扭矩測量方法

1、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)備的重要被測量對象之一。測量扭矩常常被誤解，這就可能導(dǎo)致對測量系統(tǒng)的過度設(shè)計或設(shè)計不足。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)扭矩或動態(tài)扭矩。用于測量扭矩的方法可以被進一步分為兩類，反扭矩和聯(lián)機扭矩測量。被測扭矩的類型以及現(xiàn)有各類傳感器，對所測的數(shù)據(jù)精度及測量的成本有重要影響。在討論靜態(tài)和動態(tài)扭矩的比較中，最容易入手的是首先了解靜力和動力的差異。簡而言之，動力包括加速度，而靜力則沒有。動力和加速度之間的聯(lián)系被描述為牛頓第二定律：F=ma3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力，因為汽

2、車必須被減速。由剎車卡鉗施加以停止汽車的力就是靜力，因為所涉及的剎車墊沒有加速度。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，它被認為是靜力，如果它沒有角加速度的話。時鐘彈簧施加的扭矩就是靜態(tài)扭矩，因為沒有旋轉(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候，通過汽車傳動軸傳輸?shù)呐ぞ鼐褪且粋€旋轉(zhuǎn)靜態(tài)扭矩的例子，因為即使存在旋轉(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)和動態(tài)扭矩，取決于測量的部位。如果在機軸中測量扭矩，當(dāng)汽缸每一次燃燒且活塞旋轉(zhuǎn)機軸的時候，就有大的動態(tài)扭矩波動。如果在傳動軸測量扭矩，那幾乎就是靜態(tài)扭矩，因為調(diào)速輪和傳動系統(tǒng)要阻尼引擎產(chǎn)生的動態(tài)扭矩。用

3、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，因為曲柄的加速和旋轉(zhuǎn)慣性很小，與車窗運動有關(guān)的摩擦力相比，所產(chǎn)生的動態(tài)扭矩（扭矩=旋轉(zhuǎn)慣性*旋轉(zhuǎn)加速度）可以忽略不計。最后一個例子描述了一個事實，大多測量應(yīng)用都在某種程度上涉及靜態(tài)和動態(tài)扭矩。如果動態(tài)扭矩是整個扭矩的主要組成部分或是感興趣的扭矩，那么，要特別考慮何時對其作出最佳的測量。反扭矩與聯(lián)機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

4、誤差，如寄生扭矩（軸承等等）、無關(guān)負載和具有大的旋轉(zhuǎn)慣性的零件（會阻尼動態(tài)扭矩）。根據(jù)上面的例子，通過在機軸和調(diào)速輪之間插入聯(lián)機扭矩傳感器，可以測量引擎所產(chǎn)生的動態(tài)扭矩，避免調(diào)速輪的旋轉(zhuǎn)慣性和傳動損失。為了測量驅(qū)動車輪的、幾乎靜態(tài)的恒穩(wěn)態(tài)扭矩，要把聯(lián)機傳感器放置在汽車的輪緣和盤轂之間，或放置在主動軸中。由于典型的扭矩傳動軸(driveline)的旋轉(zhuǎn)慣性和其它相關(guān)的零件(的原因)，聯(lián)機測量常常是恰當(dāng)?shù)販y量動態(tài)扭矩的唯一方式。反扭矩傳感器利用了牛頓第三定律：兩個物體之間的作用力與反作用力總是大小相等而方向相反。為了測量電動機產(chǎn)生的扭矩，我們可能采用如上所述的聯(lián)機測量方法，或我們可能測量需要多大的

5、扭矩才能阻止電動機的旋轉(zhuǎn)，通常稱為反扭矩。ROTATINGSHAFT*NON-ROTATINGMOTORADAPTERMOTORTORQUESENSOR圖2:扭矩傳感器的放置是重要的在旋轉(zhuǎn)的應(yīng)用中，對傳感器做電氣連接顯然是一個問題，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)負載，如電動機的重量或至少驅(qū)動軸的部分（重量）。這些負載可能引起耦合誤差（傳感器除了對已確定待測的反扭矩作出響應(yīng)之外，還對其它力引起的反扭矩也作出了響應(yīng)），有時侯會降低靈敏度，因為不得不加大傳感器以支撐無關(guān)的負載。對靜態(tài)扭矩測量，采用聯(lián)機和反扭矩這兩種方法將得到相同的測量結(jié)果。傳感

6、器的連接在旋轉(zhuǎn)應(yīng)用中做聯(lián)機測量，對用戶來說，把傳感器從旋轉(zhuǎn)的零件連接到固定的零件將永遠是一個要面對的挑戰(zhàn)。傳感器的連接有幾種方法，每一種都有具優(yōu)缺點。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)濟的解決方案。相對而言，這種直截了當(dāng)?shù)臏y量方法缺點很少，是一種在大多數(shù)應(yīng)用中經(jīng)受了時間考驗的方案。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)

7、濟的解決方案。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而言沒有噪聲，然而，在較高速（旋轉(zhuǎn)引起）的噪聲將嚴重降低它們的性能。滑環(huán)的最大旋轉(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)致最大工作速度較低。對于力的大小為中等的扭矩傳感器，典型的最大速度在5,000rpm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，特別是對非常小的扭矩力進行測量或應(yīng)用，驅(qū)動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，人們設(shè)計出了旋轉(zhuǎn)變壓器

8、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。外部儀器通過激勵變壓器把一個交流激勵電壓提供給應(yīng)變計橋。傳感器的應(yīng)變計橋然后驅(qū)動次級旋轉(zhuǎn)變壓器線圈，以便從旋轉(zhuǎn)的傳感器取出扭矩信號。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5:紅外線提供無接觸的傳感方法。該數(shù)字輸出信號然后通過紅外線被發(fā)送到固定的接收二極管，其中另一個電路核查數(shù)字信號的誤差并將其轉(zhuǎn)換回模擬電壓。因為傳感器的輸出是數(shù)字信號，它不太容易受到諸如電機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、不磨損和不需要拖曳傳感器。

9、雖然比簡單的滑環(huán)方法要昂貴得多，但是，它有幾點好處。當(dāng)不安裝軸承的時候，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（最大旋轉(zhuǎn)速度）大為提高，達到25,000以上的最大旋轉(zhuǎn)速度，即使對具有高扭矩力的傳感器也如此（根據(jù)上文改寫）。對于高速應(yīng)用，這常常是旋轉(zhuǎn)扭矩傳動的最佳方案。調(diào)頻發(fā)射機另外一種在旋轉(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。這些發(fā)射機被用于把任意傳感器遙控一無論是力傳感器還是扭矩傳感器一連接到遠端的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；發(fā)射機把傳感器的信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式，并發(fā)送到一臺FM接收機；而FM接收機把接收到的信號轉(zhuǎn)換回模擬電壓。圖6:FM鏈接的作用距離比較長對于扭矩應(yīng)用，它們通常被用于一種專業(yè)的傳感器，如當(dāng)應(yīng)變計被直接應(yīng)用到驅(qū)動軸中零件的時候，例如，這可能是車輛的傳動軸或半軸。發(fā)射機提供的好處是便于安裝在零件上，正如它通常就被夾帶計量軸一樣，并且它可重新被用于多定制傳感器。旋轉(zhuǎn)的傳感器確實存在需要電源供電的缺點，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，對所采集的數(shù)據(jù)的可靠性有重要影響。在需要測量動態(tài)扭矩的應(yīng)用中，要特別小心