ONO SOKKI TQ-5300扭矩计算指示器：基于周期运算的高速响应扭矩测量原理

摘要：
随着新能源汽车驱动电机和高性能动力系统的发展，扭矩测量技术面临从稳态测量向瞬态波动跟踪的挑战。ONO SOKKI（小野测器）推出的TQ-5300扭矩计算指示器，作为与法兰型高刚性扭矩传感器配套的核心数据处理单元，通过独特的周期运算方式，实现了对脉冲信号的高速响应转换。本文基于技术资料，系统阐述TQ-5300的产品定位、核心工作原理、信号处理流程、多种输出形式及其在动态扭矩测量中的应用价值。

关键词：扭矩计算指示器；TQ-5300；周期运算方式；高速响应；扭矩测量；小野测器

1. 引言

在发动机、变速箱及驱动电机的研发测试中，扭矩是评价动力性能的核心参数。随着测试工况从稳态向瞬态转变，以及电动汽车驱动电机转速的不断提升（可达25,000 r/min以上），对扭矩测量系统的响应速度提出了更高要求。传统的扭矩显示仪表往往难以捕捉毫秒级变化的扭矩波动。ONO SOKKI TQ-5300扭矩计算指示器正是为解决这一难题而设计，它与TQ-1000/2000系列法兰型高刚性扭矩传感器配套使用，将传感器的脉冲输出转换为高精度数字扭矩值和高速响应的模拟电压输出，成为动力总成测试系统中的关键环节。

2. 产品定位与系统组成

TQ-5300是一款专为扭矩测量设计的运算显示器（Torque Meter），属于扭矩测量系统的数据处理与显示单元。它不能独立工作，必须与以下部件配合构成完整的扭矩测量系统：

1. 扭矩传感器：TQ-1000/2000系列法兰型高刚性扭矩传感器。该传感器将感受到的扭矩转换为频率信号输出——无负荷时输出10 kHz，正向额定扭矩时输出15 kHz，负向额定扭矩时输出5 kHz。

2. 转速传感器：MP-981、MP-9820等磁电式转速传感器，用于测量旋转轴的转速，输入频率范围可达1 Hz～100 kHz。

3. TQ-5300主机：接收扭矩和转速传感器的脉冲信号，进行运算处理后实现数字显示、模拟输出和数字通信。

3. 核心工作原理：周期运算方式

TQ-5300最核心的技术特征在于其采用的周期运算方式（Periodic Calculation Method），这是实现高速响应模拟信号输出的关键。

3.1 基本原理

与传统的频率测量方式不同，周期运算方式不是在一定时间窗口内计数脉冲个数来计算平均频率，而是对每一个输入脉冲的周期进行实时测量和转换。其工作流程如下：

1. 脉冲输入：TQ-2000系列扭矩传感器输出的频率信号（1 kHz～25 kHz）被送入TQ-5300的输入电路。该信号频率随施加扭矩的大小呈线性变化——扭矩越大，频率偏离中心值（10 kHz）的程度越大。

2. 周期测量：TQ-5300内部的精密计时电路测量每一个输入脉冲的周期（即两个相邻脉冲之间的时间间隔）。由于扭矩传感器的频率输出具有高线性度（±0.05 %/F.S.），脉冲周期与扭矩值之间存在确定的对应关系。

3. 实时换算：根据测得的脉冲周期，结合预先设定的传感器标定系数（容量、因子等），TQ-5300的运算电路立即计算出当前脉冲周期对应的瞬时扭矩值。

4. 模拟输出更新：每个脉冲周期计算完成后，立即更新模拟电压输出。这意味着每输入一个脉冲，模拟输出就更新一次。

3.2 响应时间分析

周期运算方式带来的显著优势是极短的响应时间。TQ-5300的模拟输出响应时间为1个信号周期 + 5 μs以内。

以实际工况为例：

• 当施加正向额定扭矩时，传感器输出频率为15 kHz，对应的脉冲周期约为66.7 μs（1/15000）。

• 此时，TQ-5300的响应时间 = 66.7 μs + 5 μs ≈ 71.7 μs。

• 当施加负向额定扭矩时，传感器输出频率为5 kHz，脉冲周期为200 μs，响应时间约为205 μs。

这种响应速度远快于传统的积分式频率计，使得TQ-5300能够跟踪扭矩的激烈变化，适用于发动机瞬态工况、变速箱换挡过程、电机转矩波动等动态测量场景。

4. 信号处理与输出形式

TQ-5300将输入的脉冲信号经过周期运算处理后，以多种形式输出测量结果，满足不同应用需求。

4.1 数字显示

前面板配备高亮度数字显示器，可显示：

• 单行显示：仅显示扭矩值（极性+5位）

• 双行显示：同时显示扭矩值和转速值
  扭矩显示精度达到±0.008 %/F.S. ±1计数，转速显示精度为显示值×±0.01% ±1计数。

4.2 模拟电压输出

• 扭矩模拟输出：0～±10 V/F.S.，精度±0.05 %/F.S.。输出响应时间即为周期运算时间（1周期+5 μs以内）。

• 转速模拟输出：0～±10 V/F.S.，精度±0.3 %/F.S.，响应时间1 ms以内。

• 2通道输出（选配TQ-0531）：可同时输出两路扭矩信号，例如一路用于数据记录，另一路用于实时控制，各通道可独立进行低通滤波处理。

4.3 脉冲输出

将输入的扭矩传感器脉冲信号和转速传感器脉冲信号经波形整形后原样输出，便于接入其他计数设备或数据采集系统。

4.4 数字通信输出

TQ-5300提供多种数字通信接口选配，实现高精度扭矩测量值的无损输出：

• RS-232C（TQ-0532）：标准配置，波特率9600/38400 bps

• CAN（TQ-0533）：符合CAN Ver2.0B，输出更新周期可设置

• EtherCAT（TQ-0535）：符合IEC61508，支持10/100 Mbps高速通信

• PROFIBUS（TQ-0534）：部分市场版本支持

5. 扩展功能与智能化设计

5.1 多量程测量功能

通过选配TQ-0536多量程对应功能，使用1台扭矩传感器即可对应3段不同扭矩容量的测量量程。例如，一台额定容量200 N·m的传感器，可通过设定实现0-200 N·m、0-100 N·m、0-50 N·m等多个量程的测量。这一功能避免了根据不同试验内容频繁更换传感器的麻烦，保证了测试系统的一致性。

5.2 比较输出功能

TQ-5300内置3通道比较器：

• 2通道可自由设定报警阈值（也可用于转速比较）

• 1通道固定为110%过载报警
  当测量值超过设定值时，通过无电压触点输出报警信号，并可设定内部锁定功能。

5.3 遥控I/O功能

标准配备遥控输入输出接口，支持：

• 输入：转向选择（CW/CCW切换）、扭矩零点修正开始、设定条件切换等

• 输出：检测准备完成、比较结果、设定条件确认等

6. 应用价值与结论

ONO SOKKI TQ-5300扭矩计算指示器通过周期运算方式这一核心技术，实现了对扭矩传感器脉冲信号的高速响应转换，将模拟输出的更新时间压缩至单个脉冲周期级别（数十至数百微秒）。这一技术特性使其能够精确捕捉发动机、变速箱和驱动电机在瞬态工况下的扭矩波动，为动力系统的性能优化和控制策略开发提供了可靠的数据基础。

与TQ-2000系列高刚性扭矩传感器配套使用时，系统整体刚性比传统产品提升约20倍，高转速可达25,000 r/min，满足了EV/HEV驱动电机等高转速应用场景的测试需求。多量程测量、多种数字通信接口和比较输出等功能的加入，进一步提升了系统的灵活性和集成度。

作为小野测器扭矩测量产品线中的核心数据处理单元，TQ-5300的技术方案体现了现代测试仪器向高速响应、数字通信、多功能集成方向发展的趋势，为动力总成测试领域的工程技术人员提供了应对动态扭矩测量挑战的有效工具。