新型转矩测量装置的设计

赵辉赵浩

（嘉兴学院南湖学院，浙江 嘉兴 314001）

转矩测量技术在现代自动化控制、航空航天、能源开发、船舶运输和各行各业的生产发展等很多方面得到了广泛应用。吕成绪[1]通过在发动机功力输出轴与工作装置的动力输入轴之间安装转速和扭矩传感器,采集转速和扭矩信号,得出发动机实时功率值；EPS主要由机械转向系统、转矩传感器、控制器和电机减速器组成，控制器根据接收到的转向盘转矩和转速信号，产生合适的助力[2]；在柴油机低温启动过程当中，启动阻力转矩是一个重要参数，根据不同转速和不同温度下的阻力转矩性能曲线，就可以判断出柴油机的启动功率等性能参数的变化趋势及规律[3]；油井示功图可以全面反映抽油机的运行状况及原油的开采情况，通过曲柄轴扭矩及平衡来计算载荷，并采集曲柄旋转角信号来得到悬点载荷与悬点位移的关系，实现抽油机示功图间接测量的方法[4]；“度电产量”是衡量挤压机加工能力好坏的评价指标之一,可通过测量挤压机工作时的三相电压、电流、转矩、转速、有功功率和消耗的电能等参数,经过处理后就可以得到“年电产量”这一重要指标[5]；皮带运输机作为一种有牵引件的连续运输设备,通过测量电机的输出转矩,可以实现对皮带运输机出现的打滑、断带、过负载、联轴器断开等故障进行自动检测[6]。

转矩传感器在多种行业及领域中有较为广泛的应用前景,且随着转矩传感器的发展和微型计算机在这方面的应用，转矩测量技术上升到了一个新的高度，而且准确地、实时地测出转动轴的转矩，还可以及时发现传动系统中存在的故障隐患，因此，研究一种集静态扭矩和动态转矩测量于一体的转矩测量系统有着非常重要的现实意义。

1 转矩传感器结构

传感器机壳内有传感器转轴，传感器转轴通过轴承与端盖固定，可相对于机壳作旋转运行。传感器转轴同心外设输出铁心，输出铁心一端与紧固配件连接，再通过固定螺栓与传感器转轴固定，另一端通过轴承与传感器转轴固定且可以相对传感器转轴转动；传感器转轴同心外另设励磁铁心，励磁铁心一端与紧固配件连接，再通过固定螺栓与传感器转轴固定，另一端通过轴承与输出铁心固定且可以相对输出铁心转动；传感器转轴的两端露出端盖，一端连接动力源，另一端连接被测负载 ；励磁铁心设有绕组槽，励磁绕组固定于槽中；输出绕组设有绕组槽，输出绕组固定于槽中；励磁绕组和输出绕组同为单相绕组；励磁绕组和输出绕组的引出头通过滑环和电刷与机壳的接线盒连接。传感器转轴的两端比中间部分粗；励磁绕组和输出绕组互相垂直，空间上互差90°，且两相绕组与传感器转轴同时转动；励磁绕组通过交流电源进行供电，形成的励磁磁场为脉振磁场。

2 转矩传感器工作原理

当有交流电通入励磁绕组当中，励磁磁场磁势幅值就会随时间变化的变化而变化。传感器转轴的一端固定，另一端加载静态扭矩。当静态扭矩为零时，传感器转轴不发生形变，分别与传感器转轴两端固定的励磁铁心和输出铁心的位置保持不变。励磁绕组在空间上垂直于输出绕组，励磁磁场与输出绕组之间不存在交链，而且输出绕组的感应电势值为零。当静态扭矩不为零时，传感器转轴发生形变，励磁绕组和输出绕组的相对位置发生改变，此时励磁磁场与输出绕组交链，输出绕组产生感应电势，该感应电势与所加载的静态扭矩或者动态转矩相对应。

3 数字转换器

由上述转矩传感器的测量过程可知，传感器转轴受到负载扭矩或转矩作用时产生扭角，再通过磁电感应原理将扭角转化为对应的电信号输出，为了方便与上位PC机通信和进行数据处理，采用数字转化器将与扭角成对应关系的模拟电信号转换为对应的数字量输出。

3.1 数字转换器

本文采用的数字转换器为14XSZ系列数字转换器，将来自转矩传感器输出的模拟电信号转换成与TTL电平兼容的并行二进制码(数字信号)输出。

14XSZ系列数字转换器模块由微型斯科特(Scott)变压器、高速数字式正余弦乘法器、误差放大器、相敏解调器、压控振荡器、可逆计数器等部件组成[8]。其中S1、S2、S3和S4为模拟信号输入端；Busy为转换器的工作状态端，高电平表示“忙”，低电平表示数据转换结束；INH为锁存器的工作状态端，数据读出之前应设为逻辑低电平；Enable为转换器数据输出使能端，逻辑低电平有效。

由于转矩传感器输出的电信号已经是以正、余弦电压形式表示的信号，为

将转矩传感器的四线输出连接到转换器的S1、S2、S3、S4引脚端，此时变压器只起降压和隔离作用。

设可逆计数器当前字状态为φ，高速数字式正余弦乘法器将U1乘以 cosφ，U2乘以 sinφ，得到：

两信号经过误差放大器相减后得到：

该误差信号经放大后，通过相敏解调器产生一个与sin（θ-φ）成正比的直流误差信号，再经积分器、压控振荡器(VCO)和可逆计数器等形成一个闭环回路系统，使得sin（θ-φ）=0。当这一过程完成时，可逆计数器的状态字(φ)在转换器的额定精度范围内就等于扭转角θ，即θ=φ，完成模拟电信号到TTL电平数字角的转换。数字角经过锁存器后，由三态缓冲并行输出14位二进制数字信号[8]。

4 数据处理与显示模块

采用单片机对14XSZ数字转换器输出的二进制数据进行处理，其中单片机型号为89C51，单片机的P1.0—P1.7以及P0.0—P0.5与数字转换器14XSZ的数字信号输出端D1—D14相连；单片机的P2.5—P2.7分别与数字转化器14XSZ的INH、Enable和Busy端连接；单片机的P2.0—P2.4分别与液晶显示器的RS、RW、E、PSB和RST端连接。

测量系统工作时，首先是单片机的初始化，然后单片机的P2.7端口开始检测数字转换器14XSZ的Busy端口，如果Busy端口为高电平时，再重新检测，当Busy端口为低电平时，表明转换结束；此时单片机将P2.5端口设置为低电平，再将P2.6端口设置为低电平，单片机便会开始读取转换器14XSZ的数字信号输出端D1—D14的数据，并存储在内存单元中。

测量系统使用前，要先进行标定得到比例系数，并存放在相应的内存空间中，当读取转换器14XSZ的数字信号输出端D1—D14的数据后，再乘以比例系数，最后将结果，及测量的转矩值显示在液晶屏上。此外，液晶屏的通讯方式选择为串口通信，此时只需要设置单片机的P2.3端口为低电平即可，这样可以节省单片机的使用端口。

5 比例系数的标定

采用高精度扭力计对设计的转矩测量装置进行标定，传感器的励磁电压频率为10KHz，幅值为7V，扭力计为嵊州嘉牧公司生产的ACD0-30型，其分辨率为0.25N·m。标定结果表明每增加0.5N·m，数字转换电路输出的二进制数值增加1，由此可知，本文设计的转矩测量装置比例系数为0.5N·m。

6 结论

本文设计了一种基于旋变感应原理的转矩测量装置，可以测量静态扭矩和动态转矩，且通过数字转换装置能够方便的与单片机进行通讯和传输，并将转矩值直接转换为数字量进行显示，具有较好的应用前景。

［1］吕成绪.洋马联合收割机发动机功率实时检测系统[J].科技创新导报,2010(34):60-62.

［2］季学武,马小平,周寒露,等.电动助力转向系统光电式转矩传感器的研究[J].仪表技术与传感器,2004(10):4-6.

［3］胡明江,王忠,祁利巧,等.转矩传感器在柴油机低温阻力矩中的应用[J].仪表技术与传感器,2009(1):9-11.

［4］吴强,廖勇.一种新型转矩检测技术及其在抽油机示功图中的应用[J].电机与控制应用,2010,37(3):55-60,65.

［5］郑爽,田淑梅.挤压机监测系统的设计与实现[J].农机化研究,2009(10):85-87.

［6］王伟宁,李林平.皮带运输机故障检测系统的研究和应用[J].中国矿业,2008,17(9):61-63.

［7］张有硕.转矩测量技术[M].北京:计量出版社,1986.

［8］王翠珍,黄聚义,任秀芳.14位高精度旋转变压器数字转换器模块在轴角测量中的应用[J].科技信息,2009(17):113-114.