CN204988581U - 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

本实用新型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；本实用新型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，本实用新型信号转换效率高，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

本实用新型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。

实用新型内容

本实用新型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。

本实用新型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。

本实用新型较现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

(1)本实用新型的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)本实用新型采用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)本实用新型采用信号变换单元，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)本实用新型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)本实用新型信号转换效率高，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为本实用新型的结构框图。

图2为本实用新型的信号变换单元电路结构图。

图3为本实用新型的带阻滤波单元电路结构图。

图4为本实用新型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实用新型作进一步地详细说明，但本实用新型的实施方式并不限于此。

实施例

如图1所示，本实用新型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。

为了更好的实施本实用新型，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，便可很好的实施本实用新型。

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。