金工說(shuō)

扭矩是旋轉(zhuǎn)動(dòng)力機(jī)械的重要參數(shù)，扭矩測(cè)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(gè)工業(yè)領(lǐng)域，正確進(jìn)行扭矩測(cè)量是產(chǎn)品研發(fā)、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障識(shí)別預(yù)報(bào)、自動(dòng)控制、節(jié)能、動(dòng)力平衡指示的保證，扭矩傳感器作為扭矩測(cè)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(shuō)選擇正確的旋轉(zhuǎn)扭矩傳感器很重要

花時(shí)間認(rèn)真選擇扭矩傳感器有兩個(gè)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(cè)量的關(guān)鍵器件，設(shè)計(jì)后可以起到類似于機(jī)械保險(xiǎn)的作用。由于扭矩傳感器是驅(qū)動(dòng)系中最脆弱的部分，因此正確選擇對(duì)避免機(jī)械故障非常重要。這是由于準(zhǔn)確測(cè)量扭矩，必須測(cè)量某個(gè)點(diǎn)的應(yīng)變值，而應(yīng)變計(jì)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?cái)?shù)據(jù)的不確定度非常重要。通過(guò)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(guò)以下方面評(píng)估來(lái)選擇傳感器

• 扭矩傳感器類型 ——例如反作用、圓軸、模擬遙測(cè)、數(shù)字遙測(cè)、雙量程扭矩傳感器
• 應(yīng)用注意事項(xiàng) ——例如精度、量程、轉(zhuǎn)速、輸出要求和響應(yīng)時(shí)間
• 環(huán)境注意事項(xiàng) ——例如溫度、灰塵和電磁干擾
• 動(dòng)態(tài)應(yīng)用注意事項(xiàng) ——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(duì)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(gè)杠桿臂和一個(gè)測(cè)力傳感器，而無(wú)需進(jìn)行實(shí)際配置這二者。

優(yōu)點(diǎn)：

• 性價(jià)比高
• 注意事項(xiàng)較少——由于扭矩傳感器不旋轉(zhuǎn)，因此無(wú)需考慮轉(zhuǎn)速
• 無(wú)需更改旋轉(zhuǎn)軸——無(wú)需斷開(kāi)旋轉(zhuǎn)軸來(lái)安裝扭矩傳感器和聯(lián)軸器，因此費(fèi)用更低

缺點(diǎn)：

• 動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間減少——測(cè)功機(jī)的質(zhì)量起到了機(jī)械過(guò)濾器的作用
• 沒(méi)有測(cè)量軸上的真實(shí)扭矩——沒(méi)有測(cè)量軸上的真實(shí)扭矩，而是測(cè)量被測(cè)功機(jī)質(zhì)量過(guò)濾的扭矩
• 測(cè)功機(jī)的軸承維護(hù)——為測(cè)量反作用力，將測(cè)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(jì)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(lì)
• 更好的響應(yīng)時(shí)間——采用接觸法測(cè)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(xiàng)——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(dòng)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(shí)間的推移，軸承會(huì)失效和磨損，因此需要更換。電刷維護(hù)和錯(cuò)誤，石墨電刷會(huì)產(chǎn)生灰塵，若灰塵與機(jī)油混合，機(jī)油和灰塵會(huì)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(huì)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(gè)變壓器用于激勵(lì)扭矩傳感器，另一個(gè)變壓器用于取回?cái)?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，通常可以更高的轉(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(xiàng)——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(dòng)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(lì)磁源

• 降低響應(yīng)時(shí)間——預(yù)計(jì)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(cuò)誤——隨著時(shí)間的推移，軸承會(huì)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(huì)導(dǎo)致不平衡

• 對(duì)振動(dòng)敏感——振動(dòng)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(wú)法斷開(kāi)軸以及安裝在線扭矩傳感器時(shí)，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(cè)量扭矩，而是測(cè)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(cè)試結(jié)果

• 需要進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)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(chǎng)合。

05

模擬遙測(cè)扭矩傳感器

20世紀(jì)90年代初，模擬遙測(cè)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(wú)軸承設(shè)計(jì)，可實(shí)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(jì)可實(shí)現(xiàn)高剛度

• 低或幾乎沒(méi)有齒隙——無(wú)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(zhǎng)度——遙測(cè)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(hào)，使其無(wú)法工作

• 性能更佳但響應(yīng)時(shí)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(zhǎng)的響應(yīng)時(shí)間

06

數(shù)字遙測(cè)扭矩傳感器

過(guò)去5-10年中，數(shù)字遙測(cè)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(chǎng)上的其他扭矩傳感器相比具有更多優(yōu)勢(shì)。

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(jì)可實(shí)現(xiàn)高剛度

• 齒隙小或幾乎沒(méi)有——無(wú)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(zhǎng)度——遙測(cè)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(shí)間長(zhǎng)——響應(yīng)時(shí)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(huì)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(hào)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(lái)，幾乎不可能制造出這種傳感器。因?yàn)闉榱双@得一個(gè)真正的雙量程扭矩傳感器，必須有（例如）一個(gè)10000牛米電橋和一個(gè)1000牛米電橋。假如同一個(gè)扭矩傳感器上同時(shí)存在這兩個(gè)電橋，一旦把10000牛米放在上面，就會(huì)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(guò)機(jī)械方式對(duì)扭矩傳感器提供過(guò)載保護(hù)。因此，通常使用一個(gè)或兩個(gè)10000牛頓米電橋，以對(duì)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(jì)電橋的輸出。然后采用濾波的方法清除噪聲，這對(duì)測(cè)量精度和低端測(cè)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(xiàng)、環(huán)境條件、動(dòng)態(tài)應(yīng)用注意事項(xiàng) 。

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