數(shù)字式扭矩傳感器技術(shù)性能及應(yīng)用

一、前言

在旋轉(zhuǎn)動(dòng)力系統(tǒng)中最頻繁涉及到的參數(shù):旋轉(zhuǎn)扭矩,為了檢測(cè)旋轉(zhuǎn)扭矩傳統(tǒng)使用較多的是扭轉(zhuǎn)角相位差式傳感器，該方法是在彈性軸的兩端安裝著兩組齒數(shù)、形狀及安裝角度完全相同的齒輪，在齒輪的外側(cè)各安裝著一只接近(磁或光)傳感器。當(dāng)彈性軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，這兩組傳感器就可以測(cè)量出兩組脈沖波，比較這兩組脈沖波的前后沿的相位差就可以計(jì)算出彈性軸所承受的扭矩量。該方法的優(yōu)點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩信號(hào)的非接觸傳遞，檢測(cè)信號(hào)為數(shù)字信號(hào)；缺點(diǎn)：體積較大，不易安裝，低轉(zhuǎn)速時(shí)由于脈沖波的前后沿較緩不易比較，因此低速性能不理想。（見圖一）

圖一 扭轉(zhuǎn)角相位差式扭矩傳感器示意圖

扭矩測(cè)試比較成熟的檢測(cè)手段為應(yīng)變電測(cè)技術(shù)。它具有精度高，頻響快，可靠性好，壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。

將專用的測(cè)扭應(yīng)變片用應(yīng)變膠粘貼在被測(cè)彈性軸上，并組成應(yīng)變橋，若向應(yīng)變橋提供工作電源即可測(cè)試該彈性軸受扭的電信號(hào)。這就是基本的扭矩傳感器模式。 (見圖二)但是在旋轉(zhuǎn)動(dòng)力傳遞系統(tǒng)中，最棘手的問題是旋轉(zhuǎn)體上的應(yīng)變橋的橋壓輸入及檢測(cè)到的應(yīng)變信號(hào)輸出如何可靠地在旋轉(zhuǎn)部分與靜止部分之間傳遞，通常的做法是用導(dǎo)電滑環(huán)來完成。

圖二 基本的扭矩傳感器

由于導(dǎo)電滑環(huán)屬于磨擦接觸，因此不可避免地存在著磨損并發(fā)熱，因而限制了旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速及導(dǎo)電滑環(huán)的使用壽命。及由于接觸不可靠引起信號(hào)波動(dòng)，因而造成測(cè)量誤差大甚至測(cè)量不成功。為了克服導(dǎo)電滑環(huán)的缺陷，另一個(gè)辦法就是采用無線電遙測(cè)的方法 :將扭矩應(yīng)變信號(hào)在旋轉(zhuǎn)軸上放大并進(jìn)行V/F轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)，通過載波調(diào)制用無線電發(fā)射的方法從旋轉(zhuǎn)軸上發(fā)射至軸外，再用無線電接收的方法，就可以得到旋轉(zhuǎn)軸受扭的信號(hào)（見圖三）。

圖三

旋轉(zhuǎn)軸上的能源供應(yīng)是固定在旋轉(zhuǎn)軸上的電池。該方法即為遙測(cè)扭矩儀。 (見圖四)遙測(cè)扭矩儀成功之處在于克服了電滑環(huán)的兩項(xiàng)缺陷，但也存在著三個(gè)不足之處，其一：易受使用現(xiàn)場(chǎng)電磁波的干擾；其二：由于是電池供電，所以只能短期使用。其三：由于在旋轉(zhuǎn)軸上附加了結(jié)構(gòu)，易引起高轉(zhuǎn)速時(shí)的動(dòng)平衡問題。在小量程及小直徑軸時(shí)更突出。數(shù)字式扭矩傳感器吸取了上述各種方法的優(yōu)點(diǎn)并克服了其缺陷,在應(yīng)變傳感器的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了兩組旋轉(zhuǎn)變壓器,實(shí)現(xiàn)了能源及信號(hào)的非接觸傳遞。并做到了扭矩信號(hào)的傳遞與是否旋轉(zhuǎn)無關(guān)，與轉(zhuǎn)速大小無關(guān)，與旋轉(zhuǎn)方向無關(guān)。

圖四

二、特點(diǎn)

1. 既可以測(cè)量靜止扭矩，也可以測(cè)量旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩;
2. 既可以測(cè)量靜態(tài)扭矩，也可以測(cè)量動(dòng)態(tài)扭矩；
3. 檢測(cè)精度高，穩(wěn)定性好；抗干擾性強(qiáng)；
4. 體積小，重量輕，多種安裝結(jié)構(gòu)，易于安裝使用；
5. 不需反復(fù)調(diào)零即可連續(xù)測(cè)量正反轉(zhuǎn)扭矩;
6. 沒有導(dǎo)電環(huán)等磨損件，可以高轉(zhuǎn)速長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行；
7. 傳感器輸出高電平頻率信號(hào)可直接送計(jì)算機(jī)處理；
8. 測(cè)量彈性體強(qiáng)度大可承受100%的過載。

三、測(cè)量原理

將專用的測(cè)扭應(yīng)變片用應(yīng)變膠粘貼在被測(cè)彈性軸上并組成應(yīng)變橋 ,向應(yīng)變橋提供電源即可測(cè)得該彈性軸受扭的電信號(hào)。將該應(yīng)變信號(hào)放大后，經(jīng)過壓/頻轉(zhuǎn)換，變成與扭應(yīng)變成正比的頻率信號(hào)。本系統(tǒng)的能源輸入及信號(hào)輸出是由兩組帶間隙的特殊環(huán)型變壓器承擔(dān)的,因此實(shí)現(xiàn)了無接觸的能源及信號(hào)傳遞功能。(虛線內(nèi)為旋轉(zhuǎn)部分)（見圖五）。

圖五

四、傳感器原理結(jié)構(gòu)

在一段特制的彈性軸上粘貼上專用的測(cè)扭應(yīng)片并組成變橋，即為基礎(chǔ)扭矩傳感器；在軸上固定著： (1)能源環(huán)形變壓器的次級(jí)線圈，(2)信號(hào)環(huán)形變壓器初級(jí)線圈，(3)軸上印刷電路板，電路板上包含整流穩(wěn)定電源、儀表放大電路、V/F變換電路及信號(hào)輸出電路。在傳感器的外殼上固定著(1)激磁電路，(2)能源環(huán)形變壓器的初級(jí)線圈(輸入)，(3) 信號(hào)環(huán)形變壓器次級(jí)線圈(輸出)，(4)信號(hào)處理電路。

五、工作過程

向傳感器提供 ± 15V電源，激磁電路中的晶體振蕩器產(chǎn)生400Hz的方波，經(jīng)過TDA2030功率放大器即產(chǎn)生交流激磁功率電源，通過能源環(huán)形變壓器T1從靜止的初級(jí)線圈傳遞至旋轉(zhuǎn)的次級(jí)線圈，得到的交流電源通過軸上的整流濾波電路得到 ±5V的直流電源，該電源做運(yùn)算放大器AD822的工作電源；由基準(zhǔn)電源AD589與雙運(yùn)放AD822組成的高精度穩(wěn)壓電源產(chǎn)生 ± 4.5V的精密直流電源，該電源既作為電橋電源，又作為放大器及V/F轉(zhuǎn)換器的工作電源。當(dāng)彈性軸受扭時(shí)，應(yīng)變橋檢測(cè)得到的mV級(jí)的應(yīng)變信號(hào)通過儀表放大器AD620放大成1.5v ± 1v的強(qiáng)信號(hào)，再通過V/F轉(zhuǎn)換器LM131變換成頻率信號(hào)，通過信號(hào)環(huán)形變壓器T2從旋轉(zhuǎn)的初級(jí)線圈傳遞至靜止次級(jí)線圈，再經(jīng)過傳感器外殼上的信號(hào)處理電路濾波、整形即可得到與彈性軸承受的扭矩成正比的頻率信號(hào)，該信號(hào)為TTL電平,既可提供給專用二次儀表或頻率計(jì)顯示也可直接送計(jì)算機(jī)處理。由于該旋轉(zhuǎn)變壓器動(dòng)--靜環(huán)之間只有零點(diǎn)幾毫米的間隙，加之傳感器軸上部分都密封在金屬外殼之內(nèi)，形成有效的屏蔽，因此具有很強(qiáng)的抗干擾能力。

本傳感器輸出的頻率信號(hào)在零點(diǎn)時(shí)為 10kHz.正向旋轉(zhuǎn)滿量程時(shí)為15KHz.反向旋轉(zhuǎn)滿量程時(shí)為5KHz。即滿量程變量為5000個(gè)數(shù)/每秒。轉(zhuǎn)速測(cè)量采用光電齒輪或者磁電齒輪的測(cè)量方法，軸每旋轉(zhuǎn)一周可產(chǎn)生60個(gè)脈沖，高速或中速采樣時(shí)可以用測(cè)頻的方法，低速采樣時(shí)可以用測(cè)周期的方法。本傳感器精度可達(dá) ± 0.2%～ ± 0.5%（F·S）。由于傳感器輸出為頻率信號(hào)，所以無需AD轉(zhuǎn)換即可直接送至計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

六、應(yīng)用范圍

1. 檢測(cè)發(fā)電機(jī)，電動(dòng)機(jī) ，內(nèi)燃機(jī)等旋轉(zhuǎn)動(dòng)力設(shè)備輸出扭矩及功率。
2. 檢測(cè)減速機(jī)，風(fēng)機(jī)，泵，攪拌機(jī)，卷揚(yáng)機(jī)，螺旋槳，鉆探機(jī)械等設(shè)備的負(fù)載扭矩及輸入功率。
3. 檢測(cè)各種機(jī)械加工中心，自動(dòng)機(jī)床的工作過程中的扭矩4. 各種旋轉(zhuǎn)動(dòng)力設(shè)備系統(tǒng)所傳遞的扭矩及效率；
5. 檢測(cè)扭矩的同時(shí)可以檢測(cè)轉(zhuǎn)速，軸向力。
6. 可用于制造粘度計(jì)，電動(dòng)(氣動(dòng)，液力)扭力扳手。

七、安裝使用

1. 使用兩組聯(lián)軸器，將傳感器安裝在動(dòng)力源和負(fù)載之間。

圖六

2. 建議用撓性、彈性或萬向節(jié)聯(lián)軸器，以保證同心度 ∠ 0.1mm以下。
3. 動(dòng)力及負(fù)載設(shè)備必須固定可靠避免振動(dòng)。
4. 將本傳感器的基座與設(shè)備的基座固定可靠，中心高須墊合適避免產(chǎn)生彎矩 。

八、多種安裝方式

本傳感器經(jīng)過五年的批量試產(chǎn)，廣泛受到用戶的好評(píng)。本傳感器屬貫通形安裝方法，一般需要通過聯(lián)軸器安裝，為了便于在特殊要求的條件下使用，本傳感器還有七種變形結(jié)構(gòu)：

1. 如果要求傳動(dòng)系統(tǒng)的軸向不因安裝了傳感器而加長(zhǎng)，則可使用智能聯(lián)軸器--既可以檢測(cè)扭矩，又可以承擔(dān)聯(lián)軸器的功能。也就是一種帶檢測(cè)功能的聯(lián)軸器。
2. 被測(cè)傳動(dòng)系統(tǒng)不允許加長(zhǎng)但可以拆卸時(shí)，則可以使用套裝式扭矩傳感器--套在被測(cè)軸上即可測(cè)試。
3. 被測(cè)傳動(dòng)系統(tǒng)既不允許加長(zhǎng)又不可以拆卸時(shí)，則可以使用在現(xiàn)場(chǎng)組裝的卡裝式扭矩傳感器。從軸的兩側(cè)卡在軸上即可進(jìn)行測(cè)試。即可長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)也可短期檢測(cè)。與電流鉗形表相似。
4．有的測(cè)試系統(tǒng)既有扭力又有軸向力時(shí)則可以使用轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速軸向力三參數(shù)傳感器；既可以避免軸向力對(duì)扭力測(cè)試的干擾又可以測(cè)量軸向力的信號(hào)；
5．在高轉(zhuǎn)速或超高轉(zhuǎn)速下測(cè)試時(shí)可以使用無軸承式轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器；
6．如果被測(cè)系統(tǒng)為不旋轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)可以使用扭矩傳感變送器；
7．如果被測(cè)系統(tǒng)最大值在5mN·m至1N·m時(shí)可以使用小量程轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器。

九、智能轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x

為了更方便的使用本系列扭矩傳感器特配合設(shè)計(jì)了智能轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x與計(jì)算機(jī)虛擬儀器，該兩種儀器可以直接顯示出正在測(cè)量的轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速，功率值的數(shù)值及曲線，也可以設(shè)定轉(zhuǎn)矩的限定值，超值報(bào)警，還可以保存本次測(cè)量的轉(zhuǎn)矩峰值及曲線，并且可以打印出上述各參數(shù)及曲線圖。 風(fēng)速傳感器相關(guān)文章:風(fēng)速傳感器原理
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