數字式扭矩傳感器原理及應用

zhu272

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一
傳統扭矩傳感器同數字式扭矩傳感器的比較
　　在旋轉動力系統中最頻繁涉及到的參數:旋轉扭矩,為了檢測旋轉扭矩，傳統使用較多的是扭轉角相位差式傳感器，該方法是在彈性軸的兩端安裝著兩組齒數、形狀及安裝角度完全相同的齒輪，在齒輪的外側各安裝著一只接近(磁或光)傳感器。當彈性軸旋轉時，這兩組傳感器就可以測量出兩組脈沖波，比較這兩組脈沖波的前后沿的相位差就可以計算出彈性軸所承受的扭矩量。該方法的優點：實現了轉矩信號的非接觸傳遞，檢測信號為數字信號；缺點：體積較大，不易安裝，低轉速時由于脈沖波的前后沿較緩不易比較，因此低速性能不理想。（見圖一）

扭矩測試比較成熟的檢測手段為應變電測技術。它具有精度高，頻響快，可靠性好，壽命長等優點。 將專用的測扭應變片用應變膠粘貼在被測彈性軸上，并組成應變橋，若向應變橋提供工作電源即可測試該彈性軸受扭的電信號。這就是基本的扭矩傳感器模式。 (見圖二)但是在旋轉動力傳遞系統中，最棘手的問題是旋轉體上的應變橋的橋壓輸入及檢測到的應變信號輸出如何可靠地在旋轉部分與靜止部分之間傳遞，通常的做法是用導電滑環來完成。

圖一 扭轉角相位差式扭矩傳感器示意圖 3 m' }) f+ c3 h; ^$ j' C( g

+ p$ c1 ~  F% \8 k- J+ ?由于導電滑環屬于磨擦接觸，因此不可避免地存在著磨損并發熱，因而限制了旋轉軸的轉速及導電滑環的使用壽命。及由于接觸不可靠引起信號波動，因而造成測量誤差大甚至測量不成功。為了克服導電滑環的缺陷，另一個辦法就是采用無線電遙測的方法 :將扭矩應變信號在旋轉軸上放大并進行V/F轉換成頻率信號，通過載波調制用無線電發射的方法從旋轉軸上發射至軸外，再用無線電接收的方法，就可以得到旋轉軸受扭的信號。
	圖二 基本的扭矩傳感器

旋轉軸上的能源供應是固定在旋轉軸上的電池。該方法即為遙測扭矩儀。 (見圖四)遙測扭矩儀成功之處在于克服了電滑環的兩項缺陷，但也存在著三個不足之處，其一：易受使用現場電磁波的干擾；其二：由于是電池供電，所以只能短期使用。其三：由于在旋轉軸上附加了結構，易引起高轉速時的動平衡問題。在小量程及小直徑軸時更突出。數字式扭矩傳感器吸取了上述各種方法的優點并克服了其缺陷,在應變傳感器的基礎上設計了兩組旋轉變壓器,實現了能源及信號的非接觸傳遞。并做到了扭矩信號的傳遞與是否旋轉無關，與轉速大小無關，與旋轉方向無關。 ! u. n( Z! W; ?: Q二 數字式扭矩傳感器的特點 　　1. 既可以測量靜止扭矩，也可以測量旋轉轉矩; 6 |" \# l$ ?: ]6 Z# i1 H8 K* R7 l　　2..既可以測量靜態扭矩，也可以測量動態扭矩； 2 x) T, k% `0 ^9 `1 g  `5 m  f6 K; C

3. 檢測精度高，穩定性好；抗干擾性強;

4. 體積小，重量輕，多種安裝結構，易于安裝使用； 　　5. 不需反復調零即可連續測量正反轉扭矩; 　　6.沒有導電環等磨損件，可以高轉速長時間運行； : u+ R* ^7 s/ ^, B( O　　7．傳感器輸出高電平頻率信號可直接送計算機處理；   `0 ], n) u- C8 ~- _/ u　　8．測量彈性體強度大可承受100%的過載。 三 6 w% Y# G$ m, y$ _+ b7 r9 Q+ h數字式扭矩傳感器的測量原理 7 T8 C8 ?4 j2 k/ S8 {) e  I將專用的測扭應變片用應變膠粘貼在被測彈性軸上并組成應變橋 ,向應變橋提供電源即可測得該彈性軸受扭的電信號。將該應變信號放大后，經過壓/頻轉換，變成與扭應變成正比的頻率信號。本系統的能源輸入及信號輸出是由兩組帶間隙的特殊環型變壓器承擔的,因此實現了無接觸的能源及信號傳遞功能。(虛線內為旋轉部分) " D6 A1 N, l6 g: a/ m2 i  j

. S. w% k# g1 T$ b* k
, z4 \4 f7 r8 n, u9 p( I	! y" f2 J' ]# J0 A	9 D9 z% r0 m! ], l % d+ L3 Y( p' o2 l( J

激磁電路，(2)能源環形變壓器的初級線圈(輸入)，(3) 信號環形變壓器次級線圈(輸出)，(4)信號處理電路

五
數字式扭矩傳感器輸出
本傳感器輸出的頻率信號在零點時為 10kHz.正向旋轉滿量程時為15KHz.反向旋轉滿量程時為5KHz。即滿量程變量為5000個數/每秒。轉速測量采用光電齒輪或者磁電齒輪的測量方法，軸每旋轉一周可產生60個脈沖，高速或中速采樣時可以用測頻的方法，低速采樣時可以用測周期的方法。本傳感器精度可達 ± 0.2%～ ± 0.5%（F · S）。由于傳感器輸出為頻率信號，所以無需AD轉換即可直接送至計算機進行數據處理。
" p$ O  p! g0 {7 M/ J六
( w3 P, x  c! ]安裝使用
0 e* @9 k5 u& B1 p( E$ }/ o2 H　　1.使用兩組聯軸器，將傳感器安裝在動力源和負載之間。

圖六

2.建議用撓性、彈性或萬向節聯軸器，以保證同心度 ∠ 0.1mm以下。
　　3.動力及負載設備必須固定可靠避免振動。
　　4.將本傳感器的基座與設備的基座固定可靠，中心高須墊合適平穩避免產生彎矩 。
9 |; z! X# n) m! j5 F+ r0 C" N附表
主要功能及性能指標：

扭矩示值誤差： ＜± 0.5 % F · S : I# N8 o2 \% L! F	" }% C% G% D# n$ B6 x' s靈敏度： 1±0.2 mv / V + Y: X1 q# D3 E7 s- a
非線性： ＜±0.25 % F· S & U3 j( r0 m0 I	重復性： ＜±0.2% F· S
回差： ＜0.2 % F· S	8 @: T8 {0 z! }/ T" `0 w+ E零飄（24小時）： ＜0.5 % F· S + \8 F5 C# y) s# K9 P- l! h
零點溫飄： ＜0.5 % F· S /10℃ " G# S* q( E& P% K) Y+ Q	輸出阻抗： 1KΩ ±3Ω
! x4 w% l4 G) f  _/ A絕緣阻抗： >500MΩ	3 h  q8 {1 U- W靜態超載： 120 %
1 X* P9 d% e  W# J+ e: k斷裂負載： 200 % ; Y- Q, o4 G( Y3 w9 f* n! Q	$ o1 Q) z! Q/ R使用溫度： 0 ～ 60℃
儲存溫度： －20 ～ 70℃	' J) e! b4 v. k: o4 S電源電壓： +15V±5%,-15V±5%
1 P/ [1 y9 Y+ H# s2 m9 T總消耗電流： ＜130mA 0 v2 j) b7 X" {) J, W8 k	頻率信號輸出： 5KHz—15KHz
負額定扭矩：5KHz±10Hz	1 n- H4 m6 l0 w( v9 e零扭矩：10KHz±10Hz 4 s- ~+ R9 s' e' P: O( I
5 K6 H$ Q1 E7 V正額定扭矩：15KHz±10Hz	信號占空比： （50±10）%

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