金工說



扭矩是旋轉(zhuǎn)動力機(jī)械的重要參數(shù)，扭矩測量廣泛應(yīng)用于汽車、船舶、航空航天、電力機(jī)車、能源、化工等各個工業(yè)領(lǐng)域，正確進(jìn)行扭矩測量是產(chǎn)品研發(fā)、狀態(tài)監(jiān)測、故障識別預(yù)報、自動控制、節(jié)能、動力平衡指示的保證，扭矩傳感器作為扭矩測量的主要方式和核心部件，其正確選擇顯得尤為重要。

今天就先和大家聊一聊扭矩傳感器的選型。

為何說選擇正確的旋轉(zhuǎn)扭矩傳感器很重要

花時間認(rèn)真選擇扭矩傳感器有兩個關(guān)鍵的原因：防止損壞和確保精度。

防止損壞——扭矩傳感器是高精度測量的關(guān)鍵器件，設(shè)計后可以起到類似于機(jī)械保險的作用。由于扭矩傳感器是驅(qū)動系中最脆弱的部分，因此正確選擇對避免機(jī)械故障非常重要。這是由于準(zhǔn)確測量扭矩，必須測量某個點(diǎn)的應(yīng)變值，而應(yīng)變計必須放在該點(diǎn)上，通常是傳感器結(jié)構(gòu)最薄弱的點(diǎn)。

確保精度——限制轉(zhuǎn)矩數(shù)據(jù)的不確定度非常重要。通過確保滿足扭矩傳感器的所有電氣要求，可以獲得更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，使其在特定應(yīng)用中更為有用。

我們可以通過以下方面評估來選擇傳感器

扭矩傳感器類型——例如反作用、圓軸、模擬遙測、數(shù)字遙測、雙量程扭矩傳感器
應(yīng)用注意事項——例如精度、量程、轉(zhuǎn)速、輸出要求和響應(yīng)時間
環(huán)境注意事項——例如溫度、灰塵和電磁干擾
動態(tài)應(yīng)用注意事項——例如旋轉(zhuǎn)效應(yīng)、臨界轉(zhuǎn)速和額外負(fù)載

扭矩傳感器類型

扭矩傳感器的種類有很多，了解每類的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)是針對應(yīng)用和需求選擇正確傳感器的第一步。

01、反作用扭矩傳感器
反作用扭矩傳感器是一種非旋轉(zhuǎn)的扭矩傳感器，其作用相當(dāng)于一個杠桿臂和一個測力傳感器，而無需進(jìn)行實際配置這二者。



優(yōu)點(diǎn)：
性價比高
注意事項較少——由于扭矩傳感器不旋轉(zhuǎn)，因此無需考慮轉(zhuǎn)速
無需更改旋轉(zhuǎn)軸——無需斷開旋轉(zhuǎn)軸來安裝扭矩傳感器和聯(lián)軸器，因此費(fèi)用更低

缺點(diǎn)：
動態(tài)響應(yīng)時間減少——測功機(jī)的質(zhì)量起到了機(jī)械過濾器的作用
沒有測量軸上的真實扭矩——沒有測量軸上的真實扭矩，而是測量被測功機(jī)質(zhì)量過濾的扭矩
測功機(jī)的軸承維護(hù)——為測量反作用力，將測功機(jī)浮在軸承上
精度——由于上述原因，反作用力扭矩傳感器精度不如在線式扭矩傳感器

02、圓軸——滑環(huán)扭矩傳感器
滑環(huán)扭矩傳感器是40年前設(shè)計研發(fā)出的。該類傳感器采用石墨電刷與銀合金滑環(huán)接觸摩擦。

優(yōu)點(diǎn)：
交流或直流激勵
更好的響應(yīng)時間——采用接觸法測量扭矩
低慣性——因其為圓軸、鍵軸，而此類軸通常慣性較低
扭矩容量范圍小，費(fèi)用合理——可在低至1牛米或以下的小容量范圍內(nèi)生產(chǎn)
安裝選項——此類傳感器采用地腳安裝或非地腳安裝，以防必須更改傳動系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速

缺點(diǎn)：
剛度
轉(zhuǎn)速限制——軸承、滑環(huán)和電刷限制了轉(zhuǎn)速

軸承維護(hù)——隨著時間的推移，軸承會失效和磨損，因此需要更換。電刷維護(hù)和錯誤，石墨電刷會產(chǎn)生灰塵，若灰塵與機(jī)油混合，機(jī)油和灰塵會附著在滑環(huán)上，導(dǎo)致電氣短路

電刷噪聲
齒隙或鍵不平衡——軸通常是鍵控的，會導(dǎo)致不平衡

03、圓軸——旋轉(zhuǎn)變壓器
旋轉(zhuǎn)變壓器從機(jī)械角度類似于滑環(huán)傳感器。但考慮電氣方面，采用旋轉(zhuǎn)變壓器代替滑環(huán)和電刷。一個變壓器用于激勵扭矩傳感器，另一個變壓器用于取回數(shù)據(jù)。



優(yōu)點(diǎn)：

非接觸式數(shù)據(jù)傳輸——由于此類扭矩傳感器是非接觸式的，不受滑環(huán)和電刷的限制，通?？梢愿叩霓D(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)
低慣性——因其為圓軸、鍵軸，而此類軸通常慣性較低
扭矩容量范圍小，費(fèi)用合理——可在低至1牛米或以下的小容量范圍內(nèi)生產(chǎn)
安裝選項——此類傳感器采用地腳安裝或非地腳安裝，以防必須更改傳動系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速
相比滑環(huán)具有更高的額定轉(zhuǎn)速

缺點(diǎn)：

必須使用交流勵磁源
降低響應(yīng)時間——預(yù)計可達(dá)到約300Hz的頻率響應(yīng)

剛度

轉(zhuǎn)速限制——軸承限制轉(zhuǎn)速。

軸承維護(hù)和錯誤——隨著時間的推移，軸承會失效和磨損，因此需要更換

電噪聲——變壓器可以充當(dāng)天線

齒隙和鍵不平衡——軸上通常帶有鍵，會導(dǎo)致不平衡

對振動敏感——振動和移位，或推力，都很容易損壞變壓器零部件

04、圓軸——夾持式扭矩傳感器
當(dāng)無法斷開軸以及安裝在線扭矩傳感器時，夾持式扭矩傳感器是一種理想的選擇。


優(yōu)點(diǎn)：

低成本，高扭矩范圍——若軸的直徑為一英尺，與安裝在線扭矩傳感器相比，夾緊夾持式扭矩傳感器更容易完成且成本效益更高
扭矩容量范圍小
較高的額定轉(zhuǎn)速

缺點(diǎn)：

低精度或高不確定度——這種傳感器不測量扭矩，而是測量軸的撓度
難以重復(fù)——您必須了解軸是如何制造的，以及需要軸的什么特性才能重復(fù)測試結(jié)果
需要進(jìn)行數(shù)學(xué)計算——需要將軸撓度轉(zhuǎn)換為扭矩

這種扭矩傳感器更方便，但不適用于精度要求極高的應(yīng)用場合。

05、模擬遙測扭矩傳感器
20世紀(jì)90年代初，模擬遙測技術(shù)可提供合理的成本效益和精度。



優(yōu)點(diǎn)：

非接觸式數(shù)據(jù)傳輸——無軸承設(shè)計，可實現(xiàn)全天候免維護(hù)解決方案

剛度——法蘭到法蘭轉(zhuǎn)子設(shè)計可實現(xiàn)高剛度

低或幾乎沒有齒隙——無鍵槽或花鍵軸端

高額定轉(zhuǎn)速

電噪聲低——由于頻率輸出的原因，不太容易受到噪聲的影響

重量和長度——遙測傳感器通常比滑環(huán)式和旋轉(zhuǎn)變壓器式扭矩傳感器更輕、更短

缺點(diǎn)：

慣性——由于直徑較大，因此慣性較大

易受附近金屬物體的影響——防護(hù)罩或屏蔽罩可以充當(dāng)二次天線，吸走扭矩傳感器的功率或信號，使其無法工作

性能更佳但響應(yīng)時間有限——這種扭矩傳感器比旋轉(zhuǎn)變壓器式扭矩傳感器具有較長的響應(yīng)時間

06、數(shù)字遙測扭矩傳感器
過去5-10年中，數(shù)字遙測技術(shù)成為制造扭矩傳感器的一種更可行的方法。這種傳感器比其他傳感器更加高科技，與市場上的其他扭矩傳感器相比具有更多優(yōu)勢。



優(yōu)點(diǎn)：

較低的不確定度——由于是數(shù)字化傳感器，而且涉及到軟件，因此不確定度較低

非接觸式數(shù)據(jù)傳輸——在全天候、免維護(hù)的環(huán)境中運(yùn)行

剛度——法蘭到法蘭轉(zhuǎn)子設(shè)計可實現(xiàn)高剛度

齒隙小或幾乎沒有——無鍵槽或花鍵軸端

高額定轉(zhuǎn)速

電噪聲低——由于頻率輸出的原因，不太容易受到噪聲的影響

重量和長度——遙測傳感器通常比滑環(huán)式和旋轉(zhuǎn)變壓器式扭矩傳感器更輕、更短

設(shè)置軟件可用

可能不受附近金屬物體的影響

響應(yīng)時間長——響應(yīng)時間可以在1千赫茲到10或15千赫茲之間

缺點(diǎn)：

慣性——由于直徑較大，因此慣性較大

成本——尤其是在較低量程

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換——可能會有更多的轉(zhuǎn)換，這取決于輸出類型。例如，可以從電橋的模擬轉(zhuǎn)換成數(shù)字傳輸，然后再轉(zhuǎn)換回模擬信號輸出

07、雙量程扭矩傳感器

有一些供應(yīng)商提供雙量程扭矩傳感器。在HBM看來，幾乎不可能制造出這種傳感器。因為為了獲得一個真正的雙量程扭矩傳感器，必須有（例如）一個10000牛米電橋和一個1000牛米電橋。假如同一個扭矩傳感器上同時存在這兩個電橋，一旦把10000牛米放在上面，就會扭曲并破壞較小的電橋。

為了保護(hù)較小容量的電橋，幾乎不可能通過機(jī)械方式對扭矩傳感器提供過載保護(hù)。因此，通常使用一個或兩個10000牛頓米電橋，以對1000牛頓米量程進(jìn)行單獨(dú)的校準(zhǔn)。通常，還增加了電壓增益，以增大較小應(yīng)變計電橋的輸出。然后采用濾波的方法清除噪聲，這對測量精度和低端測量產(chǎn)生不利影響。

歸根結(jié)底，不太可能制造出真正的雙量程扭矩傳感器。但是，可以將一些數(shù)字扭矩傳感器與軟件一起使用，并將它們配置成可充當(dāng)雙量程扭矩傳感器。

這期主要介紹了傳感器的類型，下期我將接著為大家介紹傳感器的應(yīng)用注意事項、環(huán)境條件、動態(tài)應(yīng)用注意事項。