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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(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=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?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?yàn)檎{(diào)速輪和傳動系統(tǒng)要阻尼引擎產(chǎn)生的動態(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(shí),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******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(會阻尼動態(tài)扭矩)。
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?!癁榱藴y量電動機(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(fù)載,如電動機(jī)的重量或至少驅(qū)動軸的部分(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?yàn)椴坏貌患哟髠鞲衅饕灾螣o關(guān)的負(fù)載。對靜態(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)是一個要面對的挑戰(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?;h(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,特別是對非常小的扭矩力進(jìn)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(diǎn),人們設(shè)計出了旋轉(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)。變壓器初級和次級的對準(zhǔn)會引入噪聲和誤差,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,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應(yīng)變計橋,不如被用于為旋轉(zhuǎn)的傳感器供電。該電路把激勵電壓提供給傳感器的應(yīng)變計橋,并把傳感器的輸出信號數(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?yàn)閭鞲衅鞯妮敵鍪菙?shù)字信號,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******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)把傳感器的信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式,并發(fā)送到一臺FM接收機(jī);而FM接收機(jī)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(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格?;h(huán)是一種經(jīng)濟(jì)的方案,但是,有其局限性。對于要求更高的應(yīng)用,可以采用技術(shù)上更為先進(jìn)的方案,但是,成本會更高。通過考慮特殊應(yīng)用的要求和條件,可以******時間選擇適當(dāng)?shù)呐ぞ販y量系統(tǒng)。
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