线成45°及135°夹角螺旋线上的应变值; T 为转矩; d为扭轴直径; G 为其扭轴材料的切变弹性模量。所产生的应变可以引起贴在表面的电阻应变片阻值的变化而形成应变型转矩传感器。电机主轴旋转时, 将转矩传递到扭轴上, 扭轴上所产生的应变,通过转矩传感器的电阻应变片转换成相应的电信号,该信号通过处理后送显示器显示转矩数值。这种传感器使用方便,精度高,易于集成。 电机转速的测量方法:测量电机转速有机械式、电气式、光电式几种 。机械式较简单易行,但精度较低。电气式分为发电机式、电涡流式等,精度较高,但却产生电磁阻力矩,给转矩的测量带来较大的系统误差。光电数字式检测是利用光电原理检测转速,它有线性好、分辨力高、测速范围大等优点,而且不会对电机输出转矩造成损失,见图2-1 。
图2-1 光电式电机转速的测量原理图
它是在传感器轴上安装一片刻有均匀透明格子的码盘,当码盘随着轴旋转时,光源发出的细光束透过透明的格子射到光敏感器上, 再由光敏感器转换成电脉冲 , 计数器接收后经计算可以得到转速的数据。设在给定时间内计数器测定的
60N脉冲数为N , 则被测电机轴的转速n 为:n =mt 式中 m 为光学码盘线数, t
为计数时间。选好传感器之后,可考虑将两种传感器集成起来,共用一套放大电路及信号处理系统和显示系统,可以简化测量步骤,有效地减小测量仪体积。 2.2.2 转速测量原理
转矩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的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的转速值。
2.3 测试系统所选用的仪器选择
2.3.1 扭矩传感器的选择
转矩传感器在电动机、发动机、发电机、风机、搅拌机、卷扬机、钻探机械等众多的旋转动力测试系统中及数控机械加工中心、自动机床等机电一体化设备中已获得广泛的应用。传统的转矩传感器通常采用电阻应变桥来检测转矩信号，并采用导电滑环来耦合电源输入及应变信号输出，由于导电滑环属于磨擦接触，因此不可避免地存在着磨损和发热，这样不但限制了旋转轴的转速及导电滑环的使用寿命，同时由于接触不可靠，也不可避免地会引起测量信号的波动及误差的增加。因此，如何在旋转轴上进行能源及信号的可靠耦合已成为转矩传感器最棘手的问题，而JN338数字式转矩转速传感器则巧妙地解决了这个问题。
图2-2 JN338扭矩传感器
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。传感器的能源输入及信号输出是由两组带间隙的特殊环形变压器所承担的，因此实现了无接触的能源及信号传递功能。主要特性如下：
1)检测手段为应变电测技术；
2)测量精度高?信号检出、处理均用数字技术 3)抗干扰能力强，无需调零即可工作； 4)可靠性高、信噪比高，工作寿命长；
5)既可以测量静止扭矩，也可测量旋转转矩； 6)能够测量稳态扭矩，也能测量过渡过程的动态转矩； 7)无需反复调零即可连续测量正反转矩； 8)无集流环、电刷等磨损件，可高速超长运行；
9)转矩信号的传递与是否旋转、转速大小及旋转方向无关； 10)测量弹性体强度大，可承受１５０％过载；
11)体积小，重量轻，安装方便，有套装式、卡装式、联轴式等多种安装方式；
12)输出信号以频率形式给出，便于和计算机进行接口。 2.3.2 电机的选择
图2-3 80YYCJ25电机
80YYCJ25的特性：6W-2200W齿轮减速电机.速比1/3-1/200定速,变速,刹车电机 。
产品特点:具有寿命长,无噪声,体积小,重量轻,免保养,价格低. 产品定位 电机功率:25W 机座:80 使用电压:单相110V、单相220V、三相220V或三相380V 齿轮箱减速比:i=3-750 基本参数 安装机构型式 立式 功率 25W 各档速比3--750。
3 扭矩测量试验台硬件设计
从电机控制器电路开始，到电气电路设计，外围设计，主控制器硬件结构及原理，资源扩展单元，电源隔离单元，脉冲信号采集单元，模拟信号采集单元及网络扩展接口等。主要介绍了试验台的电气部分，其中又以控制单元结构为主。
图3-1 总体设计框图
输入220v的交流电给电机使其转动，传感器和被测器件在电动机的旋转的带动下，由于被测器件被带动时会产生不同的力传给扭矩传感器。扭矩传感器把信号传给PC机，PC机采集数据并安要求显示所要求的数据。
3.1 试验台的硬件组成
主要机械构件（立柱、横梁等）采用便于调节和拆卸组装的优质成品型材，再设计一些专门构件组成活动支架，用于安装各种夹具，其外观简洁实用，质量轻巧，易于拆装。
图3-2 扭矩测量硬件框图
本试验台是由上位机，80YYCJ25电机，电机电源控制器，JN338、传感器支架及工作台架等硬件组成。下图是本试验台的硬件部分，包括电路连接，最左侧两条是力传感器屏蔽电缆，中间两条是接近开关用屏蔽电缆，右侧两条是电机电缆。
1）硬件安装方式：JN338型智能扭矩传感器使用时的安装方式如3-2所示。
应注意的是传感器的驱动端与原动机相连。增加中间支承的目的是为了保证传感器不受因频繁更换测试设备造成安装同轴度的变化，由此引起测试数据的变化，同时可避免因安装不同轴而使传感器承受弯矩，从而引起测试数据不稳定。如果能保证安装同轴度，或者由于安装场地的限制，可去掉中间支承。
2）安装基础原动机、传感器、负载及中间支撑应安装在稳固的基础上，必须避免过大的震动，否则将可能发生数据不稳，降低测量精度，甚至损坏传感器的现象。
联轴器：采用一般弹性柱销式联轴器即可，但应尽可能减少联轴器的质量，这对小规格传感器尤其重要。为了使传感器不承受弯矩，我们推荐采用扰性联轴器（例如尼龙绳联轴器），这将显著改善传感器的工作条件，保证测量精度。
3）对于有强电磁场干扰的测试坏境，例如变频器、电涡流测功机等，建议用户使变频器等干扰源远离仪器及传感器，并接好地线。电涡流测功机与传感器之间应增加中间支承。
3.2 系统结构
系统采用模块式结构，以计算机作为主控制器。计算机有着丰富的软硬件资源和强大的系统功能，运算和控制速度高，在现场控制上有着良好的控制性能。系统其他部分都通过接口卡与计算机相连，被其控制同时为其提供测试数据。通过执行计算机上的接口软件，系统的硬件结构框图如图3-3所示。主要有以下部分：