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扭矩传感器测量基础

摘要:北京Yabo下载科技有限公司通过围绕技术对扭矩测量传感器产品的设计及分析。

扭矩是在工厂车间许多设备中的重要因素。测量扭矩时通常会出现与实际测量值不一致,这可能导致测量系统的设计不足。本文介绍了许多技术和扭矩测量技术之间的权衡。

扭矩可分为静态或动态两大类。用于测量扭矩的方法可以进一步分为两类,即反作用或在线。了解要测量的扭矩类型以及可用的不同类型的扭矩传感器,将对结果数据的准确性以及测量成本产生深远的影响。

在讨论静态转矩与动态转矩时,通常最简单的方法是先了解静态力与动态力之间的差异。简单地说,动态力涉及旋转加速度,而静态力不涉及旋转加速度。

牛顿第二定律描述了动力与加速度之间的关系。F = ma(力等于质量乘以加速度)。由于汽车必须减速,因此以其巨大的质量停止汽车所需的力将是动态力。制动钳为停止该轿厢而施加的力将是静态力,因为所涉及的制动衬块没有加速。

扭矩只是旋转力或一定距离的力。根据前面的描述,如果没有角加速度,则将其视为静态。由于没有旋转并且因此没有角加速度,因此由时钟弹簧施加的扭矩将是静态扭矩。通过汽车驱动轴在高速公路上以恒定速度行驶时传递的扭矩将是旋转静态扭矩的一个示例,因为即使有旋转,在恒定速度下也没有加速度。

汽车发动机产生的扭矩既可以是静态的也可以是动态的,具体取决于测量的位置。如果在曲轴上测量扭矩,则随着每个气缸点火并且其活塞旋转曲轴,动态扭矩波动会很大。

如果在驱动轴中测量扭矩,则该扭矩将几乎是静态的,因为飞轮和变速箱的旋转惯性将抑制发动机产生的动态扭矩。即使涉及旋转加速度,启动车窗玻璃(记住那些?)所需的扭矩也将是静态扭矩的一个示例,因为曲柄的加速度和旋转惯量都非常小,因此与车窗运动中涉及的摩擦力相比,动态扭矩(扭矩=旋转惯量x旋转加速度)可以忽略不计。

最后一个示例说明了这样一个事实,即对于大多数测量应用程序,静态和动态扭矩都会在某种程度上涉及到。如果动态扭矩是总扭矩的主要组成部分或是所关注的扭矩,则在确定如何最佳测量时必须特别注意。

反作用力与串联

扭矩串联扭矩测量是通过在扭矩传递组件之间插入扭矩传感器进行测量的,非常类似于在套筒和套筒扳手之间插入延伸件。转动所需的扭矩将直接由延伸件承担。这种方法允许将扭矩传感器放置在尽可能靠近目标扭矩的位置,并避免测量中可能出现的误差,例如轴承产生的摩擦力,外来负载以及旋转惯量大的组件,这些组件会衰减任何动态扭矩。

扭矩扳手测量扭矩

图1:简单的扭矩测量

从上面的先前示例中,可以通过在曲轴和飞轮之间放置一个在线扭矩传感器来测量发动机产生的动态扭矩,从而避免飞轮的旋转惯性和变速器的任何损失。为了测量驱动车轮的几乎静态的稳态扭矩,可以在车辆的轮辋和轮毂之间或驱动轴中放置一个在线扭矩传感器。由于典型扭矩驱动线和其他相关组件的旋转惯性,在线测量通常是正确测量动态扭矩的唯一方法。

反作用扭矩传感器利用牛顿第三定律:“对于每个动作,都有相等且相反的反作用”。要测量电动机产生的扭矩,我们可以如上所述进行在线测量,也可以测量防止电动机旋转所需的扭矩,通常称为反作用扭矩。

扭矩传感器安装位置

图2:扭矩传感器的位置很重要

测量反作用扭矩避免了在旋转应用中将传感器与传感器进行电气连接的明显问题(如下所述),但确实存在其自身的一系列缺点。通常需要反作用扭矩传感器来承载大量的外部负载,例如电动机或至少一些传动系统的重量。这些负载可能导致串扰错误(传感器对负载的响应不是预期的负载),有时会降低灵敏度,因为传感器必须超大尺寸才能承载多余的负载。在线和反作用这两种方法对于静态扭矩测量都将产生相同的结果。

在旋转应用中进行在线测量几乎总是会给用户带来将传感器从旋转环境连接到固定环境的挑战。有许多选项可以实现此目的,每种选项都有自己的优点和缺点。

在旋转传感器和固定式电子设备之间建立连接的最常用方法是滑环。它由一组随传感器旋转的导电环和一系列与这些环接触并传输传感器信号的电刷组成。

滑环是一种经济的解决方案,可在各种应用中发挥良好的作用。它们是一种相对简单,经过时间验证的解决方案,在大多数应用程序中只有很小的缺点。刷子(在较小程度上是指环)是使用寿命有限的磨损物品,不适合长期测试或不易于定期维护的应用。

滑环扭矩传感器

图3:滑环是一种经济的解决方案

在低速至中速时,环和电刷之间的电气连接相对无噪声,但是在较高速度时,噪声会严重降低其性能。滑环的最大转速(rpm)由电刷/环界面处的表面速度确定。结果,由于滑环的直径必须较大,因此在给定的转速下具有较高的表面速度,因此对于较大的,通常是较高扭矩容量的传感器,最大工作速度将较低。

对于中等量程的扭矩传感器,典型的最大速度将在5,000 rpm的范围内。最后,电刷环界面是阻力转矩的来源,这可能是一个问题,尤其是对于非常低的容量测量或驱动转矩难以克服电刷阻力的应用。

旋转耦合器

为了克服滑环的某些缺点,设计了旋转耦合器系统。它使用旋转耦合器将功率传输到旋转传感器。外部仪器通过励磁耦合向应变计桥提供交流励磁电压。然后,传感器的应变计电桥驱动第二个旋转耦合线圈,以便从旋转传感器上获得扭矩信号。通过消除滑环的电刷和磁环,消除了磨损问题,使旋转耦合器系统适合于长期测试应用。

扭矩传感器原理

图4:旋转耦合器可提高性能

还消除了滑环组件中的电刷引起的阻力转矩。但是,对轴承的需求以及耦合铁芯的易碎性仍然将最大rpm的水平限制在略高于滑环的水平。该系统还容易受到由耦合器初级线圈到次级线圈对准引起的噪声和误差的影响。由于旋转变压器的特殊要求,为了产生大多数数据采集系统可接受的信号,还需要进行专门的信号调节,这进一步增加了系统成本,而该成本已经比典型的滑环组件高。

为了克服滑环的一些缺点,设计了旋转耦合器系统。它使用旋转变压器耦合将功率传输到旋转传感器。外部仪器通过励磁变压器向应变计桥提供交流励磁电压。然后,传感器的应变计电桥驱动第二个旋转变压器线圈,以便从旋转传感器上获得扭矩信号。通过消除滑环的电刷和环,消除了磨损问题,使旋转变压器系统适合于长期测试应用。

非接触式扭矩传感器

像旋转耦合器一样,非接触扭矩传感器利用非接触式方法将扭矩信号从旋转传感器传回。使用旋转,将功率传输到旋转传感器。但是,它不是用来直接激励应变计电桥,而是用来为旋转传感器上的电路供电。该电路将激励电压提供给传感器的应变计电桥,并数字化传感器的输出信号。

非接触式扭矩传感器

图5:提供非接触式扭矩传感器

该数字输出信号通过变送器传出信号,其中另一个电路会检查数字信号是否存在错误,并将其转换回模拟电压。由于传感器的输出信号是数字信号,因此它不易受到来自诸如电动机和磁场等来源的噪声的影响。与旋转变压器系统不同,红外传感器可以配置为带轴承或不带轴承,以实现真正的免维护,无磨损,无阻力传感器。

尽管比简单的滑环扭矩传感器成本高,但它具有许多优点。当配置为无轴承时,作为真正的非接触式测量系统,无需磨损,因此非常适合长期测试设备。最重要的是,由于取消了轴承,即使对于大容量设备,其运行速度(rpm)也急剧提高到25,000 rpm或更高。对于高速应用,这通常是旋转扭矩传递方法的最佳解决方案。

无线扭矩传感器

在旋转传感器和接收器之间建立连接的另一种方法是使用FM发射器。这些发送器用于将任何传感器(无论是力还是扭矩)远程连接到其远程数据采集系统,方法是将传感器的信号转换为数字形式,然后将其转换回模拟电压后再发送到FM接收器。

无线扭矩传感器

图6:FM连接在更长的距离上也能正常工作

对于扭矩应用,它们通常用于一种特殊的传感器,例如将应变计直接应用于传动系统中的组件时。例如,这可以是车辆的驱动轴或半轴。变送器的优点是易于安装在组件上,因为通常只需将其夹紧在量规轴上即可,并且可重复用于多个定制传感器。它的确具有需要在旋转传感器(通常为9V电池)上提供电源的缺点,这使其无法进行长期测试。

了解要测量的扭矩的性质,以及哪些因素可以改变该扭矩以进行测量,这将对所收集数据的可靠性产生深远影响。在需要测量动态扭矩的应用中,必须格外小心,以在适当的位置测量扭矩,并且不要通过用测量系统阻尼扭矩来影响扭矩。

如何选择用于连接到旋转设备中的扭矩传感器,滑环是一种成本低的解决方案,但有局限性。技术上更先进的解决方案可用于要求更高的应用中,但通常成本会更高。通过考虑特定应用的要求和条件,可以选择合适的扭矩测量系统。


         
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