、发电机、风机、搅拌机、卷扬机、钻探机械等众多的旋转动力测试系统中及数控机械加工中心、自动机床等机电一体化设备中已获得广泛的应用。传统的转矩传感器通常采用电阻应变桥来检测转矩信号，并采用导电滑环来耦合电源输入及应变信号输出，由于导电滑环属于磨擦接触，因此不可避免地存在着磨损和发热，这样不但限制了旋转轴的转速及导电滑环的使用寿命，同时由于接触不可靠，也不可避免地会引起测量信号的波动及误差的增加。因此，如何在旋转轴上进行能源及信号的可靠耦合已成为转矩传感器最棘手的问题，而ＪＮ３３８数字式转矩转速传感器则巧妙地解决了这个问题。 

ＪＮ３３８是北京三晶创业集团公司的产品，该传感器采用两组特殊环形旋转变压器来实现能源的输入及转矩信号的输出，从而解决了旋转动力传递系统中能源及信号可靠地在旋转部分与静止部分之间的传递问题。该传感器还可同时实现旋转轴转速的测量，从而可方便地计算出轴输出功率，因此，利用该传感器可实现转矩、转速及轴功率的多参数输出。
 
２　主要特性及参数

2.1 JN338的主要特性

    JN338的主要特性如下：

    ●检测手段为应变电测技术；
   
    ●测量精度高信号检出、处理均用数字技术；

    ●抗干扰能力强，无需调零即可工作；
   
    ●可靠性高、信噪比高，工作寿命长；
   
    ●既可以测量静止扭矩，也可测量旋转转矩；
   
    ●能够测量稳态扭矩，也能测量过渡过程的动态转矩；
   
    ●无需反复调零即可连续测量正反转矩；
   
    ●无集流环、电刷等磨损件，可高速超长运行；
   
    ●转矩信号的传递与是否旋转、转速大小及旋转方向无关；
   
    ●测量弹性体强度大，可承受150%过载；
   
    ●体积小，重量轻，安装方便，有套装式、卡装式、联轴式等多种安装方式；
   
    ●输出信号以频率形式给出，便于和计算机进行接口。

２．２ 传感器的主要技术参数

    传感器的主要技术参数如表１所列

    表1 JN338传感器主要技术参数

    转矩准确度 >0.5% 过载能力 150%F.S 绝缘电阻 ≥200MΩ 工作温度 -20～60℃ 重复性 ≤0.5%F.S 滞后 ≤0.5%F.S 线性 ≤0.5%F.S 相对湿度 ≤90%RH 

　　2.3插座引脚及功能

    JN338转矩转速传感器采用一只５脚的航空插座做电源输入及转矩转速信号输出，插座外形及引脚排列如图１所示。各引脚功能说明如下：

　　１脚：接地端；
　　２脚：＋１５Ｖ电源端；
　　３脚：－１５Ｖ电源端；
　　４脚：转速信号输出端；
　　５脚：转矩信号输出端。

　　３工作原理
　　３.1转矩测量原理

　　 该转矩传感器的检测敏感元件是电阻应变桥。将专用的测扭应变片用应变胶粘贴在被测弹性轴上以组成应变电桥，只要向应变电桥提供电源即可测得该弹性轴受扭的电信号，然后将该应变信号放大，再经过压／频转换变成与扭应变成正比的频率信号。传感器的能源输入及信号输出是由两组带间隙的特殊环形旋转变压器承担的，因此可实现能源及信号的无接触传递。该应变传感器测量原理如图２所示。

　　在一段特制的弹性轴上粘贴专用的测扭应变片并组成电桥，以形成基础扭矩传感器，然后在轴上再固定能源环形旋转变压器的次级线圈、轴上印刷电路板和信号环旋转变压器的初级线圈。电路板上包含整流稳压电源、仪表放大电路及Ｖ／Ｆ变换电路。在传感器的外壳上固定着激磁电路、能源环形旋转变压器的初级线圈、信号环形变压器的次级线圈及信号处理电路。

　　传感器电路部分在工作时，由外部电源向传感器提供±１５Ｖ电源，激磁电路中的晶体振荡器产生４００Ｈｚ的方波，经过ＴＤＡ２００３功率放大即产生交流激磁功率电源，通过能源环形旋转变压器从静止的初级线圈Ｔ１传递至旋转的次级线圈Ｔ２，然后将得到的交流电源通过轴上的整流、滤波电路处理后变成±５Ｖ的直流电源。再将该电源作为运算放大器ＡＤ８２２的工作电源，并由基准电源ＡＤ５８９与双运放ＡＤ８２２组成高精度稳压电源，以产生±４．５Ｖ的精密直流电源，该电源既可作为应变电桥电源，又可作为仪表放大器及Ｖ／Ｆ转换器的工作电源。当弹性轴受扭时，应变桥检测到的ｍＶ级应变信号通过仪表放大器ＡＤ６２０将其放大成１．５Ｖ±１Ｖ的强信号，再通过Ｖ／Ｆ转换器ＬＭ３３１变换成频率信号，此信号通过信号环形旋转变压器，从旋转轴传递至静止的次级线圈，再经过传感器外壳上的信号处理电路滤波、整形即可得到与弹性轴承受的扭矩成正比的频率信号输出。

　　３.2转速测量原理 

   转矩传感器在旋转轴上安装着６０条齿缝的测速轮，在传感器外壳上安装的一只由发光二极管及光敏三极管组成的槽型光电开关架，测速轮的每一个齿将发光二极管的光线遮挡住时，光敏三极管就输出一个高电平，当光线通过齿缝射到光敏管的窗口时，光敏管就输出一个低电平，旋转轴每转一圈就可得到６０个脉冲，因此，每秒钟检测到的脉冲数恰好等于每分钟的转速值。

  ３.3 轴输出功率

　　轴输出功率可由转矩传感器输出的转矩及转速值经运算后得到，计算公式为：

　　ｐ＝ＭＮ／９５５０

　　式中，Ｐ为轴输出功率（ｋＷ）；Ｍ为转矩（Ｎ．Ｍ）；

　　Ｎ为转速（ｒ／ｍｉｎ）．

　　３．４ 转矩传感器信号输出

　　ＪＮ３３８转矩传感器信号输出形式如下：

　　●零转矩：１０ｋＨｚ±５０Ｈｚ；

　　●正向旋转满量程：１５ｋＨｚ±５０Ｈｚ；

　　●反向旋转满量程：５ｋＨｚ±５０Ｈｚ；

　　●信号幅值：０～８Ｖ；负载电流：４０ｍＡ。

　　在有效的量程范围内，传感器的转矩频率输出与对应的转矩值基本上成线性关系，实际应用中，如果测量准确度要求不超过标称值，一般不需要通过逐段参数标定来完成计算。

　　●转矩输出

　　下面给出转矩测量计算公式：

　　正向转矩输出值为：Ｍｐ＝Ｎ（ｆ－ｆ０）／（ｆｐ－ｆ０）

　　反向转矩输出值为：Ｍｒ＝Ｎ（ｆ０－ｆ）／（ｆ０－ｆｒ）

　　上两式中：Ｍｐ：正向转矩；Ｍｒ：反向转矩；Ｎ：转矩满量程；ｆｐ：正向满量程输出频率值（ｋＨｚ）；ｆｒ：反向满量程输出频率值（ｋＨｚ）；ｆ：实测转矩输出频率值。

　　●转速输出

　　 该装置的转速输出值为：

　　Ｎ＝６０ｆ／ｚ

　　式中，Ｎ为转速（ｒ／ｍｉｎ）；ｆ为实测转速输出频率值（ｋＨｚ）；Ｚ为传感器测速齿数，这里Ｚ取６０。

　　转矩值与输出频率值的对应曲线如图３所示。

　　４　具体应用

　　4.1 应用电路设计

　　由于ＪＮ３３８的输出为频率量的数字信号，故该传感器可方便地与计算机或单片机接口。与计算机进行接口需扩展一块基于ＩＳＡ总线或ＰＣＩ总线的多通道定时／计数器板卡，如“中泰” 光隔定时计数器板卡ＰＣ－６５０３、ＰＣ－６５０８等。图４给出了与单片机接口构成的智能转矩转速测量仪的硬件电路结构框图。图中，ＪＮ３３８转矩传感器输出的转矩及转速信号经光耦隔离后送入单片机的Ｔ０、Ｔ１计数器，然后由Ｔ０和Ｔ１完成测频计数功能，秒脉冲闸门由Ｔ２提供。这其中光耦的作用，一是电平转换，把转矩转速信号电平转换成ＴＴＬ电平，二是提高单片机的抗干扰能力并保护单片机。

　　由单片机完成相应的转矩、转速值的运算后，即可将转矩、转速及轴功率等参数保存并显示输出。本系统以ＡＴ８９Ｃ５２单片机为核心由ＩＭＰ８１３Ｌ构成电源监控及看门狗电路以提高系统工作的可靠性，系统中扩展了一片Ｉ２Ｃ总线串行铁电存储器ＦＭ２４２５６，它的主要作用是存储参数设定值及采集的转矩转速值。内含ＧＢ２３１２中文汉字库的图形点阵液晶显示模块ＯＣＭＪ４Ｘ８Ｃ可用于构成中文人机显示界面，ＩＣＬ２３２的作用是将单片机的ＴＴＬ电平转换为ＲＳ－２３２电平，以便于和上位计算机进行通信。

　　4.2 安装使用注意事项

　　安装使用ＪＮ３３８传感器时应注意以下几点

　　（１）应使用两组联轴器将传感器安装在动力源和负载之间；

　　（２）建议使用挠性、弹性或方向联轴器，以保证同心度小于０.１；

　　（３）动力及负载必须固定牢靠以避免振动；

　　（４）应将传感器的基座与设备的基座固定牢靠，中心高度需调节合适，并应避免产生附加转矩。

　　５　结束语

　　JN388数字式转矩转速传感器是一种采用磁场耦合来传递能源及信号的新型转矩转速传感器，该传感器取消了传统转矩传感器滑环结构并采用数字式输出，因而具有体积小、重量轻、安装简单方便、微机化测量接口简单方便等特点，是一种具有广泛发展前景的转矩转速传感器。