0 引言
    電動機及機械動力裝置旋轉軸的轉矩一轉速特性是電動機及機械動力裝置的一項重要參數，轉矩轉速特性曲線的形狀及曲線中的起動轉矩、最小轉矩、最大轉矩等參數，往往是衡量一臺電動機或機械動力裝置能否順利起動和穩定運行的重要指標，因此，研制一種數字式、高精度、便攜式的轉矩轉速測量儀器，具有非常現實的意義。
    傳統的旋轉動力系統轉矩測試，通常是采用電阻應變橋來檢測轉矩信號并借助于導電滑環來實現電阻應變橋能源的輸入及應變信號的輸出，但是，由于被測軸在高速旋轉時會產生顫振，使接觸點處的接觸電阻發生變化，從而使測量誤差增大。此外，導電滑環屬于摩擦接觸，也不可避免地存在磨損及發熱，因而限制了旋轉軸的轉速及導電滑環的使用壽命。
    為了更好地測量電機的輸出轉矩和轉速，控制和調整電機，本文選用JN338數字式轉矩轉速傳感器來進行轉矩的測量，并以數字量的形式送入以AT89C52單片機為核心構成的測試系統。由于JN338傳感器采用兩組帶間隙的特殊環形旋轉變壓器來承擔應變橋能源輸入及信號輸出任務，從而實現能源及信號的無接觸傳遞，因此提高了轉矩測量的精度及可靠性。此外，該傳感器還可同時實現旋轉軸轉速的測量，并方便地計算出軸的輸出功率，因此，利用該傳感器可實現轉矩、轉速及軸功率的多參數輸出。本測量儀還可完成轉矩、轉速、軸輸出功率的測量及報警值設定，測量周期設定及傳感器調零設定，同時還可將測試數據通過RS232口傳送到上位計算機，以實現測量數據的處理、分析和對比。

1 轉矩轉速測量原理
    用JN338數字轉矩轉速傳感器對轉矩進行測量，可實現轉矩信號的傳遞，而與旋轉無關，也與轉速大小和旋轉方向無關。該傳感器既可以測量靜態轉矩，又可以測量動態轉矩，它無需反復調零即可連續測量正反轉矩，并可高速長時間運行，而且檢測精度高、穩定性好、抗干擾能力強。此外，傳感器的輸出信號以頻率量給出，也便于和微處理器、單片機進行接口。
1．1 轉矩測量
    JN338轉矩傳感器的檢測敏感組件是電阻應變橋。該應變橋可以通過應變膠將專用的測扭應變片粘貼在被測彈性軸上，從而組成應變電橋，這樣，只要向應變電橋提供電源，即可測得該彈性軸受扭的電信號，然后將該應變信號放大，再經過壓／頻轉換變成與扭應變成正比的頻率信號。傳感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。該應變傳感器的測量原理如圖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扭應變片并組成電橋，以形成基礎扭矩傳感器，然后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。電路板上則包含整流穩壓電源、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。
    該傳感器電路在工作時，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生的400 Hz的方波，經過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，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。再將該電源作為運算放大器AD822的工作電源，并由基準電源AD589與雙運放AD822組成的高精度穩壓后，便可產生±4．5V的精密直流電源。該電源既可作為應變電橋的電源，又可作為儀表放大器及V／F轉換器的工作電源。而當彈性軸受扭時，應變橋檢測到的mV級應變信號通過儀表放大器AD620將其放大成1．5 V±1 V的強信號，再通過V／F轉換器LM33l變換成頻率信號。此信號可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，再經過傳感器外殼上的信號處理電路進行濾波、整形，即可得到與彈性軸承受的扭矩成正比的頻率信號輸出。
    JN338轉矩傳感器信號輸出形式如下：
    零轉矩：10 kHz±50 Hz；
    正向旋轉滿量程：15 kHz±50 Hz；
    反向旋轉滿量程：5 kHz±50 Hz；
    信號幅值：0~8V；
    負載電流：40mA。

1．2 轉速測量
    轉矩傳感器在旋轉軸上安裝有60條齒縫的測速輪，同時在傳感器外殼上安裝有一只由發光二極管及光敏三極管組成的槽型光電開關架，測速輪的每一個齒將發光二極管的光線遮擋住時，光敏三極管就輸出一個高電平，而當光線通過齒縫射到光敏管的窗口時，光敏管則輸出一個低電平，這樣，旋轉軸每轉一圈就可得到60個脈沖。因此，每秒鐘檢測到的脈沖數恰好等于每分鐘的轉速值。
1．3 測量方法
    為了完成轉矩及轉速值的測量及顯示，本設計采用單片機測頻法(M法)，即采用定時脈沖計數的方式來完成轉矩轉速的測量。將轉矩信號送單片機定時計數器T0，并將轉速信號送單片機定時計數器T1，以用于完成頻率信號的計數。然后在測量周期結束后，取出計數值。再由測量周期和T0、T1的計數值，并通過計算得出相應的轉矩轉速值。
    由于JN338輸出的轉矩頻率值一般在5～15kHz之間，因此，M法所固有的±l Hz計數器截斷絕對誤差可以忽略，關鍵是要保證測量定時周期T的精度。為提高T的精度，可采用外部擴展硬件實時時鐘芯片的定時方法，來得到精確的定時測量周期T。此外，測量周期T的大小，也將影響測量精度，T值越大，轉矩轉速的測量精度就會越高，穩定性越好，相應的測量時間也會越長。因此，本系統的測量周期T可根據測量需要由鍵盤輸入，取值范圍為200~2000 ms。

2 系統硬件構成
    由于JN338的輸出為頻率量數字信號，故該傳感器可方便地與計算機或單片機接口。圖2給出了JN338與單片機AT89C52進行接口構成的智能轉矩轉速測量儀的硬件電路結構框圖。基中AT89C52單片機是一種低功耗、高性能、CMOS型微處理器，其片內含有8 kB的可反復擦寫只讀程序存儲器和256B的RAM。圖2中，JN338轉矩傳感器輸出的轉矩及轉速信號經光耦隔離后送入單片機的TO、T1計數器，然后由TO和Tl完成測頻計數功能，秒脈沖閘門由T2提供。其中光耦的作用，一是電平轉換，即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和保護單片機。

    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并顯示輸出。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，此外，系統中還擴展了一片I2C總線串行鐵電存儲器FM24256，它的主要作用是存儲參數設定值及采集的轉矩轉速值。通過內含GB2312中文漢字庫的圖形點陣液晶顯示模塊OCMJ4X8C可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一232電平，以便于和上位計算機進行通信。
2．1 人機交互界面設計
    對于一個智能化的測量儀器而言，如能擁有一個友好的中文人機界面，會大大增強儀器的可操作性，本系統使用了顯示信息豐富、功耗低、無輻射的液晶圖文顯示模塊。由于普通圖形點陣液晶顯示器件存在著硬件接口電路復雜、顯示漢字編程繁復、顯示字庫占用ROM容量大等缺點，因此，本設計中采用了內藏中文字庫的液晶圖形顯示模塊LCMl286ZK。
    該模塊的顯示點陣數為128x64，可分為4行顯示，每行可顯示8個漢字或16個ASCⅡ字符。使用該模塊每屏可同時顯示測量時間、轉矩、轉速、軸輸出功率值，且可方便地查閱歷史測量數據，從而很好地解決了傳統LED顯示方式循環顯示周期過長及人機顯示界面不友好的缺點。LCMl2864ZK與單片機的接口方式有8位／4位并行和2／3線串行模式。本設計利用其二線串行模式與單片機進行接口，僅占用單片機的二根口線，單片機的接口電路設計也比較簡單，硬件資源占用少。本系統鍵盤用于輸入傳感器參數、量程、轉矩、轉速的報警值，以及測量周期和調零設置等參數。
2．2 鐵電存儲器
    通常情況下，儀器儀表中都可用E2PROM來保存設置的參數，而用SRAM加上后備電池來保存采集的數據。但是，這種方法有一定的不足，一方面是系統硬件結構復雜，另一方面，其保存數據的可靠性也較低。而鐵電存儲器是一種兼具RAM和ROM性能，并被認為可能取代各類存儲器的超級存儲器，它幾乎可以跟隨總線速度無限次的寫入且具有超低功耗特性。因此，本系統采用一片鐵電存儲器FM24C256來保存設置的參數和采集的數據。
    FM24C256存儲器的存儲容量為32 kx8 byte，具有10億次的讀／寫次數，數據保存期為10年，并帶有工業標準I2C總線接口，具有1MHz的總線頻率。
    由于FM24C256采用I2C總線，因此，該器件與AT89C52單片機的接口十分簡單，僅需占用單片機的兩根I／O口線，同時也使得數據保存的可靠性大為提高。本系統的數據保存格式為：小時(1字節)、分鐘(1字節)，秒鐘(1字節)、轉矩值(2字節)、轉速值(2字節)、功率值(2字節)。保存的參數可以作為歷史數據查閱或傳送給上位機。
2．3 實時時鐘日歷
    為了避免使用單片機的定時器多次重復定時，其中斷響應時間不確定而造成的定時精度降低，提高轉矩、轉速測量周期的精度，同時也為了便于定時采集轉矩、轉速值并定時保存轉矩、轉速和功率值，本設計擴展了基于I2C總線的實時日歷時鐘芯片SD2001。該芯片是具有內置晶振、充電電池、串行NVRAM的高精度、免調校實時時鐘器件。由該芯片構成的時鐘電路具有精度高、外圍和接口電路簡單的特點。利用該器件的中斷輸出引腳可得到以毫秒或秒為單位的任意時間輸出，或以分鐘為單位的任意時間輸出。本系統即利用該器件的硬件定時功能來實現測量周期及數據的定時采集和定時保存。

3 軟件設計
    本系統軟件可采用MCS一51匯編語言編制。由于使用了JN338數字式轉矩傳感器，因而無需進行復雜的數學運算。本文在軟件編程中，使用了結構化、模塊化的編程思想，使軟件系統思路更加清晰、條理清楚。
    圖3所示是本系統的主程序軟件框圖。本系統軟件主要包括初始化、轉矩計算、轉速計算、功率計算、轉矩調零、顯示輸出、數據存儲、報警輸出、鍵盤控制、上位機通信等模塊。

4 實驗結果
    通常可以采用標準扭矩加載裝置來對該測量儀的轉矩進行標定，標定測試可采用10個100 N的標準砝碼，每加1個砝碼，輸出軸即承受100N·m的標準扭矩載荷。所測的實驗數據如表1所列。由表l可知，該數字式轉矩轉速測量儀的轉矩最大相對測量誤差為0．40％，因此表明，該測量儀具有較高的測量精度。

5 結束語
    本儀器采用JN338數字式轉矩傳感器解決了機械旋轉軸能量及信號的可靠傳遞及信號輸出波動問題，提高了測量精度，同時實現了轉矩、轉速的數字化測量。本儀器的特點在于巧妙地利用了新型傳感器技術及單片機技術，從而為更好地控制電動機和太陽能熱發電系統的運轉提供了保障。