CN105115642A - 基于信号变换的带阻滤波式数字化应变式扭矩传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于信号变换的带阻滤波式数字化应变式扭矩传感器，其特征在于：包括齿盘U，光电开关S，定子系统，旋转变压器T1，旋转变压器T2，以及转子系统；而转子系统则包括整流器K，应变电阻电桥，信号变换单元，带阻滤波单元，信号放大器P2；定子系统则由DC/DC单元，功率放大器P1，ARM微控制器，RS485通信接口，信号转换电路，转速信号调理单元组成；本发明通过带阻滤波单元的作用可以对干扰信号进行过滤，避免干扰信号对脉冲信号造成影响。同时，本发明信号转换效率高，因此其信号处理时间比传统的应变式扭矩传感器节约20％。

Description

基于信号变换的带阻滤波式数字化应变式扭矩传感器

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，具体是指基于信号变换的带阻滤波式数字化应变式扭矩传感器。

背景技术

现有应变式扭矩传感器技术中，通常采用模拟电路处理应变片输出的电信号，将其转换为成比例的线性模拟量输出信号，如电压、电流或频率脉冲信号。然而，模拟信号在使用时存在以下缺陷，其一：不利于在强电磁干扰的环境以及远距离的传输，而且在人体接触时会带入静电干扰，难以操作。其二：在对校准、标定及参数调整时均需要对电路的参数进行调整。其三：模拟信号需要使用二次仪表处理后才能与计算机等设备连接。如何克服以上缺陷是人们所急需解决的。

发明内容

本发明的目的在于克服现有应变式扭矩传感器存在的以上缺陷，提供基于信号变换的带阻滤波式数字化应变式扭矩传感器。

本发明的目的通过下述技术方案实现：基于信号变换的带阻滤波式数字化应变式扭矩传感器，包括齿盘U，光电开关S，定子系统，旋转变压器T1，旋转变压器T2，以及转子系统；所述光电开关S的一端与齿盘U相连接、另一端则与定子系统相连接，旋转变压器T1的原边与定子系统相连接、其副边则与转子系统相连接，旋转变压器T2的原边与转子系统相连接、其副边则与定子系统相连接。

进一步的，所述转子系统由整流器K，与整流器K相连接的应变电阻电桥，与应变电阻电桥相连接的信号变换单元，与信号变换单元相连接的带阻滤波单元，以及同时与整流器K和带阻滤波单元相连接的信号放大器P2组成；所述整流器K还与旋转变压器T1的副边相连接，信号放大器P2还与旋转变压器T2的原边相连接。

所述带阻滤波单元由三极管VT1，三极管VT2，放大器P4，放大器P5，一端与三极管VT1的集电极相连接、另一端则顺次经电位器R4和电阻R5后与三极管VT2的基极相连接的电阻R3，与电位器R4相并联的电容C4，正极与电位器R4的控制端相连接、负极则与三极管VT1的基极相连接的电容C2，一端与三极管VT1的基极相连接、另一端则与三极管VT2的基极相连接的电阻R6，一端与三极管VT1的发射极相连接、另一端则与放大器P5的负极相连接的同时接地的电阻R7，负极经电阻R8后与放大器P4的输出端相连接、正极则与放大器P5的正极相连接的电容C3，以及串接在放大器P5的正极和输出端之间的电阻R9组成；所述三极管VT1的集电极形成该带阻滤波单元的输入端，其基极和发射极则均与放大器P4的正极相连接；所述放大器P4的输出端与三极管VT2的基极相连接，其负极则与放大器P5的负极相连接；所述三极管VT2的集电极接地，其发射极则与放大器P5的正极相连接；所述放大器P5的输出端则形成该带阻滤波单元的输出端。

所述信号变换单元由放大器P3，与非门A1，与非门A2，N极与放大器P3的正极相连接、P极则形成该信号变换单元的输入端的二极管D1，正极与二极管D1的P极相连接、负极则经电位器R2后与放大器P3的负极相连接的电容C1，与电容C1相并联的电阻R1，以及N极与放大器P3的负极相连接、P极则经倒相放大器A3后与与非门A1的正极相连接的二极管D2组成；所述电容C1的负极与电位器R2的控制端相连接；所述与非门A2的负极与放大器P3的输出端相连接，其正极则与与非门A1的输出端相连接，其输出端则与与非门A1的负极相连接的同时形成该信号变换单元的输出端。

所述的定子系统由DC/DC单元，与DC/DC单元相连接的功率放大器P1，与功率放大器P1相连接的ARM微控制器，分别与ARM微控制器相连接的RS485通信接口、信号转换电路以及转速信号调理单元组成；所述的功率放大器P1还与旋转变压器T1的原边相连接，信号转换电路还与旋转变压器T2的副边相连接，转速信号调理单元还与光电开关S相连接。

所述信号转换电路由三极管VT3，三极管VT4，三极管VT5，正极经二极管D3后与三极管VT3的基极相连接、负极则形成该信号转换电路的输入端的极性电容C8，与极性电容C8相并联的电阻R10，负极与极性电容C8的负极相连接、正极则经二极管D4后与三极管VT4的基极相连接的极性电容C7，与极性电容C7相并联的电阻R11，串接在三极管VT4的基极和发射极之间的电容C6，正极顺次经电阻R15、电阻R14以及电阻R12后与三极管VT3的发射极相连接、负极则经电阻R16后与三极管VT4的集电极相连接的电容C5，N极与三极管VT5的发射极相连接、P极则与三极管VT3的发射极相连接的二极管D5，以及一端与电阻R12和电阻R14的连接点相连接、另一端则与三极管VT3的集电极相连接的电阻R13组成；所述三极管VT3的集电极与三极管VT5的基极相连接，其发射极则形成该信号转换电路的输出端；所述三极管VT5的集电极与电阻R14和电阻R15的连接点相连接。

所述的放大器P3为LF356BI型运算放大器。

本发明较现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

(1)本发明的RS485通信接口可以直接与外部设备相连接，无需使用二次仪表。

(2)本发明采用ARM微控制器其可以对测量输出的信号进行数字化处理，方便校准、标定及参数调整，同时还可以提高测量数据输出的抗干扰能力及传输距离。

(3)本发明采用信号变换单元，其可以把电压信号变换成频率脉冲信号，当在不同工况时其所变换的脉冲信号的频率不同，从而使其在不同工况下仍然能够保持很好的适用性。

(4)本发明通过带阻滤波单元的作用可以对干扰信号进行过滤，避免干扰信号对脉冲信号造成影响。

(5)本发明信号转换效率高，因此其信号处理时间比传统的应变式扭矩传感器节约20％。

附图说明

图1为本发明的结构框图。

图2为本发明的信号变换单元电路结构图。

图3为本发明的带阻滤波单元电路结构图。

图4为本发明的信号转换电路结构图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式并不限于此。

实施例

如图1所示，本发明的基于带阻滤波电路的数字化应变式扭矩传感器，其由齿盘U，光电开关S，定子系统，旋转变压器T1，旋转变压器T2，以及转子系统组成。该齿盘U固定在传感器的转子上，而光电开关S的一端与齿盘U相连接、另一端则与定子系统相连接。同时，旋转变压器T1的原边与定子系统相连接、其副边则与转子系统相连接，旋转变压器T2的原边与转子系统相连接、其副边则与定子系统相连接。光电开关S配合齿盘U可检测转子旋转的速度，并向定子系统输出相应的频率脉冲信号。

为了能够更好的对光电开关S输送来的频率脉冲信号进行处理，该定子系统设置有DC/DC单元，与DC/DC单元相连接的功率放大器P1，与功率放大器P1相连接的ARM微控制器，分别与ARM微控制器相连接的RS485通信接口、信号转换电路以及转速信号调理单元组成。同时，该功率放大器P1还与旋转变压器T1的原边相连接，信号转换电路还与旋转变压器T2的副边相连接，转速信号调理单元还与光电开关S相连接。光电开关S通过齿盘U检测转子旋转速度，并输出相应的频率脉冲信号，该频率脉冲信号经转速信号调理单元后输送给ARM微控制器。

外部电源通过DC/DC单元后转换为可供定子系统和转子系统使用的电压。ARM微控制器通过其内部的PWM单元产生400Hz脉冲信号，再经过功率放大器P1放大后驱动旋转变压器T1，并通过旋转变压器T1传输给转子系统，由转子系统进行处理。

为了更好的实施本发明，该转子系统由整流器K，与整流器K相连接的应变电阻电桥，与应变电阻电桥相连接的信号变换单元，与信号变换单元相连接的带阻滤波单元，以及同时与整流器K和带阻滤波单元相连接的信号放大器P2组成。同时，整流器K还与旋转变压器T1的副边相连接，信号放大器P2还与旋转变压器T2的原边相连接。

从旋转变压器T1输送过来的信号经整流器K整流稳压后，可以提供给转子系统工作电源。同时，信号变换单元可以将应变电阻电桥产生的电压信号变换为10KHz的频率脉冲信号。

该信号变换单元的结构如图2所示，其包括放大器P3，与非门A1，与非门A2，电阻R1，电位器R2，电容C1，二极管D1，二极管D2以及倒相放大器A3。

其中，二极管D2的N极与放大器P3的负极相连接、其P极则经倒相放大器A3后与与非门A1的正极相连接。与非门A2的负极与放大器P3的输出端相连接，其正极则与与非门A1的输出端相连接，其输出端则与与非门A1的负极相连接的同时形成该信号变换单元的输出端。由此结构二极管D2，倒相放大器A3，放大器P3，与非门A1以及与非门A2则构成一个信号转换器，当电压信号输入进来后，该转换器则把电压信号转换成为频率脉冲信号。

另外，二极管D1的N极与放大器P3的正极相连接、其P极则形成该信号变换单元的输入端，电容C1的正极与二极管D1的P极相连接、其负极则经电位器R2后与放大器P3的负极相连接，电阻R1则与电容C1相并联。所述电容C1的负极与电位器R2的控制端相连接。为了达到更好的实施效果，该放大器P3优先选用LF356BI型运算放大器。

与此同时，转换后的频率脉冲信号由带阻滤波单元进行处理，该带阻滤波单元的结构如图3所示，其由三极管VT1，三极管VT2，放大器P4，放大器P5，电阻R3，电位器R4，电阻R5，电阻R6，电阻R7，电阻R8，电阻R9，电容C2，电容C3以及电容C4组成。

其中，电阻R3的一端与三极管VT1的集电极相连接、其另一端则顺次经电位器R4和电阻R5后与三极管VT2的基极相连接，电容C4则与电位器R4相并联，电容C2的正极与电位器R4的控制端相连接、其负极则与三极管VT1的基极相连接，电阻R6的一端与三极管VT1的基极相连接、其另一端则与三极管VT2的基极相连接，电阻R7的一端与三极管VT1的发射极相连接、其另一端则与放大器P5的负极相连接的同时接地，电容C3的负极经电阻R8后与放大器P4的输出端相连接、其正极则与放大器P5的正极相连接，电阻R9串接在放大器P5的正极和输出端之间。

同时，所述三极管VT1的集电极形成该带阻滤波单元的输入端，其基极和发射极则均与放大器P4的正极相连接。所述放大器P4的输出端与三极管VT2的基极相连接，其负极则与放大器P5的负极相连接。所述三极管VT2的集电极接地，其发射极则与放大器P5的正极相连接。所述放大器P5的输出端则形成该带阻滤波单元的输出端。

去除干扰信号后的频率脉冲信号再经信号放大器P2放大后，通过旋转变压器T2输送给信号转换电路，该信号转换电路把频率脉冲信号转换为单片机所能识别，并且方便我们做相关处理判断的逻辑电平信号，其具体结构如图4所示，由三极管VT3，三极管VT4，三极管VT5，正极经二极管D3后与三极管VT3的基极相连接、负极则形成该信号转换电路的输入端的极性电容C8，与极性电容C8相并联的电阻R10，负极与极性电容C8的负极相连接、正极则经二极管D4后与三极管VT4的基极相连接的极性电容C7，与极性电容C7相并联的电阻R11，串接在三极管VT4的基极和发射极之间的电容C6，正极顺次经电阻R15、电阻R14以及电阻R12后与三极管VT3的发射极相连接、负极则经电阻R16后与三极管VT4的集电极相连接的电容C5，N极与三极管VT5的发射极相连接、P极则与三极管VT3的发射极相连接的二极管D5，以及一端与电阻R12和电阻R14的连接点相连接、另一端则与三极管VT3的集电极相连接的电阻R13组成。

其中，三极管VT3的集电极与三极管VT5的基极相连接，其发射极则形成该信号转换电路的输出端。三极管VT5的集电极需与电阻R14和电阻R15的连接点相连接。

该信号转换电路把转换后的逻辑电平信号传输给ARM微控制器，这时，ARM微控制器对采集来自转子的逻辑电平信号以及光电开关S传输过来的转速信号进行数字滤波、线性校准、数字补偿等处理后，再通过RS485通信接口输出给外部设备，而无需再使用二次仪表。该RS485通信接口可以接收校准后的对应于扭矩大小及转速的数据，也可向扭矩传感器发送指令修改其内部参数，包括采样频率、滤波系数、线性校准参数及通信参数等。并且由于ARM微控制器可以实现量通信及信号的数字化处理，因此出厂校准及标定均可以采用通信接口远距离进行，不需要采用人工接触来调整电路、电阻的参数。

如上所述，便可很好的实施本发明。

Claims (4)

1.基于信号变换的带阻滤波式数字化应变式扭矩传感器，包括齿盘U，光电开关S，定子系统，旋转变压器T1，旋转变压器T2，以及转子系统；所述光电开关S的一端与齿盘U相连接、另一端则与定子系统相连接，旋转变压器T1的原边与定子系统相连接、其副边则与转子系统相连接，旋转变压器T2的原边与转子系统相连接、其副边则与定子系统相连接；所述转子系统由整流器K，与整流器K相连接的应变电阻电桥，与应变电阻电桥相连接的信号变换单元，与信号变换单元相连接的带阻滤波单元，以及同时与整流器K和带阻滤波单元相连接的信号放大器P2组成；所述整流器K还与旋转变压器T1的副边相连接，信号放大器P2还与旋转变压器T2的原边相连接；其特征在于，所述的定子系统由DC/DC单元，与DC/DC单元相连接的功率放大器P1，与功率放大器P1相连接的ARM微控制器，分别与ARM微控制器相连接的RS485通信接口、信号转换电路以及转速信号调理单元组成；所述的功率放大器P1还与旋转变压器T1的原边相连接，信号转换电路还与旋转变压器T2的副边相连接，转速信号调理单元还与光电开关S相连接；所述信号转换电路由三极管VT3，三极管VT4，三极管VT5，正极经二极管D3后与三极管VT3的基极相连接、负极则形成该信号转换电路的输入端的极性电容C8，与极性电容C8相并联的电阻R10，负极与极性电容C8的负极相连接、正极则经二极管D4后与三极管VT4的基极相连接的极性电容C7，与极性电容C7相并联的电阻R11，串接在三极管VT4的基极和发射极之间的电容C6，正极顺次经电阻R15、电阻R14以及电阻R12后与三极管VT3的发射极相连接、负极则经电阻R16后与三极管VT4的集电极相连接的电容C5，N极与三极管VT5的发射极相连接、P极则与三极管VT3的发射极相连接的二极管D5，以及一端与电阻R12和电阻R14的连接点相连接、另一端则与三极管VT3的集电极相连接的电阻R13组成；所述三极管VT3的集电极与三极管VT5的基极相连接，其发射极则形成该信号转换电路的输出端；所述三极管VT5的集电极与电阻R14和电阻R15的连接点相连接。

2.根据权利要求1所述的基于信号变换的带阻滤波式数字化应变式扭矩传感器，其特征在于：所述带阻滤波单元由三极管VT1，三极管VT2，放大器P4，放大器P5，一端与三极管VT1的集电极相连接、另一端则顺次经电位器R4和电阻R5后与三极管VT2的基极相连接的电阻R3，与电位器R4相并联的电容C4，正极与电位器R4的控制端相连接、负极则与三极管VT1的基极相连接的电容C2，一端与三极管VT1的基极相连接、另一端则与三极管VT2的基极相连接的电阻R6，一端与三极管VT1的发射极相连接、另一端则与放大器P5的负极相连接的同时接地的电阻R7，负极经电阻R8后与放大器P4的输出端相连接、正极则与放大器P5的正极相连接的电容C3，以及串接在放大器P5的正极和输出端之间的电阻R9组成；所述三极管VT1的集电极形成该带阻滤波单元的输入端，其基极和发射极则均与放大器P4的正极相连接；所述放大器P4的输出端与三极管VT2的基极相连接，其负极则与放大器P5的负极相连接；所述三极管VT2的集电极接地，其发射极则与放大器P5的正极相连接；所述放大器P5的输出端则形成该带阻滤波单元的输出端。

3.根据权利要求2所述的基于信号变换的带阻滤波式数字化应变式扭矩传感器，其特征在于：所述信号变换单元由放大器P3，与非门A1，与非门A2，N极与放大器P3的正极相连接、P极则形成该信号变换单元的输入端的二极管D1，正极与二极管D1的P极相连接、负极则经电位器R2后与放大器P3的负极相连接的电容C1，与电容C1相并联的电阻R1，以及N极与放大器P3的负极相连接、P极则经倒相放大器A3后与与非门A1的正极相连接的二极管D2组成；所述电容C1的负极与电位器R2的控制端相连接；所述与非门A2的负极与放大器P3的输出端相连接，其正极则与与非门A1的输出端相连接，其输出端则与与非门A1的负极相连接的同时形成该信号变换单元的输出端。

4.根据权利要求3所述的基于信号变换的带阻滤波式数字化应变式扭矩传感器，其特征在于：所述的放大器P3为LF356BI型运算放大器。