JN338轉矩轉速感測器的特性及應用
摘要：介紹了JN338智能數字式轉矩轉速感測器的特性參數和工作原理,該感測器使用兩組旋轉變壓器實現了電源及信號的非接觸傳遞，同時其信號輸出為頻率量。文中給出了基於JN338的智能轉矩轉速測量儀的硬體電路結構框圖，同時指出了JN338的應用注意事項。
關鍵詞：JN338；數字式；轉矩轉速感測器
１ 概述
轉矩感測器在電動機、發動機、發電機、風機、攪拌機、卷揚機、鑽探機械等眾多的旋轉動力測試系統中及數控機械加工中心、自動機床等機電一體化設備中已獲得廣泛的應用。傳統的轉矩感測器通常採用電阻應變橋來檢測轉矩信號，並採用導電滑環來耦合電源輸入及應變信號輸出，由於導電滑環屬於磨擦接觸，因此不可避免地存在著磨損和發熱，這樣不但限制了旋轉軸的轉速及導電滑環的使用壽命，同時由於接觸不可靠，也不可避免地會引起測量信號的波動及誤差的增加。因此，如何在旋轉軸上進行能源及信號的可靠耦合已成為轉矩感測器最棘手的問題，而ＪＮ３３８數字式轉矩轉速感測器則巧妙地解決了這個問題。
ＪＮ３３８是北京三晶創業集團公司的產品，該感測器採用兩組特殊環形旋轉變壓器來實現能源的輸入及轉矩信號的輸出，從而解決了旋轉動力傳遞系統中能源及信號可靠地在旋轉部分與靜止部分之間的傳遞問題。該感測器還可同時實現旋轉軸轉速的測量，從而可方便地計算出軸輸出功率，因此，利用該感測器可實現轉矩、轉速及軸功率的多參數輸出。
２ 主要特性及參數
２．１ ＪＮ３３８的主要特性
ＪＮ３３８的主要特性如下：
●檢測手段為應變電測技術；
●測量精度高?信號檢出、處理均用數字技術；
●抗干擾能力強，無需調零即可工作；
●可靠性高、信噪比高，工作壽命長；
●既可以測量靜止扭矩，也可測量旋轉轉矩；
●能夠測量穩態扭矩，也能測量過渡過程的動態轉矩；
●無需反覆調零即可連續測量正反轉矩；
●無集流環、電刷等磨損件，可高速超長運行；
●轉矩信號的傳遞與是否旋轉、轉速大小及旋轉方向無關；
●測量彈性體強度大，可承受１５０％過載；
●體積小，重量輕，安裝方便，有套裝式、卡裝式、聯軸式等多種安裝方式；
●輸出信號以頻率形式給出，便於和計算機進行介面。
２．２ 感測器的主要技術參數
感測器的主要技術參數如表１所列，表２所列是該感測器產品的規格參數。
表1 JN338感測器主要技術參數
參 數 |
指 標 |
轉矩準確度 |
>0.5% |
過載能力 |
150%F.S |
絕緣電阻 |
≥200MΩ |
工作溫度 |
-20～60℃ |
重複性 |
≤0.5%F.S |
滯后 |
≤0.5%F.S |
線性 |
≤0.5%F.S |
相對濕度 |
≤90%RH |
表2 感測器產品規格參考
規 格 |
轉矩測量範圍（N.m) |
最高轉速（Rpm) |
100 |
10～100 |
6000 |
200 |
20～300 |
5000 |
500 |
50～700 |
4000 |
1000 |
100～1500 |
3000 |
2000 |
200～3000 |
2500 |
5000 |
500～5000 |
2000 |
２．３ 插座引腳及功能
ＪＮ３３８轉矩轉速感測器採用一隻５腳的航空插座做電源輸入及轉矩轉速信號輸出，插座外形及引腳排列如圖１所示。各引腳功能說明如下：
１腳：接地端；
２腳：＋１５Ｖ電源端；
３腳：－１５Ｖ電源端；
４腳：轉速信號輸出端；
５腳：轉矩信號輸出端。
３ 工作原理３．１ 轉矩測量原理
該轉矩感測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以組成應變電橋，只要嚮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／頻轉換變成與扭應變成正比的頻率信號。感測器的能源輸入及信號輸出是由兩組帶間隙的特殊環形旋轉變壓器承擔的，因此可實現能源及信號的無接觸傳遞。該應變感測器測量原理如圖２所示。
在一段特製的彈性軸上粘貼專用的測扭應變片並組成電橋，以形成基礎扭矩感測器，然後在軸上再固定能源環形旋轉變壓器的次級線圈、軸上印刷電路板和信號環旋轉變壓器的初級線圈。電路板上包含整流穩壓電源、儀錶放大電路及Ｖ／Ｆ變換電路。在感測器的外殼上固定著激磁電路、能源環形旋轉變壓器的初級線圈、信號環形變壓器的次級線圈及信號處理電路。
感測器電路部分在工作時，由外部電源向感測器提供±１５Ｖ電源，激磁電路中的晶體振蕩器產生４００Ｈｚ的方波，經過ＴＤＡ２００３功率放大即產生交流激磁功率電源，通過能源環形旋轉變壓器從靜止的初級線圈Ｔ１傳遞至旋轉的次級線圈Ｔ２，然後將得到的交流電源通過軸上的整流、濾波電路處理后變成±５Ｖ的直流電源。再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組成高精度穩壓電源，以產生±４．５Ｖ的精密直流電源，該電源既可作為應變電橋電源，又可作為儀錶放大器及Ｖ／Ｆ轉換器的工作電源。當彈性軸受扭時，應變橋檢測到的ｍＶ級應變信號通過儀錶放大器ＡＤ６２０將其放大成１．５ Ｖ±１Ｖ的強信號，再通過Ｖ／Ｆ轉換器ＬＭ３３１變換成頻率信號，此信號通過信號環形旋轉變壓器，從旋轉軸傳遞至靜止的次級線圈，再經過感測器外殼上的信號處理電路濾波、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。
３．２ 轉速測量原理
轉矩感測器在旋轉軸上安裝著６０條齒縫的測速輪，在感測器外殼上安裝的一隻由發光二極體及光敏三極體組成的槽型光電開關架，測速輪的每一個齒將發光二極體的光線遮擋住時，光敏三極體就輸出一個高電平，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，旋轉軸每轉一圈就可得到６０個脈衝，因此，每秒鐘檢測到的脈衝數恰好等於每分鐘的轉速值。
３．３ 軸輸出功率
軸輸出功率可由轉矩感測器輸出的轉矩及轉速值經運算后得到，計算公式為：
ｐ＝ＭＮ／９５５０
式中，Ｐ為軸輸出功率（ｋＷ）；Ｍ為轉矩（Ｎ．Ｍ）；
Ｎ為轉速（ｒ／ｍｉｎ）。
３．４ 轉矩感測器信號輸出
ＪＮ３３８轉矩感測器信號輸出形式如下：
●零轉矩：１０ｋＨｚ±５０Ｈｚ；
●正向旋轉滿量程：１５ｋＨｚ±５０Ｈｚ；
●反向旋轉滿量程：５ｋＨｚ±５０Ｈｚ；
●信號幅值：０～８Ｖ；負載電流：４０ｍＡ。
在有效的量程範圍內，感測器的轉矩頻率輸出與對應的轉矩值基本上成線性關係，實際應用中，如果測量準確度要求不超過標稱值，一般不需要通過逐段參數標定來完成計算。
●轉矩輸出
下面給出轉矩測量計算公式：
正向轉矩輸出值為：Ｍｐ＝Ｎ（ｆ－ｆ０）／（ｆｐ－ｆ０）
反向轉矩輸出值為：Ｍｒ＝Ｎ（ｆ０－ｆ）／（ｆ０－ｆｒ）
上兩式中：Ｍｐ：正向轉矩；Ｍｒ：反向轉矩；Ｎ：轉矩滿量程；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：實測轉矩輸出頻率值。
●轉速輸出
該裝置的轉速輸出值為：
Ｎ＝６０ｆ／ｚ
式中，Ｎ為轉速（ｒ／ｍｉｎ）；ｆ為實測轉速輸出頻率值（ｋＨｚ）；Ｚ為感測器測速齒數，這裡Ｚ取６０。
轉矩值與輸出頻率值的對應曲線如圖３所示。
４ 具體應用４．１ 應用電路設計
由於ＪＮ３３８的輸出為頻率量的數字信號，故該感測器可方便地與計算機或單片機介面。與計算機進行介面需擴展一塊基於ＩＳＡ匯流排或ＰＣＩ匯流排的多通道定時／計數器板卡，如“中泰” 光隔定時計數器板卡ＰＣ－６５０３、ＰＣ－６５０８等。圖４給出了與單片機介面構成的智能轉矩轉速測量儀的硬體電路結構框圖。圖中，ＪＮ３３８轉矩感測器輸出的轉矩及轉速信號經光耦隔離後送入單片機的Ｔ０、Ｔ１計數器，然後由Ｔ０和Ｔ１完成測頻計數功能，秒脈衝閘門由Ｔ２提供。這其中光耦的作用，一是電平轉換，把轉矩轉速信號電平轉換成ＴＴＬ電平，二是提高單片機的抗干擾能力並保護單片機。
由單片機完成相應的轉矩、轉速值的運算后，即可將轉矩、轉速及軸功率等參數保存並顯示輸出。本系統以ＡＴ８９Ｃ５２單片機為核心?由ＩＭＰ８１３Ｌ構成電源監控及看門狗電路以提高系統工作的可靠性，系統中擴展了一片Ｉ２Ｃ匯流排串列鐵電存儲器ＦＭ２４２５６，它的主要作用是存儲參數設定值及採集的轉矩轉速值。內含ＧＢ２３１２中文漢字型檔的圖形點陣液晶顯示模塊ＯＣＭＪ４Ｘ８Ｃ可用於構成中文人機顯示界面，ＩＣＬ２３２的作用是將單片機的ＴＴＬ電平轉換為ＲＳ－２３２電平，以便於和上位計算機進行通信。
４．２ 安裝使用注意事項
安裝使用ＪＮ３３８感測器時?應注意以下幾點?
（１）應使用兩組聯軸器將感測器安裝在動力源和負載之間；
（２）建議使用撓性、彈性或方向聯軸器，以保證同心度小於０.１；
（３）動力及負載必須固定牢靠以避免振動；
（４）應將感測器的基座與設備的基座固定牢靠，中心高度需調節合適，並應避免產生附加轉矩。
５ 結束語
ＪＮ３３８數字式轉矩轉速感測器是一種採用磁場耦合來傳遞能源及信號的新型轉矩轉速感測器，該感測器取消了傳統轉矩感測器滑環結構並採用數字式輸出，因而具有體積小、重量輕、安裝簡單方便、微機化測量介面簡單方便等特點，是一種具有廣泛發展前景的轉矩轉速感測器。
