ИЗМЕРЕНИЕ КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА ПРИ ПОМОЩИ ДАТЧИКА И ПК Автор: руководитель калибровочной лаборатории
фирмы Lorenz Messtechnik GmbH (Германия), к.т.н.
Вильфрид Криммель
Перевод: АЛЬФА-СЕНСОР © 2010
Благодаря интеграции USB-интерфейса в цифровой датчик крутящего момента (см. рис. 1), удалось полностью отказаться от достаточно дорогих и сложных в управлении дополнительных измерительных усилителей. Кроме того, благодаря работающему по принципу Plug and Play USB-интерфейсу, датчик автоматически распознаётся компьютером, что позволяет начать измерения в течение нескольких секунд. Для отображения и анализа измерительного сигнала достаточно обычного компьютера. Перед началом эксплуатации необходимо лишь инсталлировать программное обеспечение и USB-драйвер на компьютере. Измеренные данные сохраняются в формате CSV и могут обрабатываться в любой программе табличной обработки (например, в MS Excel).
Диаграмма сигнала, отображённая на мониторе, может быть сохранена на компьютере как BMP-файл. Таким образом, данный
[1] датчик идеален в тех случаях, когда крутящий момент нужно измерить быстро и просто, например, при конструировании, испытаниях, а так же при производстве, например, при проверке производственного оборудования. [1]
Устройство современного датчика крутящего момента.
Механическая конструкция.
Устройство современного
датчика крутящего момента [2] представлено на рис. 2. На находящемся в корпусе валу имеется суженное место, где наклеены тензорезисторы. На валу так же находится электроника. На корпусе располагается дополнительная электроника и USB-разъем для электрического подключения датчика. Для передачи сигнала и энергии служат два вращающихся трансформатора. Такой трансформатор состоит из двух расположенных концентрически друг к друг катушек. Причём одна катушка закреплена на роторе, а другая — на статоре. При опции «частота вращения» или «угол поворота» присутствует генератор импульсов.
[3]
Принцип функционирования электроники
Как уже было показано выше, измерение крутящего момента происходит посредством тензорезисторов на вращающемся валу. Снятый сигнал тотчас же усиливается, оцифровывается и попадает в процессор, который обрабатывает его для передачи через трансформаторный транслятор в форме последовательного кода (рис. 3). Большое преимущество данного транслятора в его двухстороннем применении. Сигналы могут передаваться как от вращающегося ротора к статору, так и в противоположном направлении. Типичным примером передачи команд является контрольное включение для проверки датчика. Так же через трансформаторный транслятор происходит питание вращающейся электроники.
В статоре сигнал с данными измерения обрабатывается и преобразуется в процессоре в последовательный сигнал. Далее следует конвертер, который отвечает за конвертирование последовательных данных в USB-протокол. В заключение, данные передаются по USB-интерфейсу на компьютер.
[4]
Использование процессоров позволяет сохранить в датчике крутящего момента такие данные, как серийный номер, калибровочные значения, измерительный диапазон, дату калибровки и т.д. Эти данные считываются программным обеспечением для автоматической конфигурации, что ведёт к повышению надёжности работы измерительного устройства.Так как для питания датчика используется постоянное напряжение 5 В от USB-интефейса, нет необходимости в дополнительных источниках питания.
Измерение угла поворота и частоты вращения
Снятие значений угла и частоты вращения происходит двумя различными способами. При угле поворота у TTL-сигнала углового датчика обрабатываются только вертикальные фронты. Таким образом получается разрешение в ¼°. Информация о направлении вращения берётся из фазового смещения двух каналов угла. Датчик выдает не обычный TTL-сигнал, а уже подготовленный сигнал в градусах. Тем самым к измеренному моменту всегда выдаётся соответствующий угол.
Измерение частоты вращения происходит другим путём. Здесь проводится продолжительный замер периодов и отсюда определяется частота вращения. Также и в этом случае выдаётся не TTL-сигнал, а уже скорость вращения в мин-1. Как при измерении частоты вращения так и при измерении угла поворота результат выдаётся датчиком значением в 16 бит.
Передача данных через USB
USB – это вид интерфейсов для звёздоподобного подключения к компьютеру до 124 периферийных приборов, таких как принтер, цифровая камера, мышка, сканер, измерительные приборы и прочие. USB-приборы могут быть подключены и снова отключены во время работы. Таким образом они имеют hot-plugging и plug & play – качества. При наличии драйвера на на компьютере операционная система автоматически распознаёт подключение прибора. В противном случае запрашивается инсталляция драйвера. Через USB могут передаваться данные со скоростью до 480 Мбит/с, что для измерительных нужд вполне достаточно.
Коммуникация с датчиком происходит при помощи разработанного фирмой Лоренц протокола (рис. 4). Он содержит определённое число команд, которые служат для конфигурации датчика. Как пример тут можно назвать частоту измерений, которая устанавливается до значения 2500 измерений в секунду. Передача данных подстрахована контрольными суммами и обеспечивает наивысшую надёжность данных.
Протокол USB-интерфейса применяется при передаче данных между компьютером и датчиком. Поэтому команды протокола Лоренца с измерительными величинами формируются в пакеты данных и передаются по протоколу USB. Таким образом, такие элементы, как данные измерений, управляющие команды, контрольные суммы и т.д. туннелизируются шиной USB. Коммуникация между датчиком и проинсталлированным на компьютере программным обеспечением происходит как показано на рис. 4.
