新型轉矩測量裝置的設計

趙輝趙浩

（嘉興學院南湖學院，浙江 嘉興 314001）

轉矩測量技術在現代自動化控制、航空航天、能源開發、船舶運輸和各行各業的生產發展等很多方面得到了廣泛應用。呂成緒[1]通過在發動機功力輸出軸與工作裝置的動力輸入軸之間安裝轉速和扭矩傳感器,采集轉速和扭矩信號,得出發動機實時功率值；EPS主要由機械轉向系統、轉矩傳感器、控制器和電機減速器組成，控制器根據接收到的轉向盤轉矩和轉速信號，產生合適的助力[2]；在柴油機低溫啟動過程當中，啟動阻力轉矩是一個重要參數，根據不同轉速和不同溫度下的阻力轉矩性能曲線，就可以判斷出柴油機的啟動功率等性能參數的變化趨勢及規律[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，并采集曲柄旋轉角信號來得到懸點載荷與懸點位移的關系，實現抽油機示功圖間接測量的方法[4]；“度電產量”是衡量擠壓機加工能力好壞的評價指標之一,可通過測量擠壓機工作時的三相電壓、電流、轉矩、轉速、有功功率和消耗的電能等參數,經過處理后就可以得到“年電產量”這一重要指標[5]；皮帶運輸機作為一種有牽引件的連續運輸設備,通過測量電機的輸出轉矩,可以實現對皮帶運輸機出現的打滑、斷帶、過負載、聯軸器斷開等故障進行自動檢測[6]。

轉矩傳感器在多種行業及領域中有較為廣泛的應用前景,且隨著轉矩傳感器的發展和微型計算機在這方面的應用，轉矩測量技術上升到了一個新的高度，而且準確地、實時地測出轉動軸的轉矩，還可以及時發現傳動系統中存在的故障隱患，因此，研究一種集靜態扭矩和動態轉矩測量于一體的轉矩測量系統有著非常重要的現實意義。

1 轉矩傳感器結構

傳感器機殼內有傳感器轉軸，傳感器轉軸通過軸承與端蓋固定，可相對于機殼作旋轉運行。傳感器轉軸同心外設輸出鐵心，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軸固定，另一端通過軸承與傳感器轉軸固定且可以相對傳感器轉軸轉動；傳感器轉軸同心外另設勵磁鐵心，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動；傳感器轉軸的兩端露出端蓋，一端連接動力源，另一端連接被測負載 ；勵磁鐵心設有繞組槽，勵磁繞組固定于槽中；輸出繞組設有繞組槽，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和電刷與機殼的接線盒連接。傳感器轉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軸同時轉動；勵磁繞組通過交流電源進行供電，形成的勵磁磁場為脈振磁場。

2 轉矩傳感器工作原理

當有交流電通入勵磁繞組當中，勵磁磁場磁勢幅值就會隨時間變化的變化而變化。傳感器轉軸的一端固定，另一端加載靜態扭矩。當靜態扭矩為零時，傳感器轉軸不發生形變，分別與傳感器轉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電勢值為零。當靜態扭矩不為零時，傳感器轉軸發生形變，勵磁繞組和輸出繞組的相對位置發生改變，此時勵磁磁場與輸出繞組交鏈，輸出繞組產生感應電勢，該感應電勢與所加載的靜態扭矩或者動態轉矩相對應。

3 數字轉換器

由上述轉矩傳感器的測量過程可知，傳感器轉軸受到負載扭矩或轉矩作用時產生扭角，再通過磁電感應原理將扭角轉化為對應的電信號輸出，為了方便與上位PC機通信和進行數據處理，采用數字轉化器將與扭角成對應關系的模擬電信號轉換為對應的數字量輸出。

3.1 數字轉換器

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

14XSZ系列數字轉換器模塊由微型斯科特(Scott)變壓器、高速數字式正余弦乘法器、誤差放大器、相敏解調器、壓控振蕩器、可逆計數器等部件組成[8]。其中S1、S2、S3和S4為模擬信號輸入端；Busy為轉換器的工作狀態端，高電平表示“忙”，低電平表示數據轉換結束；INH為鎖存器的工作狀態端，數據讀出之前應設為邏輯低電平；Enable為轉換器數據輸出使能端，邏輯低電平有效。

由于轉矩傳感器輸出的電信號已經是以正、余弦電壓形式表示的信號，為

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

設可逆計數器當前字狀態為φ，高速數字式正余弦乘法器將U1乘以 cosφ，U2乘以 sinφ，得到：

兩信號經過誤差放大器相減后得到：

該誤差信號經放大后，通過相敏解調器產生一個與sin（θ-φ）成正比的直流誤差信號，再經積分器、壓控振蕩器(VCO)和可逆計數器等形成一個閉環回路系統，使得sin（θ-φ）=0。當這一過程完成時，可逆計數器的狀態字(φ)在轉換器的額定精度范圍內就等于扭轉角θ，即θ=φ，完成模擬電信號到TTL電平數字角的轉換。數字角經過鎖存器后，由三態緩沖并行輸出14位二進制數字信號[8]。

4 數據處理與顯示模塊

采用單片機對14XSZ數字轉換器輸出的二進制數據進行處理，其中單片機型號為89C51，單片機的P1.0—P1.7以及P0.0—P0.5與數字轉換器14XSZ的數字信號輸出端D1—D14相連；單片機的P2.5—P2.7分別與數字轉化器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端口開始檢測數字轉換器14XSZ的Busy端口，如果Busy端口為高電平時，再重新檢測，當Busy端口為低電平時，表明轉換結束；此時單片機將P2.5端口設置為低電平，再將P2.6端口設置為低電平，單片機便會開始讀取轉換器14XSZ的數字信號輸出端D1—D14的數據，并存儲在內存單元中。

測量系統使用前，要先進行標定得到比例系數，并存放在相應的內存空間中，當讀取轉換器14XSZ的數字信號輸出端D1—D14的數據后，再乘以比例系數，最后將結果，及測量的轉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，此時只需要設置單片機的P2.3端口為低電平即可，這樣可以節省單片機的使用端口。

5 比例系數的標定

采用高精度扭力計對設計的轉矩測量裝置進行標定，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的ACD0-30型，其分辨率為0.25N·m。標定結果表明每增加0.5N·m，數字轉換電路輸出的二進制數值增加1，由此可知，本文設計的轉矩測量裝置比例系數為0.5N·m。

6 結論

本文設計了一種基于旋變感應原理的轉矩測量裝置，可以測量靜態扭矩和動態轉矩，且通過數字轉換裝置能夠方便的與單片機進行通訊和傳輸，并將轉矩值直接轉換為數字量進行顯示，具有較好的應用前景。

［1］呂成緒.洋馬聯合收割機發動機功率實時檢測系統[J].科技創新導報,2010(34):60-62.

［2］季學武,馬小平,周寒露,等.電動助力轉向系統光電式轉矩傳感器的研究[J].儀表技術與傳感器,2004(10):4-6.

［3］胡明江,王忠,祁利巧,等.轉矩傳感器在柴油機低溫阻力矩中的應用[J].儀表技術與傳感器,2009(1):9-11.

［4］吳強,廖勇.一種新型轉矩檢測技術及其在抽油機示功圖中的應用[J].電機與控制應用,2010,37(3):55-60,65.

［5］鄭爽,田淑梅.擠壓機監測系統的設計與實現[J].農機化研究,2009(10):85-87.

［6］王偉寧,李林平.皮帶運輸機故障檢測系統的研究和應用[J].中國礦業,2008,17(9):61-63.

［7］張有碩.轉矩測量技術[M].北京:計量出版社,1986.

［8］王翠珍,黃聚義,任秀芳.14位高精度旋轉變壓器數字轉換器模塊在軸角測量中的應用[J].科技信息,2009(17):113-114.