扭矩传感器

概述

扭矩传感器,(又称力矩传感器、扭力传感器、转矩传感器、扭矩仪),是一种测量各种扭矩、转速及机械功率的精密测量仪器。扭矩传感器将扭力的物理变化转换成精确的电信号。


工作原理

矩的测量:采用应变片电测技术,在弹性轴上组成应变桥。

应用

机械动力设备的扭矩变化是其运行状况的重要信息,扭矩测试是各种机械产品开发、质量检验、优化控制、工况监测和故障诊断等必不可少的内容。

扭矩传感器应用范围十分广泛,主要用于:

1、电动机、发动机、内燃机等旋转动力设备输出扭矩及功率的检测;

2、风机、水泵、齿轮箱、扭力板手的扭矩及功率的检测;

3、铁路机车、汽车、拖拉机、飞机、船舶、矿山机械中的扭矩及功率的检测;

4、可用于污水处理系统中的扭矩及功率的检测;

5、可用于制造粘度计;

6、可用于过程工业和流程工业中;

7、可以应用于实验室,测试部门以及生产监控和质量控制;


分类

扭矩传感器分为动态和静态两大类。

静态扭矩传感器根据电阻应变原理把扭转力矩产生的应变转换成与其成线性关系的电信号。静态是指传感器的测量弹性体不参与相对运动。从受力理解,这类测试是测试弹性体相对受的反作用力。静态扭矩传感器旋转不能超过360度,一般用来测试扭矩缓慢变动的场合,采样速度一般低于50次每秒,如测试手动扭矩扳手,变速器的静载扭矩等。

动态扭矩传感器可以测得该弹性轴受扭的电信号,是采用应变电测技术,在弹性轴上组成应变桥,从而向应变桥提供电源。将信号放大后,经过压频转化,变成与应变成正比的频率信号。而静态扭矩传感器是根据电阻应变原理把扭矩力矩产生的应变转换成与其成线信关系的电信号。动态扭矩传感器又可叫做转矩传感器、转矩转速传感器、非接触扭矩传感器、旋转扭矩传感器等。一般用来测试扭矩剧烈变动的场合,需要实施扑捉扭矩或扭矩峰值,如拧紧机、电动扳手、电机输出扭矩、发动机输出扭矩、钻杆扭矩。

1.非接触式扭矩传感器

非接触式扭矩传感器输入轴和输出轴由扭杆连接起来,输入轴上有花键,输出轴上有键槽。当扭杆受方向盘的转动力矩作用发生扭转时,输入轴上的花键和输出轴上键槽之间的相对位置就被改变了。花键和键槽的相对位移改变量等于扭转杆的扭转量,使得花键上的磁感强度改变,磁感强度的变化,通过线圈转化为电压信号。

非接触扭矩传感器由于采用的是非接触的工作方式,因而寿命长、可靠性高,不易受到磨损、有更小的延时、受轴的偏转和轴向偏移的影响更小,已经广泛用于轿车领域。

2. 应变片扭矩传感器

应变片传感器扭矩测量采用应变电测技术。在弹性轴上粘贴应变计组成测量电桥,当弹性轴受扭矩产生微小变形后引起电桥电阻值变化,应变电桥电阻的变化转变为电信号的变化从而实现扭矩测量。传感器就完成如下的信息转换;传感器由弹性轴、测量电桥、仪器用放大器、接口电路组成。

应变片扭矩传感器的特点是分辨能力高、误差较小、测量范围大、价格低廉,便于选择和大量使用。

3. 相位差式转矩转速传感器

相位差时扭转传感器就是扭转角相位差式传感器,它的原理就是根究磁电相位差式转矩测量技术,才弹性轴的两端安装两组齿数、形状及安装角完全相同的齿轮,齿轮外侧安装接近传感器。当弹性轴旋转时,两组传感器的波形产生相位差,从而计算出扭矩。


它的特点主要是实现了转矩信号的非接触传递,检测的信号是数字信号,转速较高。但是这种扭矩传感器体积较大,低转速时的性能不理想,因此应用已不是很广泛。


选型指南

扭矩传感器的选择,要根据被测对象转矩的类型、使用场合的工况条件、被测对象的结构特点及测试部位、被测对象的转速情况及额定转矩值等进行选型。一般可注意以下6点:

1)如果测量对象是动态转矩,例如测量电机的起动曲线、停止曲线以及各种工况的变化过程情况,应选择具有模拟量输出口,可以输出模拟量的测量仪。

2)在试验室场合使用,尽量选用精度较高的转矩仪,精度等级不应该低于0.5级或1级;如果使用场合是工业现场,则必须选用可靠性高、结构简单的转矩仪,而精度不要求太高,精确度等级一般为1级、2级、3级即可.

3)尽量使用不介入式传感器,在测量场合可以不断开轴系。如果使用介入式传感器,必须断开轴系,弹性轴作为机器的一个部件介入整个传动系统中,使用不方便.

4)尽量使用非接触式信号传输方式。接触式传输使用较多的滑环式,滑环容易磨损、需要经常清洗、安装困难、信号测量准确性不高,而且测量旋转转矩时允许的测量速度受到很大限制。测量对象转速较高时,必须使用无接触式转矩仪。

5)转矩传感器量程的选择方面,考虑到传感器的精确度是按满量程计算的,因此传感器的量程对于被测的额定转矩而言,既不能太大,以免实际测量时测量误差太大。另一方面,传感器的量程对被测对象而言,必须有充足的裕度。因此,如果被测转矩有弦振现象,即在稳态转矩上叠加弦振转矩幅值,则传感器的量程不大于被测转矩的1.5倍;若测量的是动态转矩,所选的传感器量程一般应是额定转矩的2倍以上。

6)安装使用方便。(扭矩传感器的安装方式)不同类型的传感器有不同的安装要求,例如磁电式转矩传感器的安装必须严格对中,否则将使得传感器弹性轴发生弯曲,产生附加误差,而且安装时水平安装轴系没有对中、会使得传感器安装不当.


维护保养

使用环境:扭矩传感器应安装在环境温度为0℃ ~ 60℃,相对湿度小于90%,无易燃、易爆品的环境里。不宜安装在强电磁干扰的环境中。



注意事项

1.安装时,不能带电操作,切莫直接敲打、碰撞传感器。

2.联轴器的紧固螺栓应拧紧 ,联轴器的外面应加防护罩,避免人身伤害。

3.信号线输出不得对地 ,对电源短路,输出电流不大于10mA· 屏蔽电缆线的屏蔽层必须与 +15V电源的公共端(电源地)连接。


故障排除

扭矩传感器信号不稳定

扭矩传感器在使用过程信号不稳定的原因很多,常见的主要有下面三个方面:第一扭矩传感器没有安装好,轴不平行,这样就会导致信号输出不稳定,长期处于这样状态下工作传感器很容易损坏。第二,供电电压不稳定,我们扭矩传感器一般是正负15V的双电压供电也有24V或者其它电压供电的,供电电压不稳定也会造成输出信号不稳定。第三个原因也是最容易忽视的原因,那就是扭矩传感器旁边其它机器的干扰,比如扭矩传感器旁边如果有变频器就很容易造成输出信号不稳定。解决方法就是给传感器的供电电源前加一个1:1的隔离变压器。


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