數(shù)字式轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x在測(cè)速系統(tǒng)中的應(yīng)用

0 引言
電動(dòng)機(jī)及機(jī)械動(dòng)力裝置旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)矩一轉(zhuǎn)速特性是電動(dòng)機(jī)及機(jī)械動(dòng)力裝置的一項(xiàng)重要參數(shù)，轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性曲線的形狀及曲線中的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、最小轉(zhuǎn)矩、最大轉(zhuǎn)矩等參數(shù)，往往是衡量一臺(tái)電動(dòng)機(jī)或機(jī)械動(dòng)力裝置能否順利起動(dòng)和穩(wěn)定運(yùn)行的重要指標(biāo)，因此，研制一種數(shù)字式、高精度、便攜式的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x器，具有非常現(xiàn)實(shí)的意義。
傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)動(dòng)力系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩測(cè)試，通常是采用電阻應(yīng)變橋來檢測(cè)轉(zhuǎn)矩信號(hào)并借助于導(dǎo)電滑環(huán)來實(shí)現(xiàn)電阻應(yīng)變橋能源的輸入及應(yīng)變信號(hào)的輸出，但是，由于被測(cè)軸在高速旋轉(zhuǎn)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(cè)量誤差增大。此外，導(dǎo)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(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速及導(dǎo)電滑環(huán)的使用壽命。
為了更好地測(cè)量電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，控制和調(diào)整電機(jī)，本文選用JN338數(shù)字式轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器來進(jìn)行轉(zhuǎn)矩的測(cè)量，并以數(shù)字量的形式送入以AT89C52單片機(jī)為核心構(gòu)成的測(cè)試系統(tǒng)。由于JN338傳感器采用兩組帶間隙的特殊環(huán)形旋轉(zhuǎn)變壓器來承擔(dān)應(yīng)變橋能源輸入及信號(hào)輸出任務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)能源及信號(hào)的無接觸傳遞，因此提高了轉(zhuǎn)矩測(cè)量的精度及可靠性。此外，該傳感器還可同時(shí)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速的測(cè)量，并方便地計(jì)算出軸的輸出功率，因此，利用該傳感器可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速及軸功率的多參數(shù)輸出。本測(cè)量?jī)x還可完成轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、軸輸出功率的測(cè)量及報(bào)警值設(shè)定，測(cè)量周期設(shè)定及傳感器調(diào)零設(shè)定，同時(shí)還可將測(cè)試數(shù)據(jù)通過RS232口傳送到上位計(jì)算機(jī)，以實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的處理、分析和對(duì)比。

1 轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測(cè)量原理
用JN338數(shù)字轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器對(duì)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行測(cè)量，可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩信號(hào)的傳遞，而與旋轉(zhuǎn)無關(guān)，也與轉(zhuǎn)速大小和旋轉(zhuǎn)方向無關(guān)。該傳感器既可以測(cè)量靜態(tài)轉(zhuǎn)矩，又可以測(cè)量動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩，它無需反復(fù)調(diào)零即可連續(xù)測(cè)量正反轉(zhuǎn)矩，并可高速長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，而且檢測(cè)精度高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)。此外，傳感器的輸出信號(hào)以頻率量給出，也便于和微處理器、單片機(jī)進(jìn)行接口。
1．1 轉(zhuǎn)矩測(cè)量
JN338轉(zhuǎn)矩傳感器的檢測(cè)敏感組件是電阻應(yīng)變橋。該應(yīng)變橋可以通過應(yīng)變膠將專用的測(cè)扭應(yīng)變片粘貼在被測(cè)彈性軸上，從而組成應(yīng)變電橋，這樣，只要向應(yīng)變電橋提供電源，即可測(cè)得該彈性軸受扭的電信號(hào)，然后將該應(yīng)變信號(hào)放大，再經(jīng)過壓／頻轉(zhuǎn)換變成與扭應(yīng)變成正比的頻率信號(hào)。傳感器的能源輸入及信號(hào)輸出是由兩組帶間隙的特殊環(huán)形旋轉(zhuǎn)變壓器承擔(dān)的，因此，可實(shí)現(xiàn)能源及信號(hào)的無接觸傳遞。該應(yīng)變傳感器的測(cè)量原理如圖1所示。

由圖1可見，該傳感器是在一段特制的彈性軸上粘貼專用的測(cè)扭應(yīng)變片并組成電橋，以形成基礎(chǔ)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(jí)線圈、軸上印刷電路板和信號(hào)環(huán)旋轉(zhuǎn)變壓器的初級(jí)線圈。電路板上則包含整流穩(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(jí)線圈、信號(hào)環(huán)形變壓器的次級(jí)線圈及信號(hào)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TDA2003功率放大后，即可作為交流激磁功率電源，然后通過能源環(huán)形旋轉(zhuǎn)變壓器從靜止的初級(jí)線圈T1傳遞至旋轉(zhuǎn)的次級(jí)線圈T2，將得到的交流電源通過軸上的整流、濾波電路處理后變成±5 V的直流電源。再將該電源作為運(yùn)算放大器AD822的工作電源，并由基準(zhǔn)電源AD589與雙運(yùn)放AD822組成的高精度穩(wěn)壓后，便可產(chǎn)生±4．5V的精密直流電源。該電源既可作為應(yīng)變電橋的電源，又可作為儀表放大器及V／F轉(zhuǎn)換器的工作電源。而當(dāng)彈性軸受扭時(shí)，應(yīng)變橋檢測(cè)到的mV級(jí)應(yīng)變信號(hào)通過儀表放大器AD620將其放大成1．5 V±1 V的強(qiáng)信號(hào)，再通過V／F轉(zhuǎn)換器LM33l變換成頻率信號(hào)。此信號(hào)可通過信號(hào)環(huán)形旋轉(zhuǎn)變壓器，從旋轉(zhuǎn)軸傳遞至靜止的次級(jí)線圈，再經(jīng)過傳感器外殼上的信號(hào)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(hào)輸出。
JN338轉(zhuǎn)矩傳感器信號(hào)輸出形式如下：
零轉(zhuǎn)矩：10 kHz±50 Hz；
正向旋轉(zhuǎn)滿量程：15 kHz±50 Hz；
反向旋轉(zhuǎn)滿量程：5 kHz±50 Hz；
信號(hào)幅值：0~8V；
負(fù)載電流：40mA。