新型轉(zhuǎn)矩測量裝置的設(shè)計

趙輝趙浩

（嘉興學(xué)院南湖學(xué)院，浙江 嘉興 314001）

轉(zhuǎn)矩測量技術(shù)在現(xiàn)代自動化控制、航空航天、能源開發(fā)、船舶運輸和各行各業(yè)的生產(chǎn)發(fā)展等很多方面得到了廣泛應(yīng)用。呂成緒[1]通過在發(fā)動機功力輸出軸與工作裝置的動力輸入軸之間安裝轉(zhuǎn)速和扭矩傳感器,采集轉(zhuǎn)速和扭矩信號,得出發(fā)動機實時功率值；EPS主要由機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、轉(zhuǎn)矩傳感器、控制器和電機減速器組成，控制器根據(jù)接收到的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速信號，產(chǎn)生合適的助力[2]；在柴油機低溫啟動過程當(dāng)中，啟動阻力轉(zhuǎn)矩是一個重要參數(shù)，根據(jù)不同轉(zhuǎn)速和不同溫度下的阻力轉(zhuǎn)矩性能曲線，就可以判斷出柴油機的啟動功率等性能參數(shù)的變化趨勢及規(guī)律[3]；油井示功圖可以全面反映抽油機的運行狀況及原油的開采情況，通過曲柄軸扭矩及平衡來計算載荷，并采集曲柄旋轉(zhuǎn)角信號來得到懸點載荷與懸點位移的關(guān)系，實現(xiàn)抽油機示功圖間接測量的方法[4]；“度電產(chǎn)量”是衡量擠壓機加工能力好壞的評價指標(biāo)之一,可通過測量擠壓機工作時的三相電壓、電流、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、有功功率和消耗的電能等參數(shù),經(jīng)過處理后就可以得到“年電產(chǎn)量”這一重要指標(biāo)[5]；皮帶運輸機作為一種有牽引件的連續(xù)運輸設(shè)備,通過測量電機的輸出轉(zhuǎn)矩,可以實現(xiàn)對皮帶運輸機出現(xiàn)的打滑、斷帶、過負(fù)載、聯(lián)軸器斷開等故障進(jìn)行自動檢測[6]。

轉(zhuǎn)矩傳感器在多種行業(yè)及領(lǐng)域中有較為廣泛的應(yīng)用前景,且隨著轉(zhuǎn)矩傳感器的發(fā)展和微型計算機在這方面的應(yīng)用，轉(zhuǎn)矩測量技術(shù)上升到了一個新的高度，而且準(zhǔn)確地、實時地測出轉(zhuǎn)動軸的轉(zhuǎn)矩，還可以及時發(fā)現(xiàn)傳動系統(tǒng)中存在的故障隱患，因此，研究一種集靜態(tài)扭矩和動態(tài)轉(zhuǎn)矩測量于一體的轉(zhuǎn)矩測量系統(tǒng)有著非常重要的現(xiàn)實意義。

1 轉(zhuǎn)矩傳感器結(jié)構(gòu)

傳感器機殼內(nèi)有傳感器轉(zhuǎn)軸，傳感器轉(zhuǎn)軸通過軸承與端蓋固定，可相對于機殼作旋轉(zhuǎn)運行。傳感器轉(zhuǎn)軸同心外設(shè)輸出鐵心，輸出鐵心一端與緊固配件連接，再通過固定螺栓與傳感器轉(zhuǎn)軸固定，另一端通過軸承與傳感器轉(zhuǎn)軸固定且可以相對傳感器轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動；傳感器轉(zhuǎn)軸同心外另設(shè)勵磁鐵心，勵磁鐵心一端與緊固配件連接，再通過固定螺栓與傳感器轉(zhuǎn)軸固定，另一端通過軸承與輸出鐵心固定且可以相對輸出鐵心轉(zhuǎn)動；傳感器轉(zhuǎn)軸的兩端露出端蓋，一端連接動力源，另一端連接被測負(fù)載 ；勵磁鐵心設(shè)有繞組槽，勵磁繞組固定于槽中；輸出繞組設(shè)有繞組槽，輸出繞組固定于槽中；勵磁繞組和輸出繞組同為單相繞組；勵磁繞組和輸出繞組的引出頭通過滑環(huán)和電刷與機殼的接線盒連接。傳感器轉(zhuǎn)軸的兩端比中間部分粗；勵磁繞組和輸出繞組互相垂直，空間上互差90°，且兩相繞組與傳感器轉(zhuǎn)軸同時轉(zhuǎn)動；勵磁繞組通過交流電源進(jìn)行供電，形成的勵磁磁場為脈振磁場。

2 轉(zhuǎn)矩傳感器工作原理

當(dāng)有交流電通入勵磁繞組當(dāng)中，勵磁磁場磁勢幅值就會隨時間變化的變化而變化。傳感器轉(zhuǎn)軸的一端固定，另一端加載靜態(tài)扭矩。當(dāng)靜態(tài)扭矩為零時，傳感器轉(zhuǎn)軸不發(fā)生形變，分別與傳感器轉(zhuǎn)軸兩端固定的勵磁鐵心和輸出鐵心的位置保持不變。勵磁繞組在空間上垂直于輸出繞組，勵磁磁場與輸出繞組之間不存在交鏈，而且輸出繞組的感應(yīng)電勢值為零。當(dāng)靜態(tài)扭矩不為零時，傳感器轉(zhuǎn)軸發(fā)生形變，勵磁繞組和輸出繞組的相對位置發(fā)生改變，此時勵磁磁場與輸出繞組交鏈，輸出繞組產(chǎn)生感應(yīng)電勢，該感應(yīng)電勢與所加載的靜態(tài)扭矩或者動態(tài)轉(zhuǎn)矩相對應(yīng)。

3 數(shù)字轉(zhuǎn)換器

由上述轉(zhuǎn)矩傳感器的測量過程可知，傳感器轉(zhuǎn)軸受到負(fù)載扭矩或轉(zhuǎn)矩作用時產(chǎn)生扭角，再通過磁電感應(yīng)原理將扭角轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的電信號輸出，為了方便與上位PC機通信和進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，采用數(shù)字轉(zhuǎn)化器將與扭角成對應(yīng)關(guān)系的模擬電信號轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的數(shù)字量輸出。

3.1 數(shù)字轉(zhuǎn)換器

本文采用的數(shù)字轉(zhuǎn)換器為14XSZ系列數(shù)字轉(zhuǎn)換器，將來自轉(zhuǎn)矩傳感器輸出的模擬電信號轉(zhuǎn)換成與TTL電平兼容的并行二進(jìn)制碼(數(shù)字信號)輸出。

14XSZ系列數(shù)字轉(zhuǎn)換器模塊由微型斯科特(Scott)變壓器、高速數(shù)字式正余弦乘法器、誤差放大器、相敏解調(diào)器、壓控振蕩器、可逆計數(shù)器等部件組成[8]。其中S1、S2、S3和S4為模擬信號輸入端；Busy為轉(zhuǎn)換器的工作狀態(tài)端，高電平表示“忙”，低電平表示數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)束；INH為鎖存器的工作狀態(tài)端，數(shù)據(jù)讀出之前應(yīng)設(shè)為邏輯低電平；Enable為轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)輸出使能端，邏輯低電平有效。

由于轉(zhuǎn)矩傳感器輸出的電信號已經(jīng)是以正、余弦電壓形式表示的信號，為

將轉(zhuǎn)矩傳感器的四線輸出連接到轉(zhuǎn)換器的S1、S2、S3、S4引腳端，此時變壓器只起降壓和隔離作用。

設(shè)可逆計數(shù)器當(dāng)前字狀態(tài)為φ，高速數(shù)字式正余弦乘法器將U1乘以 cosφ，U2乘以 sinφ，得到：

兩信號經(jīng)過誤差放大器相減后得到：

該誤差信號經(jīng)放大后，通過相敏解調(diào)器產(chǎn)生一個與sin（θ-φ）成正比的直流誤差信號，再經(jīng)積分器、壓控振蕩器(VCO)和可逆計數(shù)器等形成一個閉環(huán)回路系統(tǒng)，使得sin（θ-φ）=0。當(dāng)這一過程完成時，可逆計數(shù)器的狀態(tài)字(φ)在轉(zhuǎn)換器的額定精度范圍內(nèi)就等于扭轉(zhuǎn)角θ，即θ=φ，完成模擬電信號到TTL電平數(shù)字角的轉(zhuǎn)換。數(shù)字角經(jīng)過鎖存器后，由三態(tài)緩沖并行輸出14位二進(jìn)制數(shù)字信號[8]。

4 數(shù)據(jù)處理與顯示模塊

采用單片機對14XSZ數(shù)字轉(zhuǎn)換器輸出的二進(jìn)制數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，其中單片機型號為89C51，單片機的P1.0—P1.7以及P0.0—P0.5與數(shù)字轉(zhuǎn)換器14XSZ的數(shù)字信號輸出端D1—D14相連；單片機的P2.5—P2.7分別與數(shù)字轉(zhuǎn)化器14XSZ的INH、Enable和Busy端連接；單片機的P2.0—P2.4分別與液晶顯示器的RS、RW、E、PSB和RST端連接。

測量系統(tǒng)工作時，首先是單片機的初始化，然后單片機的P2.7端口開始檢測數(shù)字轉(zhuǎn)換器14XSZ的Busy端口，如果Busy端口為高電平時，再重新檢測，當(dāng)Busy端口為低電平時，表明轉(zhuǎn)換結(jié)束；此時單片機將P2.5端口設(shè)置為低電平，再將P2.6端口設(shè)置為低電平，單片機便會開始讀取轉(zhuǎn)換器14XSZ的數(shù)字信號輸出端D1—D14的數(shù)據(jù)，并存儲在內(nèi)存單元中。

測量系統(tǒng)使用前，要先進(jìn)行標(biāo)定得到比例系數(shù)，并存放在相應(yīng)的內(nèi)存空間中，當(dāng)讀取轉(zhuǎn)換器14XSZ的數(shù)字信號輸出端D1—D14的數(shù)據(jù)后，再乘以比例系數(shù)，最后將結(jié)果，及測量的轉(zhuǎn)矩值顯示在液晶屏上。此外，液晶屏的通訊方式選擇為串口通信，此時只需要設(shè)置單片機的P2.3端口為低電平即可，這樣可以節(jié)省單片機的使用端口。

5 比例系數(shù)的標(biāo)定

采用高精度扭力計對設(shè)計的轉(zhuǎn)矩測量裝置進(jìn)行標(biāo)定，傳感器的勵磁電壓頻率為10KHz，幅值為7V，扭力計為嵊州嘉牧公司生產(chǎn)的ACD0-30型，其分辨率為0.25N·m。標(biāo)定結(jié)果表明每增加0.5N·m，數(shù)字轉(zhuǎn)換電路輸出的二進(jìn)制數(shù)值增加1，由此可知，本文設(shè)計的轉(zhuǎn)矩測量裝置比例系數(shù)為0.5N·m。

6 結(jié)論

本文設(shè)計了一種基于旋變感應(yīng)原理的轉(zhuǎn)矩測量裝置，可以測量靜態(tài)扭矩和動態(tài)轉(zhuǎn)矩，且通過數(shù)字轉(zhuǎn)換裝置能夠方便的與單片機進(jìn)行通訊和傳輸，并將轉(zhuǎn)矩值直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字量進(jìn)行顯示，具有較好的應(yīng)用前景。

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