扭矩測量的方法原理

引言：扭矩是工廠場地上大多數(shù)設(shè)備的重要被測量對(duì)象之一。測量扭矩常常被誤解，這就可能導(dǎo)致對(duì)測量系統(tǒng)的過度設(shè)計(jì)或設(shè)計(jì)不足。本文介紹多種用于扭矩測量的技術(shù)和折衷方法。   

扭矩可以分為兩大類，靜態(tài)扭矩或動(dòng)態(tài)扭矩。用于測量扭矩的方法可以被進(jìn)一步分為兩類，反扭矩和聯(lián)機(jī)扭矩測量。被測扭矩的類型以及現(xiàn)有各類傳感器，對(duì)所測的數(shù)據(jù)精度及測量的成本有重要影響。

在討論靜態(tài)和動(dòng)態(tài)扭矩的比較中，最容易入手的是首先了解靜力和動(dòng)力的差異。簡而言之，動(dòng)力包括加速度，而靜力則沒有。

動(dòng)力和加速度之間的聯(lián)系被描述為牛頓第二定律：F=ma(力等于物質(zhì)質(zhì)量乘以加速度)。以汽車自身物質(zhì)(質(zhì)量)把車停下所需要的力就是動(dòng)力，因?yàn)槠嚤仨毐粶p速。由剎車卡鉗施加以停止汽車的力就是靜力，因?yàn)樗婕暗膭x車墊沒有加速度。

扭矩只是旋轉(zhuǎn)力或通過一定距離產(chǎn)生的力。根據(jù)前面的討論，它被認(rèn)為是靜力，如果它沒有角加速度的話。時(shí)鐘彈簧施加的扭矩就是靜態(tài)扭矩，因?yàn)闆]有旋轉(zhuǎn)，因而也就沒有角加速度。當(dāng)汽車以勻速在高速公路上巡航的時(shí)候，通過汽車傳動(dòng)軸傳輸?shù)呐ぞ鼐褪且粋€(gè)旋轉(zhuǎn)靜態(tài)扭矩的例子，因?yàn)榧词勾嬖谛D(zhuǎn)，以勻速行駛也沒有加速度。

汽車引擎產(chǎn)生的扭矩有靜態(tài)和動(dòng)態(tài)扭矩，取決于測量的部位。如果在機(jī)軸中測量扭矩，當(dāng)汽缸每一次燃燒且活塞旋轉(zhuǎn)機(jī)軸的時(shí)候，就有大的動(dòng)態(tài)扭矩波動(dòng)。

如果在傳動(dòng)軸測量扭矩，那幾乎就是靜態(tài)扭矩，因?yàn)檎{(diào)速輪和傳動(dòng)系統(tǒng)要阻尼引擎產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)扭矩。用曲柄提升車窗所需要的扭矩就是靜態(tài)扭矩的例子，盡管涉及到旋轉(zhuǎn)加速度，因?yàn)榍募铀俸托D(zhuǎn)慣性很小，與車窗運(yùn)動(dòng)有關(guān)的摩擦力相比，所產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)扭矩(扭矩=旋轉(zhuǎn)慣性*旋轉(zhuǎn)加速度)可以忽略不計(jì)。

最后一個(gè)例子描述了一個(gè)事實(shí)，大多測量應(yīng)用都在某種程度上涉及靜態(tài)和動(dòng)態(tài)扭矩。如果動(dòng)態(tài)扭矩是整個(gè)扭矩的主要組成部分或是感興趣的扭矩，那么，要特別考慮何時(shí)對(duì)其作出******的測量。

反扭矩與聯(lián)機(jī)扭矩的比較

通過在扭矩支撐零件之間插入一種扭矩傳感器，可以做聯(lián)機(jī)扭矩測量，非常類似于在套筒和套筒扳手之間插入延長桿。旋轉(zhuǎn)套筒所需要的扭矩直接由套筒延長桿支撐。該方法容許扭矩傳感器被放置在盡可能與感興趣的扭矩靠近的地方，并避免可能出現(xiàn)的測量誤差，如寄生扭矩(軸承等等)、無關(guān)負(fù)載和具有大的旋轉(zhuǎn)慣性的零件(會(huì)阻尼動(dòng)態(tài)扭矩)。

反扭矩傳感器利用了牛頓第三定律：‘兩個(gè)物體之間的作用力與反作用力總是大小相等而方向相反。’為了測量電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的扭矩，我們可能采用如上所述的聯(lián)機(jī)測量方法，或我們可能測量需要多大的扭矩才能阻止電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)，通常稱為反扭矩。



圖2：扭矩傳感器的放置是重要的。

在旋轉(zhuǎn)的應(yīng)用中，對(duì)傳感器做電氣連接顯然是一個(gè)問題，測量反扭矩就可以避免電氣連接；但是，這樣做也有缺陷。反扭矩傳感器常常需要支撐重要的無關(guān)負(fù)載，如電動(dòng)機(jī)的重量或至少驅(qū)動(dòng)軸的部分(重量)。這些負(fù)載可能引起耦合誤差(傳感器除了對(duì)已確定待測的反扭矩作出響應(yīng)之外，還對(duì)其它力引起的反扭矩也作出了響應(yīng))，有時(shí)侯會(huì)降低靈敏度，因?yàn)椴坏貌患哟髠鞲衅饕灾螣o關(guān)的負(fù)載。對(duì)靜態(tài)扭矩測量，采用聯(lián)機(jī)和反扭矩這兩種方法將得到相同的測量結(jié)果。

傳感器的連接

在旋轉(zhuǎn)應(yīng)用中做聯(lián)機(jī)測量，對(duì)用戶來說，把傳感器從旋轉(zhuǎn)的零件連接到固定的零件將永遠(yuǎn)是一個(gè)要面對(duì)的挑戰(zhàn)。傳感器的連接有幾種方法，每一種都有其優(yōu)缺點(diǎn)。

在旋轉(zhuǎn)的傳感器和固定的電子部件之間建立連接，最常見的方法是采用滑環(huán)(slipring)。它由一組跟傳感器一起旋轉(zhuǎn)的導(dǎo)電環(huán)、一連串與導(dǎo)電環(huán)接觸的導(dǎo)電刷和發(fā)送傳感器信號(hào)的(電極)構(gòu)成。

滑環(huán)是一種在各種應(yīng)用中獲得廣泛應(yīng)用、性能良好和經(jīng)濟(jì)的解決方案。相對(duì)而言，這種直截了當(dāng)?shù)臏y量方法缺點(diǎn)很少，是一種在大多數(shù)應(yīng)用中經(jīng)受了時(shí)間考驗(yàn)的方案。但是，導(dǎo)電刷和不太寬的導(dǎo)電環(huán)是消耗品，壽命有限，不適用于長期測試之用，也不適用于要定期保養(yǎng)的應(yīng)用(改寫)。



圖3：滑環(huán)是一種經(jīng)濟(jì)的解決方案。

在中低速(旋轉(zhuǎn)的情形下)，導(dǎo)電環(huán)和導(dǎo)電刷之間的電氣連接相對(duì)而言沒有噪聲，然而，在較高速(旋轉(zhuǎn)引起)的噪聲將嚴(yán)重降低它們的性能。滑環(huán)的******旋轉(zhuǎn)速度(rpm)由導(dǎo)電刷/導(dǎo)電環(huán)接觸表面的速度決定。因此，對(duì)于較大的、典型的(具有)較高扭矩力的傳感器，由于滑環(huán)的直徑較大，因而在給定的rpm條件下表面速度就較高，從而導(dǎo)致******工作速度較低。

對(duì)于力的大小為中等的扭矩傳感器，典型的******速度在5,000 rpm范圍內(nèi)。導(dǎo)電刷/導(dǎo)電環(huán)界面的拖曳力矩可能引起問題，特別是對(duì)非常小的扭矩力進(jìn)行測量或應(yīng)用，驅(qū)動(dòng)扭矩遇到的麻煩可能是無法克服導(dǎo)電刷的拖曳力矩。

旋轉(zhuǎn)變壓器

為了克服滑環(huán)的一些缺點(diǎn)，人們?cè)O(shè)計(jì)出了旋轉(zhuǎn)變壓器系統(tǒng)。它利用旋轉(zhuǎn)變壓器，把電能傳輸給正在旋轉(zhuǎn)的傳感器。外部儀器通過激勵(lì)變壓器把一個(gè)交流激勵(lì)電壓提供給應(yīng)變計(jì)橋。傳感器的應(yīng)變計(jì)橋然后驅(qū)動(dòng)次級(jí)旋轉(zhuǎn)變壓器線圈，以便從旋轉(zhuǎn)的傳感器取出扭矩信號(hào)。通過取消滑環(huán)的導(dǎo)電刷和導(dǎo)電環(huán)，易于磨損的問題消失了，使旋轉(zhuǎn)變壓器系統(tǒng)適合于長期測試應(yīng)用。



圖4：旋轉(zhuǎn)變壓器改善性能。

由滑環(huán)中導(dǎo)電刷裝配引起的寄生拖曳力矩也消失了。然而，由于需要軸承且變壓器芯易碎，******旋轉(zhuǎn)速度仍然受到限制，僅僅比滑環(huán)方案好一點(diǎn)。變壓器初級(jí)和次級(jí)的對(duì)準(zhǔn)會(huì)引入噪聲和誤差，系統(tǒng)也容易受到兩者的影響。因?yàn)樾D(zhuǎn)變壓器存在特殊的要求，還需要專用信號(hào)調(diào)理(電路)，以便產(chǎn)生大多數(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可接收的信號(hào)，從而進(jìn)一步增加已經(jīng)比典型的滑環(huán)零件更貴的系統(tǒng)成本。

紅外線(IR)方案

跟旋轉(zhuǎn)變壓器一樣，紅外線(IR)扭矩傳感器采用不接觸方法，從旋轉(zhuǎn)的傳感器把扭矩信號(hào)取回到固定的世界。相似地，利用旋轉(zhuǎn)變壓器耦合，電源被傳輸?shù)叫D(zhuǎn)傳感器。然而，與其被直接用于激勵(lì)應(yīng)變計(jì)橋，不如被用于為旋轉(zhuǎn)的傳感器供電。該電路把激勵(lì)電壓提供給傳感器的應(yīng)變計(jì)橋，并把傳感器的輸出信號(hào)數(shù)字化。



圖5：紅外線提供無接觸的傳感方法。

該數(shù)字輸出信號(hào)然后通過紅外線被發(fā)送到固定的接收二極管，其中另一個(gè)電路核查數(shù)字信號(hào)的誤差并將其轉(zhuǎn)換回模擬電壓。因?yàn)閭鞲衅鞯妮敵鍪菙?shù)字信號(hào)，它不太容易受到諸如電機(jī)和磁場之類的噪聲源的影響。與旋轉(zhuǎn)變壓器系統(tǒng)不同，紅外換能器可以被配置為安裝或不安裝軸承，真正做到了免于維護(hù)、不磨損和不需要拖曳傳感器。

雖然比簡單的滑環(huán)方法要昂貴得多，但是，它有幾點(diǎn)好處。

當(dāng)不安裝軸承的時(shí)候，作為真正的不接觸測量系統(tǒng)，易磨損件沒有了，使之理想地合適于長期測試設(shè)備。更重要的是，由于不需要軸承，工作速度(******旋轉(zhuǎn)速度)大為提高，達(dá)到25,000以上的******旋轉(zhuǎn)速度，即使對(duì)具有高扭矩力的傳感器也如此(根據(jù)上文改寫)。對(duì)于高速應(yīng)用，這常常是旋轉(zhuǎn)扭矩傳動(dòng)的******方案。

調(diào)頻發(fā)射機(jī)

另外一種在旋轉(zhuǎn)傳感器與固定世界之間建立連接的方法是采用調(diào)頻(FM)發(fā)射機(jī)。這些發(fā)射機(jī)被用于把任意傳感器遙控—無論是力傳感器還是扭矩傳感器—連接到遠(yuǎn)端的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；發(fā)射機(jī)把傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式，并發(fā)送到一臺(tái)FM接收機(jī)；而FM接收機(jī)把接收到的信號(hào)轉(zhuǎn)換回模擬電壓。



圖6：FM鏈接的作用距離比較長。

對(duì)于扭矩應(yīng)用，它們通常被用于一種專業(yè)的傳感器，如當(dāng)應(yīng)變計(jì)被直接應(yīng)用到驅(qū)動(dòng)軸中零件的時(shí)候，例如，這可能是車輛的傳動(dòng)軸或半軸。發(fā)射機(jī)提供的好處是便于安裝在零件上，正如它通常就被夾帶計(jì)量軸一樣，并且它可重新被用于多定制傳感器。旋轉(zhuǎn)的傳感器確實(shí)存在需要電源供電的缺點(diǎn)，典型值為9V，從而使之不適用于長期測試。

本文小結(jié)

在努力測量扭矩的過程中，掌握被測扭矩的特性以及可能改變扭矩的因素，對(duì)所采集的數(shù)據(jù)的可靠性有重要影響。在需要測量動(dòng)態(tài)扭矩的應(yīng)用中，要特別小心地在恰當(dāng)?shù)奈恢脺y量扭矩，并且不要讓測量系統(tǒng)的阻尼作用影響到扭矩。

掌握旋轉(zhuǎn)扭矩傳感器連接的各種可選方案，可能極大地影響傳感器封裝的價(jià)格?；h(huán)是一種經(jīng)濟(jì)的方案，但是，有其局限性。對(duì)于要求更高的應(yīng)用，可以采用技術(shù)上更為先進(jìn)的方案，但是，成本會(huì)更高。通過考慮特殊應(yīng)用的要求和條件，可以******時(shí)間選擇適當(dāng)?shù)呐ぞ販y量系統(tǒng)。