专利名称：转矩转速传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及传感器技术领域，尤其涉及一种转矩转速传感器，该转 矩转速传感器能够经由现场总线向外界传输数字测量信号。
背景技术：
目前，转矩转速传感器在电动机、发动机、发电机、风机、搅拌机、巻 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。
在现有技术中，转矩转速传感器由测量转矩的转矩传感器和测量转速的 转速传感器两部分组成。转矩传感器通常以电阻应变片为敏感元件，在转轴 或与转轴串接的弹性轴上安装四片精密电阻应变片，并把它们连接成惠思顿 电桥。轴的变形会引起应变片的阻值发生变化，电桥输出信号与转矩成比例， 并采用导电滑环来耦合电源输入及应变信号输出。传统的转速传感器有采用 齿轮的方式测量转速的，也有采用在旋转轴上安装加工有栅槽的齿盘，通过 发光晶体管产生光源以及光敏电阻接收光信号来输出脉沖式电压或者电流脉 冲信号测量转速的。
现有技术的缺陷是无论是转矩传感器还是转速传感器，其输出信号均 为模拟信号，而随着用户对系统集成化程度的要求不断提高，模拟信号的输 出已经不能满足测量电路设计的需求。而且，随着大规模集成电路以及自动 控制技术的不断发展，将转矩转速传感器获取的测量信号通过工业现场总线 进行传输已经成为迫切需求
实用新型内容
本实用新型的目的是针对现有技术的缺陷，提供一种转矩转速传感器， 以实现经由现场总线向外界传输数字测量数据。
为实现上述目的，本实用新型提供了一种转矩转速传感器，包括
转矩传感器、转速传感器以及信号处理器，所述信号处理器与所述转矩 传感器和所述转速传感器连接，所述信号处理器将所述转矩传感器和所述转 速传感器输出的模拟信号转换成数字信号并经由现场总线输出。
由上述技术方案可知，本实用新型通过信号处理器能够将转矩传感器和 转速传感器输出的模拟信号转换成适用于经由现场总线传输的数字转矩信号 和数字转速信号并传输，满足了用户对系统集成化程度的要求不断提高以及 能够通过工业现场总线接口传输测量数据的技术需求。
下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。
图1为本实用新型转矩转速传感器第一实施例的结构框图2为本实用新型转矩转速传感器第二实施例的结构框图3为本实用新型转矩转速传感器第二实施例转矩传感器的结构图4为本实用新型转矩转速传感器第三实施例的结构框图5为本实用新型转矩转速传感器第三实施例信号预处理单元的输入波
形图6为本实用新型转矩转速传感器第三实施例信号预处理单元的输出波 形图。
具体实施方式
图1为本实用新型转矩转速传感器第一实施例的结构框图。如图l所示， 该转矩转速传感器包括转矩传感器l、转速传感器2以及信号处理器3。 具体地，转矩传感器1用于测量转矩，并输出与转矩成数学关系的转矩频率信号。转速传感器2用于测量转速，并输出与转速成数学关系的转速频 率信号。该数学关系可以为具有一定斜率的线性关系，也可以为先在某段时 间内具有一定斜率，再转变为斜率为零的线性关系，同样也可以为非线性关 系，依据测量需求，该数学关系可以自行选择。信号处理器3与转矩传感器 1和转速传感器2连接，用于对转矩频率信号和转速频率信号进行信号处理， 获取转矩参数和转速参数，输出与转矩参数对应的;f莫拟转矩信号、与转速参 数对应的模拟转速信号，并将模拟转矩信号和模拟转速信号转换成数字转矩 信号和数字转速信号并经由现场总线输出。
本实施例转矩转速传感器通过信号处理器对转矩传感器和转速传感器测 得的转矩频率信号和转速频率信号进行信号处理，从而获取相应的转矩参数 和转速参数。同时，将^t拟转矩信号和模拟转速信号转换成适用于现场总线 接口传输的数字转矩信号和数字转速信号并经由现场总线输出。该转矩转速 传感器的输出信号包括模拟转矩信号、模拟转速信号、数字转矩信号以及数 字转速信号，因此，该转矩转速传感器能够满足不同用户对测量结果的需求， 同时兼容传统产品的信号接口 ，满足了用户对系统集成化程度的要求不断提 高以及能够通过工业现场总线接口传输数字测量数据的技术需求。
图2为本实用新型转矩转速传感器第二实施例的结构框图。如图2所示， 该转矩转速传感器包括转矩传感器l、转速传感器2以及信号处理器3。转 矩传感器1能够测量转矩，并输出与转矩成数学关系的转矩频率信号。转速 传感器2能够测量转速，并输出与转速成数学关系的转速频率信号。该数学 关系可以为具有一定斜率的线性关系，也可以为先在某段时间内具有一定斜 率，再转变为斜率为零的线性关系，同样也可以为非线性关系，依据测量需 求，该数学关系可以自行选择。信号处理器3与转矩传感器1和转速传感器 2连接，对转矩频率信号和转速频率信号进行信号处理，获取转矩参数和转 速参数，输出与转矩参数对应的模拟转矩信号、与转速参数对应的模拟转速 信号，并将模拟转矩信号和模拟转速信号转换成能够用于现场总线接口传输的数字转矩信号和数字转速信号并输出。
转矩传感器l可以包括能源部件IO和功能部件11。功能部件ll用于 测量转矩并输出与转矩成数学关系的转矩频率信号；能源部件IO为该功能部 件11提供电源。进一步地，该能源部件IO可以包括输入能源耦合器100 和稳压器101。该功能部件11可以包括应变桥110、放大器111、电压频 率转换器112以及输出信号耦合器113。
图3为本实用新型转矩转速传感器第二实施例转矩传感器的结构图。如 图3所示，转矩参数的测量是采用应变电测原理。应变轴12感应因扭力而产 生的机械变形，该变形与转矩的变化相关；输入能源耦合器100将外部提供 的电源耦合到应变轴12上，向位于应变轴12上的电子器件提供电源。能源 的无接触耦合方式解决了旋转状态下测量转矩参数的能源提供问题。稳压器 101与输入能源耦合器100连接，将耦合得到的电源转换成稳定电压并提供 给功能部件11中的应变桥110、放大器111、电压频率转换器112以及输出 信号耦合器113。通过该稳压器101能够保证给功能部件11提供的电压为稳 定值。应变桥110设置于应变轴12上，该应变桥110由具有相同应变特性的 应变计组成测量电桥，当应变轴12受到扭力影响而产生微小的机械变形后， 应变桥110的应变计阻值就会发生相应变化，进而影响到其上的电压发生变 化，从而将应变轴12的变形转换成电压信号进行测量。放大器111在稳压器 101提供的稳定电压下将应变桥110中测得的电压信号进行放大处理。在经 过放大器111的放大处理后，电压频率转换器112就在稳压器101提供的稳 定电压下将放大处理后的电压信号转换成转矩频率信号。输出信号耦合器113 在稳压器101提供的稳定电压下将电压频率转换器112中获取的转矩频率信 号耦合输出。信号的无接触耦合方式解决了旋转状态下转矩参数的测量问题。
本实施例的转矩传感器通过应变桥测量转矩，获取与转矩对应的电压信 号，并通过电压频率转换器将该电压信号转换成频率信号，进而获取转矩频 率信号以供后续处理，同时能源的输入以及信号的输出均采用无接触耦合方式，因此解决了旋转状态下转矩参数的测量问题。
进一步地，如图2所示，转速传感器2包括码盘20以及光电开关21。 光电开关21根据码盘20的透光脉沖输出转速频率信号。在实际应用中，转 速传感器2的码盘20上可以设置60条齿缝，光电开关21可以是一只由发光 二极管及光敏三极管组成的槽型光电开关架，码盘20的每一个齿在将发光二 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，光敏三极管就输出一个低电平，码盘20每转一圈就可得到 60个脉冲，该脉冲就为与转速对应的转速频率信号。因此，在信号处理器3 中即可根据该转速频率信号计算出转速参数，即在使用具有60个齿的码盘的 情况下脉冲数恰好等于每分钟的转速参数。
需要说明是，本实施例仅给出了在码盘上设置60条齿缝的结构，在实际 应用中可以根据被测目标的转速以及码盘的尺寸设计不同数量的齿缝以满足 不同测量需求，而且该齿缝也可以被诸如透光孔之类的结构替代，只要能够 让光电开关感应到透光脉沖即可。
信号处理器3将转矩传感器1中的输出信号耦合器113中输出的转矩频 率信号以及转速传感器2中的光电开关21输出的转速频率信号进行信号处 理，获取转矩参数和转速参数，然后输出与转矩参数对应的模拟转矩信号、 与转速参数对应的模拟转速信号，而且还通过现场总线输出可用于现场总线 传输的数字转矩信号和数字转速信号。
本实施例转矩转速传感器通过转矩传感器和转速传感器获取转矩频率信 号和转速频率信号，信号处理器对该转矩频率信号和转速频率信号进行信号 处理，从而获取相应的转矩参数和转速参数。同时，信号处理器将模拟转矩 信号和模拟转速信号按照现场总线的接口协议转换成适用于现场总线传输的
数字转矩信号和数字转速信号。因此，该转矩转速传感器能够满足不同用户 对测量结果的需求，同时兼容传统产品的信号接口，满足了用户对系统集成 化程度的要求不断提高以及能够通过工业现场总线接口传输测量数据的技术需求。
图4为本实用新型转矩转速传感器第三实施例的结构框图。如图4所示， 在本实施例中，转矩传感器1和转速传感器2与本实用新型转矩转速传感器 第二实施例中的结构相同，在本实施例中，信号处理器3可以包括信号预 处理模块30、高速测量模块31、现场总线模块32以及供电模块33。
具体地，信号预处理模块30与转矩传感器1的输出信号耦合器113以及 转速传感器2的光电开关21连接，对输出信号耦合器113输出的转矩频率信 号和光电开关21输出的转速频率信号进行整形和滤波处理。该信号预处理才莫 块30可以进一步包括整形单元300和滤波单元301。整形单元300与转矩 传感器1和转速传感器2连接，能够对转矩模拟信号和转速模拟信号进行整 形放大处理，具体地，整形单元300与转矩传感器1的输出信号耦合器113 以及转速传感器2的光电开关21连接，对输出信号耦合器113输出的转矩频 率信号和光电开关21输出的转速频率信号进行整形处理。滤波单元301与整 形单元300连接，能够对整形处理后的转矩模拟信号和转速模拟信号进行高 频滤波处理。具体地，滤波单元301能够对整形处理后的转矩频率信号和转 速频率信号进行高频滤波处理，电路采用了电压比较器的方式，通过电阻分 压和设定用于信号比较的门限电压，滤除信号里叠加的高频干扰和毛刺，使 得后期处理的转矩频率信号和转速频率信号较为纯净。图5为本实用新型转 矩转速传感器第三实施例信号预处理单元的输入波形图；图6为本实用新型 转矩转速传感器第三实施例信号预处理单元的输出波形图。通过比较可知， 经过整形滤波后的波形为标准的脉冲波形，提高了后期频率的测量以及转矩 转速参数计算的准确性。
高速测量模块31与信号预处理模块30连接，采用多周期同步计数法对 整形滤波处理后的模拟转矩信号和模拟转速信号进行频率测量，获取模拟转 矩信号频率和模拟转速信号频率，并根据模拟转矩信号频率和^莫拟转速信号 频率计算转矩参数和转速参数。此处采用多周期同步计数法能够获取较高精度的测量结果，比传统的"测频法"和"测周法"的精度高。在具体实现的
过程中，电路i殳计可以采用嵌入式32位CPU完成对信号的参数测量和数据 处理，由于被测量的模拟转矩信号和模拟转速信号均为频率信号，对电路的 要求是必须能准确的测量信号的时间周期，采用的32位CPU具有较高的工 作时钟频率，除具有数据处理、运算速度快的特点外，可以形成高精度时钟 对频率信号进行测量，32位CPU具有丰富的定时器资源以及对外部信号捕获 计数的可编程计数器/定时器阵列(PCA)模块，测量电路的设计可以充分利 用这些硬件资源，从而实现快速、高精度、宽范围的频率信号测量。
现场总线接口模块32与高速测量模块31连接，将模拟转矩信号和模拟 转速信号按照现场总线协议转换成数字转矩信号和数字转速信号。该现场总 线接口模块32能够按照标准的现场总线协议将测得的模拟转矩信号和模拟 转速信号转换成数字转矩信号和数字转速信号，因此能够提供符合现场总线 传输的要求的数字转矩信号和数字转速信号，满足了大规模集成电路的需求。 在具体实现的过程中，该现场总线可以使用RS232、 RS485等标准接口。
供电模块33为信号预处理模块30、高速测量模块31以及现场总线接口 模块32提供电源。
该信号处理器3还可以包括模拟输出接口模块34,该模拟输出接口模块 34与供电模块33和高速测量模块连接，将整形滤波处理后的模拟转矩信号
和^:莫拟转速信号转换成转矩的标准方波频率信号和转速的标准方波频率信号
并输出。该模拟输出接口模块34能够兼容现有产品的信号接口，能够将模拟 转矩信号和才莫拟转速信号转换成TTL电平标准的方波频率信号，因此能够满 足用户需要使用模拟转矩信号和模拟转速信号的需求。
进一步地，该信号处理器3还可以包括数据存储模块35,该数据存储模 块35与供电模块33和高速测量模块31连接，保存获取转矩参数和转速参数 所需的数据以及测量参数。在高速测量模块31进行频率测量的过程中，该数 据存储模块35能够存储为测量所必需的测量参数以完成测量操作，同时，该数据存储才莫块35还能够保存计算获取的转矩参数和转速参数。在具体实现过 程中，该数据存储模块35可以釆用EEPROM器件完成必要的数据保存，这 种器件具有寿命长，掉电不丢失数据的特点。
本实施例转矩转速传感器通过信号处理器能够对该转矩频率信号和转速 频率信号进行信号处理，从而获取相应的转矩参数和转速参数。同时，还能
够通过现场总线将模拟转矩信号和模拟转速信号按照现场总线的接口协议转 换成适用于现场总线传输的数字转矩信号和数字转速信号，满足了用户对系 统集成化程度的要求不断提高以及能够通过工业现场总线传输测量数据的技 术需求。同时，通过模拟输出接口模块还能够使本实用新型转矩转速传感器 兼容传统产品的信号接口，满足不同用户对测量结果的需求，通过数据存储 模块能够存储测量的转矩参数和转速参数，而且通过更改保存在其中的测量 所必需的参数还能够调整测量方法和测量精度，进而满足不同的测量需求。
最后应说明的是以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对 其进行限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域 的普通技术人员应当理解其依然可以对本实用新型的技术方案进行修改或 者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本实 用新型技术方案的精神和范围。
权利要求1、一种转矩转速传感器，其特征在于，包括转矩传感器、转速传感器以及信号处理器，所述信号处理器与所述转矩传感器和所述转速传感器连接，所述信号处理器将所述转矩传感器和所述转速传感器输出的模拟信号转换成数字信号并经由现场总线输出。
2、 根据权利要求l所述的转矩转速传感器，其特征在于，所述转矩传感 器包括功能部件以及为所述功能部件提供电源的能源部件。
3、 根据权利要求2所述的转矩转速传感器，其特征在于，所述能源部件 包括输入能源耦合器、稳压器，所述稳压器与所述输入能源耦合器连接。
4、 根据权利要求2所述的转矩转速传感器，其特征在于，所述功能部件 包括依次连接的应变桥、放大器、电压频率转换器以及输出信号耦合器，所 述应变桥"^殳置于应变轴上。
5、 根据权利要求1所述的转矩转速传感器，其特征在于，所述转速传感 器包括码盘和光电开关，所述光电开关与所述码盘连^l妄。
6、 根据权利要求l所述的转矩转速传感器，其特征在于，所述信号处理 器包括依次连接的信号预处理模块、高速测量模块以及现场总线接口模块，所 述信号预处理才莫块与所述转矩传感器和所述转速传感器连^r，所述信号处理 器还包括供电模块，所述供电模块与所述信号预处理模块、高速测量模块以 及现场总线接口模块连接。
7、 根据权利要求6所述的转矩转速传感器，其特征在于，所述信号处理 器还包括模拟输出接口模块，所述模拟输出接口模块与所述供电模块和所述高速 测量模块连接。
8、 根据权利要求6所述的转矩转速传感器，其特征在于，所述信号处理 器还包括数据存储模块，所述数据存储模块与所述供电模块和所述高速测量模块 连接。
9、 根据权利要求6所述的转矩转速传感器，其特征在于，所述信号预处 理模块包括整形单元和滤波单元，所述整形单元与所述转矩传感器和所述转速传感 器连接，所述滤波单元与所述整形单元连接。
专利摘要本实用新型公开了一种转矩转速传感器，包括转矩传感器、转速传感器以及信号处理器，信号处理器与转矩传感器和转速传感器连接，信号处理器将转矩传感器和转速传感器输出的模拟信号转换成数字信号并经由现场总线输出。信号处理器包括依次连接的信号预处理模块、高速测量模块以及现场总线接口模块，所述信号预处理模块与所述转矩传感器和所述转速传感器连接，所述信号处理器还包括供电模块，所述供电模块与所述信号预处理模块、高速测量模块以及现场总线接口模块连接。本实用新型转矩转速传感器满足了用户对系统集成化程度的要求不断提高以及能够通过工业现场总线传输数字测量数据的技术需求。
文档编号G01L3/04GK201233290SQ200820109218
公开日2009年5月6日 申请日期2008年7月14日 优先权日2008年7月14日
发明者力 张, 郝藏之 申请人:北京新宇航世纪科技有限公司;张 力