【圖】JN338轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器的特性及應(yīng)用
(2016/12/30 0:13:00)
JN338轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器的特性及應(yīng)用
摘要：介紹了JN338智能數(shù)字式轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器的特性參數(shù)和工作原理,該傳感器使用兩組旋轉(zhuǎn)變壓器實(shí)現(xiàn)了電源及信號(hào)的非接觸傳遞，同時(shí)其信號(hào)輸出為頻率量。文中給出了基于JN338的智能轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測(cè)量儀的硬件電路結(jié)構(gòu)框圖，同時(shí)指出了JN338的應(yīng)用注意事項(xiàng)。
關(guān)鍵詞：JN338；數(shù)字式；轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器
１ 概述
轉(zhuǎn)矩傳感器在電動(dòng)機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、風(fēng)機(jī)、攪拌機(jī)、卷?yè)P(yáng)機(jī)、鉆探機(jī)械等眾多的旋轉(zhuǎn)動(dòng)力測(cè)試系統(tǒng)中及數(shù)控機(jī)械加工中心、自動(dòng)機(jī)床等機(jī)電一體化設(shè)備中已獲得廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩傳感器通常采用電阻應(yīng)變橋來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)矩信號(hào)，并采用導(dǎo)電滑環(huán)來(lái)耦合電源輸入及應(yīng)變信號(hào)輸出，由于導(dǎo)電滑環(huán)屬于磨擦接觸，因此不可避免地存在著磨損和發(fā)熱，這樣不但限制了旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速及導(dǎo)電滑環(huán)的使用壽命，同時(shí)由于接觸不可靠，也不可避免地會(huì)引起測(cè)量信號(hào)的波動(dòng)及誤差的增加。因此，如何在旋轉(zhuǎn)軸上進(jìn)行能源及信號(hào)的可靠耦合已成為轉(zhuǎn)矩傳感器最棘手的問題，而ＪＮ３３８數(shù)字式轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器則巧妙地解決了這個(gè)問題。
ＪＮ３３８是北京三晶創(chuàng)業(yè)集團(tuán)公司的產(chǎn)品，該傳感器采用兩組特殊環(huán)形旋轉(zhuǎn)變壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)能源的輸入及轉(zhuǎn)矩信號(hào)的輸出，從而解決了旋轉(zhuǎn)動(dòng)力傳遞系統(tǒng)中能源及信號(hào)可靠地在旋轉(zhuǎn)部分與靜止部分之間的傳遞問題。該傳感器還可同時(shí)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速的測(cè)量，從而可方便地計(jì)算出軸輸出功率，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。
２ 主要特性及參數(shù)
２．１ ＪＮ３３８的主要特性
ＪＮ３３８的主要特性如下：
●檢測(cè)手段為應(yīng)變電測(cè)技術(shù)；
●測(cè)量精度高信號(hào)檢出、處理均用數(shù)字技術(shù)；
●抗干擾能力強(qiáng)，無(wú)需調(diào)零即可工作；
●可靠性高、信噪比高，工作壽命長(zhǎng)；
●既可以測(cè)量靜止扭矩，也可測(cè)量旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩；
●能夠測(cè)量穩(wěn)態(tài)扭矩，也能測(cè)量過(guò)渡過(guò)程的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩；
●無(wú)需反復(fù)調(diào)零即可連續(xù)測(cè)量正反轉(zhuǎn)矩；
●無(wú)集流環(huán)、電刷等磨損件，可高速超長(zhǎng)運(yùn)行；
●轉(zhuǎn)矩信號(hào)的傳遞與是否旋轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)速大小及旋轉(zhuǎn)方向無(wú)關(guān)；
●測(cè)量彈性體強(qiáng)度大，可承受１５０％過(guò)載；
●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；
●輸出信號(hào)以頻率形式給出，便于和計(jì)算機(jī)進(jìn)行接口。
２．２ 傳感器的主要技術(shù)參數(shù)
傳感器的主要技術(shù)參數(shù)如表１所列，表２所列是該傳感器產(chǎn)品的規(guī)格參數(shù)。
表1 JN338傳感器主要技術(shù)參數(shù)
表2 傳感器產(chǎn)品規(guī)格參考
２．３ 插座引腳及功能
ＪＮ３３８轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器采用一只５腳的航空插座做電源輸入及轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速信號(hào)輸出，插座外形及引腳排列如圖１所示。各引腳功能說(shuō)明如下：
１腳：接地端；
２腳：＋１５Ｖ電源端；
３腳：－１５Ｖ電源端；
４腳：轉(zhuǎn)速信號(hào)輸出端；
５腳：轉(zhuǎn)矩信號(hào)輸出端。
３ 工作原理
３．１ 轉(zhuǎn)矩測(cè)量原理
該轉(zhuǎn)矩傳感器的檢測(cè)敏感元件是電阻應(yīng)變橋。將專用的測(cè)扭應(yīng)變片用應(yīng)變膠粘貼在被測(cè)彈性軸上以組成應(yīng)變電橋，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(guò)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(wú)接觸傳遞。該應(yīng)變傳感器測(cè)量原理如圖２所示。
摘要：介紹了JN338智能數(shù)字式轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器的特性參數(shù)和工作原理,該傳感器使用兩組旋轉(zhuǎn)變壓器實(shí)現(xiàn)了電源及信號(hào)的非接觸傳遞，同時(shí)其信號(hào)輸出為頻率量。文中給出了基于JN338的智能轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測(cè)量儀的硬件電路結(jié)構(gòu)框圖，同時(shí)指出了JN338的應(yīng)用注意事項(xiàng)。
關(guān)鍵詞：JN338；數(shù)字式；轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器
１ 概述
轉(zhuǎn)矩傳感器在電動(dòng)機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、風(fēng)機(jī)、攪拌機(jī)、卷?yè)P(yáng)機(jī)、鉆探機(jī)械等眾多的旋轉(zhuǎn)動(dòng)力測(cè)試系統(tǒng)中及數(shù)控機(jī)械加工中心、自動(dòng)機(jī)床等機(jī)電一體化設(shè)備中已獲得廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩傳感器通常采用電阻應(yīng)變橋來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)矩信號(hào)，并采用導(dǎo)電滑環(huán)來(lái)耦合電源輸入及應(yīng)變信號(hào)輸出，由于導(dǎo)電滑環(huán)屬于磨擦接觸，因此不可避免地存在著磨損和發(fā)熱，這樣不但限制了旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速及導(dǎo)電滑環(huán)的使用壽命，同時(shí)由于接觸不可靠，也不可避免地會(huì)引起測(cè)量信號(hào)的波動(dòng)及誤差的增加。因此，如何在旋轉(zhuǎn)軸上進(jìn)行能源及信號(hào)的可靠耦合已成為轉(zhuǎn)矩傳感器最棘手的問題，而ＪＮ３３８數(shù)字式轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器則巧妙地解決了這個(gè)問題。
ＪＮ３３８是北京三晶創(chuàng)業(yè)集團(tuán)公司的產(chǎn)品，該傳感器采用兩組特殊環(huán)形旋轉(zhuǎn)變壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)能源的輸入及轉(zhuǎn)矩信號(hào)的輸出，從而解決了旋轉(zhuǎn)動(dòng)力傳遞系統(tǒng)中能源及信號(hào)可靠地在旋轉(zhuǎn)部分與靜止部分之間的傳遞問題。該傳感器還可同時(shí)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速的測(cè)量，從而可方便地計(jì)算出軸輸出功率，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。
２ 主要特性及參數(shù)
２．１ ＪＮ３３８的主要特性
ＪＮ３３８的主要特性如下：
●檢測(cè)手段為應(yīng)變電測(cè)技術(shù)；
●測(cè)量精度高信號(hào)檢出、處理均用數(shù)字技術(shù)；
●抗干擾能力強(qiáng)，無(wú)需調(diào)零即可工作；
●可靠性高、信噪比高，工作壽命長(zhǎng)；
●既可以測(cè)量靜止扭矩，也可測(cè)量旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩；
●能夠測(cè)量穩(wěn)態(tài)扭矩，也能測(cè)量過(guò)渡過(guò)程的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩；
●無(wú)需反復(fù)調(diào)零即可連續(xù)測(cè)量正反轉(zhuǎn)矩；
●無(wú)集流環(huán)、電刷等磨損件，可高速超長(zhǎng)運(yùn)行；
●轉(zhuǎn)矩信號(hào)的傳遞與是否旋轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)速大小及旋轉(zhuǎn)方向無(wú)關(guān)；
●測(cè)量彈性體強(qiáng)度大，可承受１５０％過(guò)載；
●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；
●輸出信號(hào)以頻率形式給出，便于和計(jì)算機(jī)進(jìn)行接口。
２．２ 傳感器的主要技術(shù)參數(shù)
傳感器的主要技術(shù)參數(shù)如表１所列，表２所列是該傳感器產(chǎn)品的規(guī)格參數(shù)。
表1 JN338傳感器主要技術(shù)參數(shù)
| 參 數(shù) | 指 標(biāo) |
| 轉(zhuǎn)矩準(zhǔn)確度 | >0.5% |
| 過(guò)載能力 | 150%F.S |
| 絕緣電阻 | ≥200MΩ |
| 工作溫度 | -20～60℃ |
| 重復(fù)性 | ≤0.5%F.S |
| 滯后 | ≤0.5%F.S |
| 線性 | ≤0.5%F.S |
| 相對(duì)濕度 | ≤90%RH |
表2 傳感器產(chǎn)品規(guī)格參考
| 規(guī) 格 | 轉(zhuǎn)矩測(cè)量范圍（N.m) | 最高轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器采用一只５腳的航空插座做電源輸入及轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速信號(hào)輸出，插座外形及引腳排列如圖１所示。各引腳功能說(shuō)明如下：
１腳：接地端；
２腳：＋１５Ｖ電源端；
３腳：－１５Ｖ電源端；
４腳：轉(zhuǎn)速信號(hào)輸出端；
５腳：轉(zhuǎn)矩信號(hào)輸出端。
３ 工作原理
３．１ 轉(zhuǎn)矩測(cè)量原理
該轉(zhuǎn)矩傳感器的檢測(cè)敏感元件是電阻應(yīng)變橋。將專用的測(cè)扭應(yīng)變片用應(yīng)變膠粘貼在被測(cè)彈性軸上以組成應(yīng)變電橋，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(guò)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(wú)接觸傳遞。該應(yīng)變傳感器測(cè)量原理如圖２所示。
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。
傳感器電路部分在工作時(shí)，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４００Ｈｚ的方波，經(jīng)過(guò)ＴＤＡ２００３功率放大即產(chǎn)生交流激磁功率電源，通過(guò)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，然后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±５Ｖ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組成高精度穩(wěn)壓電源，以產(chǎn)生±４．５Ｖ的精密直流電源，該電源既可作為應(yīng)變電橋電源，又可作為儀表放大器及Ｖ／Ｆ轉(zhuǎn)換器的工作電源。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(guò)儀表放大器ＡＤ６２０將其放大成１．５ Ｖ±１Ｖ的強(qiáng)信號(hào)，再通過(guò)Ｖ／Ｆ轉(zhuǎn)換器ＬＭ３３１變換成頻率信號(hào)，此信號(hào)通過(guò)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(guò)傳感器外殼上的信號(hào)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(hào)輸出。
３．２ 轉(zhuǎn)速測(cè)量原理
轉(zhuǎn)矩傳感器在旋轉(zhuǎn)軸上安裝著６０條齒縫的測(cè)速輪，在傳感器外殼上安裝的一只由發(fā)光二極管及光敏三極管組成的槽型光電開關(guān)架，測(cè)速輪的每一個(gè)齒將發(fā)光二極管的光線遮擋住時(shí)，光敏三極管就輸出一個(gè)高電平，當(dāng)光線通過(guò)齒縫射到光敏管的窗口時(shí)，光敏管就輸出一個(gè)低電平，旋轉(zhuǎn)軸每轉(zhuǎn)一圈就可得到６０個(gè)脈沖，因此，每秒鐘檢測(cè)到的脈沖數(shù)恰好等于每分鐘的轉(zhuǎn)速值。
３．３ 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(yùn)算后得到，計(jì)算公式為：
ｐ＝ＭＮ／９５５０
式中，Ｐ為軸輸出功率（ｋＷ）；Ｍ為轉(zhuǎn)矩（Ｎ．Ｍ）；
Ｎ為轉(zhuǎn)速（ｒ／ｍｉｎ）。
３．４ 轉(zhuǎn)矩傳感器信號(hào)輸出
ＪＮ３３８轉(zhuǎn)矩傳感器信號(hào)輸出形式如下：
●零轉(zhuǎn)矩：１０ｋＨｚ±５０Ｈｚ；
●正向旋轉(zhuǎn)滿量程：１５ｋＨｚ±５０Ｈｚ；
●反向旋轉(zhuǎn)滿量程：５ｋＨｚ±５０Ｈｚ；
●信號(hào)幅值：０～８Ｖ；負(fù)載電流：４０ｍＡ。
在有效的量程范圍內(nèi)，傳感器的轉(zhuǎn)矩頻率輸出與對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩值基本上成線性關(guān)系，實(shí)際應(yīng)用中，如果測(cè)量準(zhǔn)確度要求不超過(guò)標(biāo)稱值，一般不需要通過(guò)逐段參數(shù)標(biāo)定來(lái)完成計(jì)算。
●轉(zhuǎn)矩輸出
下面給出轉(zhuǎn)矩測(cè)量計(jì)算公式：
正向轉(zhuǎn)矩輸出值為：Ｍｐ＝Ｎ（ｆ－ｆ０）／（ｆｐ－ｆ０）
反向轉(zhuǎn)矩輸出值為：Ｍｒ＝Ｎ（ｆ０－ｆ）／（ｆ０－ｆｒ）
上兩式中：Ｍｐ：正向轉(zhuǎn)矩；Ｍｒ：反向轉(zhuǎn)矩；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(shí)測(cè)轉(zhuǎn)矩輸出頻率值。
●轉(zhuǎn)速輸出
該裝置的轉(zhuǎn)速輸出值為：
Ｎ＝６０ｆ／ｚ
式中，Ｎ為轉(zhuǎn)速（ｒ／ｍｉｎ）；ｆ為實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速輸出頻率值（ｋＨｚ）；Ｚ為傳感器測(cè)速齒數(shù)，這里Ｚ取６０。
轉(zhuǎn)矩值與輸出頻率值的對(duì)應(yīng)曲線如圖３所示。
４ 具體應(yīng)用
４．１ 應(yīng)用電路設(shè)計(jì)
由于ＪＮ３３８的輸出為頻率量的數(shù)字信號(hào)，故該傳感器可方便地與計(jì)算機(jī)或單片機(jī)接口。與計(jì)算機(jī)進(jìn)行接口需擴(kuò)展一塊基于ＩＳＡ總線或ＰＣＩ總線的多通道定時(shí)／計(jì)數(shù)器板卡，如“中泰” 光隔定時(shí)計(jì)數(shù)器板卡ＰＣ－６５０３、ＰＣ－６５０８等。圖４給出了與單片機(jī)接口構(gòu)成的智能轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x的硬件電路結(jié)構(gòu)框圖。圖中，ＪＮ３３８轉(zhuǎn)矩傳感器輸出的轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速信號(hào)經(jīng)光耦隔離后送入單片機(jī)的Ｔ０、Ｔ１計(jì)數(shù)器，然后由Ｔ０和Ｔ１完成測(cè)頻計(jì)數(shù)功能，秒脈沖閘門由Ｔ２提供。這其中光耦的作用，一是電平轉(zhuǎn)換，把轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速信號(hào)電平轉(zhuǎn)換成ＴＴＬ電平，二是提高單片機(jī)的抗干擾能力并保護(hù)單片機(jī)。
由單片機(jī)完成相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速值的運(yùn)算后，即可將轉(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(jī)為核心由ＩＭＰ８１３Ｌ構(gòu)成電源監(jiān)控及看門狗電路以提高系統(tǒng)工作的可靠性，系統(tǒng)中擴(kuò)展了一片Ｉ２Ｃ總線串行鐵電存儲(chǔ)器ＦＭ２４２５６，它的主要作用是存儲(chǔ)參數(shù)設(shè)定值及采集的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速值。內(nèi)含ＧＢ２３１２中文漢字庫(kù)的圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊ＯＣＭＪ４Ｘ８Ｃ可用于構(gòu)成中文人機(jī)顯示界面，ＩＣＬ２３２的作用是將單片機(jī)的ＴＴＬ電平轉(zhuǎn)換為ＲＳ－２３２電平，以便于和上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信。
４．２ 安裝使用注意事項(xiàng)
安裝使用ＪＮ３３８?jìng)鞲衅鲿r(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)
（１）應(yīng)使用兩組聯(lián)軸器將傳感器安裝在動(dòng)力源和負(fù)載之間；
（２）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；
（３）動(dòng)力及負(fù)載必須固定牢靠以避免振動(dòng)；
（４）應(yīng)將傳感器的基座與設(shè)備的基座固定牢靠，中心高度需調(diào)節(jié)合適，并應(yīng)避免產(chǎn)生附加轉(zhuǎn)矩。
５ 結(jié)束語(yǔ)
ＪＮ３３８數(shù)字式轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器是一種采用磁場(chǎng)耦合來(lái)傳遞能源及信號(hào)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、安裝簡(jiǎn)單方便、微機(jī)化測(cè)量接口簡(jiǎn)單方便等特點(diǎn)，是一種具有廣泛發(fā)展前景的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器。
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