扭矩測量是汽車工業(yè)中許多測試的一個關鍵因素。人們對電機和汽車部件的要求越來越高：更高的能效、更低的消耗和更大的范圍。這也意味著在研發(fā)過程中對精度的要求更高了，因此對測試設備的要求也更高。那么，如何更好地測量扭矩呢？

在應用中，人們傾向于僅使用一個扭矩傳感器來覆蓋多個測量范圍。如果在測量過程中必須覆蓋不同尺寸的測量范圍，例如在發(fā)動機測試中，這一要求尤其苛刻。然后，扭矩傳感器必須根據測試情況獲得高扭矩和低扭矩，在整個測量范圍內保持一致的精度。主要挑戰(zhàn)是在測量精度和誤差容限之間實現平衡。

比如制動測試，出現的峰值扭矩遠遠高于平均測量扭矩。傳感器的標稱（額定）測量范圍大小適當，以確保傳感器不會因峰值扭矩而過載、損壞甚至毀壞。峰值扭矩代表應用中的最大扭矩。然而，如果將傳感器調到最大扭矩，它可能會在測量測試期間出現的其他扭矩時尺寸過大。尺寸過大的傳感器有一個缺點：必須用于評估誤差的重要數據表信息是指標稱（額定）測量范圍，而不是平均測量扭矩。

圖1 具有兩個不同測量體的雙量程傳感器，其中小測量體還必須接收較大測量范圍的標稱（額定）扭矩

圖2 電氣雙量程傳感器有一個彈性體，并以電氣方式模擬第二個較小的測量范圍

因此，相關的誤差評估可能會產生不利的結果，因為數據表中指定的重要參數，例如溫度響應TC0、非線性和遲滯以及寄生負載引起的影響，通常指的是傳感器的標稱（額定）測量范圍。

雙量程傳感器的兩種方法

在單個測試過程中記錄多個測量范圍的理想解決方案是不斷調整傳感器測量范圍以適應相應的最大扭矩。然而，由于技術上的原因，這是不切實際的。所以就出現了許多不同的雙量程傳感器變體，它們能夠覆蓋大的和小的測量范圍。

兩種不同的原理作為雙量程傳感器的基礎：帶有兩個彈性體的傳感器，和只有一個連續(xù)彈性體，和兩個單獨測量通道的電氣雙量程傳感器。

多個彈性體允許多個測量范圍

雙量程扭矩傳感器在兩個大小不同的扭矩范圍內進行測量。為此，它們有兩個尺寸不同、標稱（額定）測量范圍不同且串聯(lián)或并聯(lián)的彈性體或測量體。這些測量體中的每一個都帶有一個連接到數據采集系統(tǒng)的特別配套的應變計橋。這樣就可以確定測量體的材料應變，然后可以從中得出扭矩。這種類型的扭矩傳感器稱為“真”雙量程傳感器。彈性體串聯(lián)的變體的缺點在于,它只適用于靜態(tài)或準靜態(tài)扭矩測量。

在動態(tài)應用中，較小彈性體的過載保護會導致信號重疊。由于較小的彈性體也記錄較大彈性體的高扭矩，因此它配備了機械過載保護裝置，當扭矩過高時，該保護裝置會斷開連接，從而將扭矩傳遞給較大的傳感器。如果沒有這種過載保護，較小的元件就有可能損壞。但是，如果過載保護確實起作用，則結果是一個不明確的信號。

這可能導致稍后評估測量結果時做出不準確的解釋。第二個小測量范圍在這種布置中通常也具有非常“軟”的設計，以便能夠在低扭矩下產生足夠高的特性值。因此，小的測量范圍對寄生負載（如軸向力）的響應非常敏感，這會導致扭矩的串擾，在極端情況下甚至會損壞或損毀傳感器。

在另一種“真”雙量程傳感器中，不同尺寸的彈性體采用并聯(lián)連接。這類傳感器不需要過載保護，從而也避免了信號重疊固有的干擾。但在這種情況下，較小的彈性體也必須記錄大扭矩。因此，較小的彈性體有過載的危險，從而導致塑性變形。為了防止這種情況，較小的彈性體設計成能夠與較大的測量體一起支撐最大扭矩。然而，這導致第二個應變計橋的特征值太低。結果：分辨率不足，同時有很高的不精確性，包括實現溫度響應。

圖3 T12HP數字扭矩傳感器

電氣雙量程傳感器模擬小測量范圍

T12HP扭矩傳感器也不同于只有一個彈性體或測量體并模擬第二個彈性體的“非真”雙量程傳感器。

它包含一個附加測量放大器，該放大器連接到被設置為較小測量范圍的傳感器。這第二個測量放大器將輸出信號放大，通常放大5倍或10倍。因此，有了第二個有用的信號，它也代表較小的扭矩負載。這種設計原理的缺點：第二個測量范圍似乎只是為了提高精度。測量不確定度的關鍵參數是指標稱（額定）測量范圍，而不是放大的有用信號。由于“非真”雙量程傳感器中的第二個信號只是對信號進行電擴展，如果數據表中沒有明確規(guī)定第二個量程的附加值，這些影響因素也會被放大，這會增加測量不確定度。

結論

在扭矩測量中，在兩個測量范圍內測量不同量的扭矩有多種可能性。由于設計的原因，大多數變體的精度都會降低，尤其是在較小的測量范圍內。具有多個測量體的真雙量程傳感器并不真正適用于動態(tài)應用，因為需要過載停止。由于第二范圍經常被設計成靈敏的以便其會產生大的有用信號，因此允許的極限負載相應地較低，并導致對扭矩信號的更多串擾，誤差相對較大。

在只有一個測量體的電氣雙量程傳感器中，傳播測量信號會放大干擾特性，例如信號噪聲、遲滯、零點溫度響應TC0和寄生負載。除非數據表中另有說明，否則這不會增加第二個范圍的測量精度。零點溫度響應TC0以及信號噪聲被放大，并且在從大測量范圍變?yōu)樾y量范圍時可能出現不連續(xù)點。電氣雙量程傳感器的原理還可以根據應用放大寄生負載影響。這些干擾影響在具有FlexRange功能的T12HP扭矩傳感器中被最小化。