CN105157894A - 一种基于射极耦合放大电路的数字化应变式扭矩传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于射极耦合放大电路的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；而转子系统则包括整流器K，应变电阻电桥，信号变换单元，射极耦合放大单元；所述的射极耦合放大单元由三极管VT1，三极管VT2，三极管VT3，三极管VT4，串接在三极管VT1的发射极和三极管VT3的基极之间的电阻R4，负极顺次经电阻R5和电阻R3后与三极管VT2的集电极相连接、正极接地的电容C2，等组成；本发明通过射极耦合放大单元对模拟信号进行不失真的放大处理，从而避免模拟信号在输送过程中出现削弱的现像。

Description

一种基于射极耦合放大电路的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，具体是指一种基于射极耦合放大电路的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，模拟信号在传输时会出现削弱的情况，在很大程度上影响了模拟信号的正常使用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有应变式扭矩传感器的模拟信号在传输时会出现削弱的缺陷，提供一种基于射极耦合放大电路的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：一种基于射极耦合放大电路的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，以及同时与整流器K和信号变换单元相连接的射极耦合放大单元组成；所述整流器K还与旋转变压器T1的副边相连接，射极耦合放大单元还与旋转变压器T2的原边相连接。

所述的射极耦合放大单元由三极管VT1，三极管VT2，三极管VT3，三极管VT4，串接在三极管VT1的发射极和三极管VT3的基极之间的电阻R4，负极顺次经电阻R5和电阻R3后与三极管VT2的集电极相连接、正极接地的电容C2，正极与电容C2的正极相连接、负极与三极管VT4的集电极相连接的极性电容C3，一端与三极管VT3的集电极相连接、另一端则经电阻R8后形成该射极耦合放大单元的输出端的电阻R7，一端与三极管VT4的发射极相连接、另一端则与电阻R7和电阻R8的连接点相连接的电阻R6，正极与三极管VT3的发射极相连接、负极则与三极管VT2的发射极相连接的同时接地的极性电容C5，与极性电容C5相并联的电容C4组成；所述三极管VT1的基极与三极管VT2的基极相连接的同时作为该射极耦合放大单元的输入端，其集电极则与三极管VT4的集电极相连接；所述三极管VT4的基极与电阻R3和电阻R5的连接点相连接。

所述信号变换单元由放大器P2，与非门A1，与非门A2，N极与放大器P2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P2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P2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P2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、信号调制解调单元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，信号调制解调单元还与旋转变压器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。

所述的放大器P2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)本发明通过射极耦合放大单元对模拟信号进行不失真的放大处理，从而避免模拟信号在输送过程中出现削弱的现像。

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为本发明的射极耦合放大单元电路结构图。

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，本发明的基于射极耦合放大电路的数字化应变式扭矩传感器，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、信号调制解调单元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，信号调制解调单元还与旋转变压器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，以及同时与整流器K和信号变换单元相连接的射极耦合放大单元组成。同时，整流器K还与旋转变压器T1的副边相连接，射极耦合放大单元还与旋转变压器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P2，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P2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P2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P2，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P2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P2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P2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射极耦合放大单元进行放大，该射极耦合放大单元的结构如图3所示，其由三极管VT1，三极管VT2，三极管VT3，三极管VT4，电阻R3，电阻R4，电阻R5，电阻R6，电阻R7，电阻R8，电容C2，电容C4，极性电容C3以及极性电容C5组成。

连接时，电阻R4串接在三极管VT1的发射极和三极管VT3的基极之间，电容C2的负极顺次经电阻R5和电阻R3后与三极管VT2的集电极相连接、其正极接地，极性电容C3的正极与电容C2的正极相连接、其负极与三极管VT4的集电极相连接，电阻R7的一端与三极管VT3的集电极相连接、其另一端则经电阻R8后形成该射极耦合放大单元的输出端，电阻R6的一端与三极管VT4的发射极相连接、其另一端则与电阻R7和电阻R8的连接点相连接，极性电容C5的正极与三极管VT3的发射极相连接、其负极则与三极管VT2的发射极相连接的同时接地，电容C4与极性电容C5相并联。

同时，所述三极管VT1的基极与三极管VT2的基极相连接的同时作为该射极耦合放大单元的输入端，其集电极则与三极管VT4的集电极相连接。所述三极管VT4的基极与电阻R3和电阻R5的连接点相连接。

经放大后的信号通过旋转变压器T2输送给信号调制解调单元，再由信号调制解调单元传输给ARM微控制器。这时，ARM微控制器对采集来自转子的脉冲频率信号以及光电开关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)

1.一种基于射极耦合放大电路的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，以及同时与整流器K和信号变换单元相连接的射极耦合放大单元组成；所述整流器K还与旋转变压器T1的副边相连接，射极耦合放大单元还与旋转变压器T2的原边相连接；其特征在于，所述的射极耦合放大单元由三极管VT1，三极管VT2，三极管VT3，三极管VT4，串接在三极管VT1的发射极和三极管VT3的基极之间的电阻R4，负极顺次经电阻R5和电阻R3后与三极管VT2的集电极相连接、正极接地的电容C2，正极与电容C2的正极相连接、负极与三极管VT4的集电极相连接的极性电容C3，一端与三极管VT3的集电极相连接、另一端则经电阻R8后形成该射极耦合放大单元的输出端的电阻R7，一端与三极管VT4的发射极相连接、另一端则与电阻R7和电阻R8的连接点相连接的电阻R6，正极与三极管VT3的发射极相连接、负极则与三极管VT2的发射极相连接的同时接地的极性电容C5，与极性电容C5相并联的电容C4组成；所述三极管VT1的基极与三极管VT2的基极相连接的同时作为该射极耦合放大单元的输入端，其集电极则与三极管VT4的集电极相连接；所述三极管VT4的基极与电阻R3和电阻R5的连接点相连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于射极耦合放大电路的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P2，与非门A1，与非门A2，N极与放大器P2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P2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P2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P2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。

3.根据权利要求2所述的一种基于射极耦合放大电路的数字化应变式扭矩传感器，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、信号调制解调单元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，信号调制解调单元还与旋转变压器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。

4.根据权利要求3所述的一种基于射极耦合放大电路的数字化应变式扭矩传感器，其特征在于：所述的放大器P2为LF356BI型运算放大器。