1引言
电动机及机械动力装置旋转轴的转矩一转速特性是电动机及机械动力装置的一项重要参数，转矩转速特性曲线的形状及曲线中的起动转矩、最小转矩、最大转矩是衡量一台电动机或机械动力装置能否顺利起动和稳定运行的重要指标，因而研制出一种数字式、高精度、便携式的转矩转速测量仪则具有非常现实的意义。
在传统的旋转动力系统转矩测试中，通常借助于导电滑环来实现电阻应变桥能源的输人及应变信号的输出，然而由于被测轴在高速旋转时产生颤振，使接触点处接触电阻发生变化，从而使测量误差增大。此外，导电滑环属于摩擦接触，不可避免地存在磨损及发热，因而限制了旋转轴的转速及导电滑环的使用寿命。
为解决上述问题，选用JN338数字式转矩转速传感器进行转矩的测量，并以数字量的形式送人以AT89C52单片机为核心构成的测试系统。由于JN338传感器采用两组带间隙的特殊环形旋转变压器承担应变桥能源输人及信号输出任务，实现了能源及信号的无接触传递，从而提高了转矩测量的精度及可靠性。
本测量仪可完成转矩、转速、轴输出功率的测量及报警值设定，测量周期设定及传感器调零设定，同时还可将测试数据通过RS232口传送到上位计算机中，以实现测量数据的处理、分析和对比。下面具体阐述其测量原理、硬件构成及软件设计，并给出应用效果和结论。
2 转矩、转速测量原理
采用JN338数字转矩转速传感器对转矩进行测量，可实现转矩信号的传递，与是否旋转无关，与转速大小无关，与旋转方向无关。该传感器既可以测量静态转矩又可以测量动态转矩，无需反复调零即可连续测量正反转矩，可以高速长时间运行，检测精度高、稳定性好、抗干扰能力强。此外传感器输出信号以频率量方式给出，便子和微处理器、单片机接口。
2.1转矩测量原理
JN338转矩检测的敏感元件是电阻应变桥。将电阻应变片组成的电桥粘贴在被测弹性轴上，向应变桥提供直流电源即可检测出该弹性轴受扭时毫伏级轴应变电信号，将该应变信号放大后，经过压频转换变换成与扭应变成正比的频率信号。
2.2转速测量原理
JN338传感器在旋转轴上安装着60条齿缝的测速轮，在传感器外壳上安装一只由发光二极管及光敏三极管组成的槽型光电开关架，测速轮的每一个齿将发光二极管的光线遮挡住时，光敏三极管就输出一个高电平;当光线通过齿缝射到光敏管的窗口时光敏管就输出一个低电平，旋转轴每转一圈就可得到60个脉冲，因此，每秒钟检测到的脉冲数恰好等于每分钟转数。
2.3轴输出功率
轴输出功率可由JN338传感器输出的转矩及转速值经单片机运算后得到，计算公式为
2.5测量方法
为完成转矩及转速值的测量及显示，采用单片机测频法(M法)，即采用定时脉冲计数的方式完成转矩转速的测量。将转矩信号送单片机定时计数器T0，将转速信号送单片机定时计数器Tl，用于完成频率信号的计数。测量周期结束后，取出计数值。则由测量周期和T0、Tl计数值可由下式计算出相应的转矩转速值:
由于JN338输出的转矩频率值在5一15kHz之间，故M法所固有的士IHz计数器截断绝对误差可忽略，关键是要保证测量定时周期T的精度。为提高T的精度，采用了外部扩展硬件实时时钟芯片定时的方法，可得到精确的定时测量周期T。此外测量周期T的大小，也将影响测量精度，T的值越大，转矩转速的测量精度就会越高，稳定性越好，相应的测量时间就会越长。因此本系统的测量周期T可根据测量需要由键盘输人，取值范围为200一2000ms。
3系统硬件构成
本系统硬件电路结构框图如图1所示。
3.1人机交互界面
对于一个智能化的测量仪器而言，如能拥有一个友好中文人机界面则将大大增强仪器的可操作性，本系统使用了显示信息丰富、低功耗、无辐射的液晶图文显示模块。由于普通图形点阵液晶显示器件存在着硬件接口电路复杂，显示汉字编程繁复，显示字库占用ROM容量大等缺点，而采用了内藏中文字库的液晶图形显示模块LCM1286ZK。该模块的显示点阵数为128x64，可分为4行显示，每行可显示8个汉字或16个ASCll字符。使用该模块每屏可同时显示出测量的时间、转矩、转速、轴输出功率值，且可方便地查阅历史测量数据，从而很好地解决传统LED显示方式循环显示周期过长及人机显示界面不友好的缺点。LCM12864ZK与单片机的接口方式有8位/4位并行和2/3线串行模式。这里利用其二线串行模式与单片机接口时，仅占用单片机的二根口线，单片机的接口电路设计简单，硬件资源占用少。
本系统键盘用于输人传感器参数、量程、转矩、转速的报警值及测量周期和调零设置等参数。
3.2铁电存储器
仪器仪表中通常的做法是用E“PROM保存设置参数，而用SRAM加上后备电池来保存采集的数据，这种方法一方面使得系统硬件结构复杂，另一方面使得保存数据的可靠性降低。而铁电存储器是一种兼具RAM和RoM性能而被认为可能取代各类存储器的超级存储器，它几乎可以跟随总线速度无限次的写人且具超低功耗。本系统采用一片铁电存储器FM24c256来保存设置参数和采集的数据。
FM24C256主要参数如下:①存储容量32kxsbyte。②10亿次的读/写次数。③数据保存期为10年。④工业标准IZC总线接口。⑤1MH:的总线频率。
由于FM24C256采用IZc总线使得该器件与AT89C52单片机的接口十分简单，仅需占用单片机的两根1/0口线，同时也使得保存数据的可靠性大为提高。本系统数据保存格式为:小时(1字节)、分钟(1字节)，秒钟(1字节)、转矩值(2字节)、转速值(2字节)、功率值(2字节)。保存的参数便于作为历史数据查阅或传送给上位机。
3.3实时时钟日历
为了避免使用单片机的定时器多次重复定时中断响应时间不确定而造成的定时精度降低，提高转矩、转速测量周期T的精度，同时也为了便于定时采集转矩、转速值及定时保存转矩、转速、功率值，而扩展了基于I“C总线的实时日历时钟芯片sDZool，该芯片是具有内置晶振、充电电池、串行NVRAM的高精度、免调校实时时钟。由该芯片构成的时钟电路具有精度高、外围电路简单、接口电路简单的特点。利用该器件的中断输出引脚可得到以毫秒或秒为单位的任意时间输出，或以分钟为单位的任意时间输出。本系统即利用该器件的硬件定时功能实现了测量周期及数据的定时采集、定时保存功能。
4软件设计
本系统软件采用MCS一51汇编语言编制，由于使用了JN338数字式转矩传感器而无需进行复杂的数学运算。在软件编程中，使用了结构化、模块化的编程思想，使软件系统思路清晰、条理清楚。
本系统主要包括以下模块:初始化、转矩计算、转速计算、功率计算、转矩调零、显示输出、数据存储、报警输出、键盘控制、上位机通信。主程序框图如图2所示。
5实验结果及结论
采用标准扭矩加载装置对该测量仪的转矩进行了标定，标定测试中，采用了10个100N的标准珐码，每加1个祛码，输出轴即承受100N·m的标准扭矩载荷，所测实验数据如下表所示。
由表可知，数字式转矩转速测量仪的转矩最大相对测量误差为0.40%，从而表明该测量仪具有较高的测量精度。
6结束语
本仪器采用JN338数字式转矩传感器，解决了机械旋转轴能量及信号的可靠传递及信号输出波动问题，提高了测量精度，同时实现了转矩、转速的数字化测量，本仪器的特点在于巧妙地利用了新型传感器技术及单片机技术。
该仪器研制完成后应用在综合脱粒与分离装置试验台中，结果表明，该仪器具有较高的测量精度和较高的可靠性，因而该仪器具有很高的应用和推广价值。
参考文献
1李敏，孟臣.电动机转矩转速的计算机测试系统.仪表 技术与传感器，2003 (1)
2孟臣.李敏.高性能铁电存储器FM24C256及其在单片 机中的应用.电子技术，2003 (1)
本文作者：李敏 孟臣 文凯
