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浅谈扭矩传感器的发展趋势

摘要:在机轴和调速轮之间刺进联机扭矩传感器,可以测量引擎所发生的动态扭矩,防止调速轮的扭转惯性和传动损掉。

扭矩可以分为两大类,静态扭矩或动态扭矩。用于测量扭矩的办法可以被进一步分为两类,反扭矩和联机扭矩测量。被测扭矩的类型以及现有各类扭矩传感器,对所测的数据精度及测量的本钱有主要影响。

在评论静态和动态扭矩的比拟中,最轻易动手的是起首调查静力和动力的差别。简而言之,动力包罗加快度,而静力则没有。

动力和加快度之间的联络被描绘为牛顿第二定律:F=ma(力等于物质质量乘以加快度)。以汽车本身物质(质量)把车停下所需求的力就是动力,由于汽车必需被减速。由刹车卡钳施加以中止汽车的力就是静力,由于所触及的刹车垫没有加快度。

扭矩只是扭转力或经过必然间隔发生的力。依据前面的评论,它被以为是静力,假如它没有角加快度的话。时钟弹簧施加的扭矩就是静态扭矩,由于没有扭转,因此也就没有角加快度。当汽车以匀速在高速公路上巡航的时分,经过汽车传动轴传输的扭矩就是一个扭转静态扭矩的例子,由于即便存在扭转,以匀速行驶也没有加快度。

汽车引擎发生的扭矩有静态和动态扭矩,取决于测量的部位。假如在机轴中测量扭矩,当汽缸每一次燃烧且活塞扭转机轴的时分,就有大的动态扭矩动摇。

假如在传动轴测量扭矩,那简直就是静态扭矩,由于调速轮和传动系统要阻尼引擎发生的动态扭矩。用曲柄提拔车窗所需求的扭矩就是静态扭矩的例子,虽然触及到扭转加快度,由于曲柄的加快和扭转惯性很小,与车窗活动有关的摩擦力比拟,所发生的动态扭矩(扭矩=扭转惯性*扭转加快度)可以疏忽不计。

最终一个例子描绘了一个扭矩传感器现实,大多测量使用都在某种水平上触及静态和动态扭矩。假如动态扭矩是整个扭矩的首要构成局部或是感兴致的扭矩,那么,要特殊思索何时对其作出最佳的测量。

反扭矩与联机扭矩的比拟

经过在扭矩支撑零件之间刺进一种扭矩传感器,可以做联机扭矩测量,十分相似于在套筒和套筒扳手之间刺进延伸杆。扭转套筒所需求的扭矩直接由套筒延伸杆支撑。该办法允许扭矩传感器被放置在尽能够与感兴致的扭矩接近的当地,并防止能够呈现的测量误差,如寄生扭矩(轴承等等)、无关负载和具有大的扭转惯性的零件(会阻尼动态扭矩)

简略的扭矩测量办法

依据上面的例子,经过在机轴和调速轮之间刺进联机扭矩传感器,可以测量引擎所发生的动态扭矩,防止调速轮的扭转惯性和传动损掉。为了测量驱动车轮的、简直静态的恒稳态扭矩,要把联机传感器放置在汽车的轮缘和盘毂之间,或放置在自动轴中。因为典型的扭矩传动轴(drive line)的扭转惯性和其它相关的零件(的缘由),联机测量经常是得当地测量动态扭矩的独一方法。

反扭矩传感器应用了牛顿第三定律:两个物体之间的效果力与反效果力老是巨细相等而偏向相反。为了测量电念头发生的扭矩,我们能够采用如上所述的联机测量办法,或我们能够测量需求多大的扭矩才干阻止电念头的扭转,凡间称为反扭矩。

扭矩传感器的放置是主要的

在扭转的使用中,对传感器做电气衔接明显是一个问题,测量反扭矩就可以防止电气衔接;然则,如许做也出缺陷。反扭矩传感器经常需求支撑主要的无关负载,如电念头的分量或至少驱动轴的局部(分量)。这些负载能够惹起耦合误差(传感器除了对已确定待测的反扭矩作出呼应之外,还对其它力惹起的反扭矩也作出了呼应),有时侯会降低活络度,由于不得不加大传感器以支撑无关的负载。对静态扭矩测量,采用联机和反扭矩这两种办法将获得一样的测量后果。

传感器的衔接

在扭转使用中做联机测量,对用户来说,把传感器从扭转的零件衔接到固定的零件将永远是一个要面临的应战。传感器的衔接有几种办法,每一种都有其优缺陷。

在扭转的传感器和固定的电子部件之间树立衔接,最经常见的办法是采用滑环(slipring)。它由一组跟传感器一同扭转的导电环、连续串与导电环接触的导电刷和发送传感器旌旗灯号的(电极)组成。

滑环是一种在各类使用中取得普遍使用、功能优越和经济的处理方案。相对而言,这种直截了当的测量办法缺陷很少,是一种在大大都使用中禁受了工夫考验的方案。然则,导电刷和不太宽的导电环是耗费品,寿命有限,不合用于长时间测试之用,也不合用于要按期保护的使用(改写)

滑环是一种经济的处理方案。

在中低速(扭转的景遇下),导电环和导电刷之间的电气衔接相对而言没有噪声,但是,在较高速(扭转惹起)的噪声将严峻降低它们的功能。滑环的最大扭转速度(rpm)由导电刷/导电环接触外表的速度决议。因而,关于较大的、典型的(具有)较高扭矩力的传感器,因为滑环的直径较大,因此在给定的rpm前提下外表速度就较高,然后招致最大任务速度较低。

关于力的巨细为中等的扭矩传感器,典型的最大速度在5,000 rpm局限内。导电刷/导电环界面的拖曳力矩能够惹起问题,特殊是对十分小的扭矩力进行测量或使用,驱动扭矩碰到的费事能够是无法克制导电刷的拖曳力矩。

扭转变压器

为了克制滑环的一些缺陷,人们设计出了扭转变压器系统。它应用扭转变压器,把电能传输给正在扭转的传感器。外部仪器经过鼓励变压器把一个交流鼓励电压供应给应变计桥。传感器的应变计桥然后驱动次级扭转变压器线圈,以便从扭转的传感器掏出扭矩旌旗灯号。经过作废滑环的导电刷和导电环,易于磨损的问题消逝了,使扭转变压器系统合适于长时间测试使用。

扭转变压器改善功能

由滑环中导电刷装配惹起的寄生拖曳力矩也消逝了。但是,因为需求轴承且变压器芯易碎,最大扭转速度依然遭到限制,仅仅比滑环方案好一点。变压器初级和次级的瞄准会引入噪声和误差,系统也轻易遭到两者的影响。由于扭转变压器存在非凡的要求,还需求专用旌旗灯号疗养(电路),以便发生大大都数据采集系统可接纳的旌旗灯号,然后进一步添加曾经比典型的滑环零件更贵的系统本钱。

红外线(IR)方案

跟扭转变压器一样,红外线(IR)扭矩传感器采用不接触办法,从扭转的传感器把扭矩旌旗灯号取回到固定的世界。类似地,应用扭转变压器耦合,电源被传输到扭转传感器。但是,与其被直接用于鼓励应变计桥,不如被用于为扭转的传感器供电。该电路把鼓励电压供应给传感器的应变计桥,并把传感器的输出旌旗灯号数字化。

红外线供应无接触的传感办法

该数字输出旌旗灯号然后经过红外线被发送到固定的接纳二极管,个中另一个电路核对数字旌旗灯号的误差并将其转换回模仿电压。由于传感器的输出是数字旌旗灯号,它不太轻易遭到诸如电机和磁场之类的噪声源的影响。与扭转变压器系统分歧,红外换能器可以被装备为装置或不装置轴承,真正做到了免于维护、不磨损和不需求拖曳传感器。

固然比简略的滑环办法要昂贵得多,然则,它有几点益处。

当不装置轴承的时分,作为真正的不接触测量系统,易磨损件没有了,使之幻想地适宜于长时间测试设备。更主要的是,因为不需求轴承,任务速度(最大扭转速度)大为进步,到达25,000以上的最大扭转速度,即便对具有高扭矩力的传感器也如斯(依据上文改写)。关于高速使用,这经常是扭转扭矩传动的最佳方案。

调频发射机

别的一种在扭转传感器与固定世界之间树立衔接的办法是采用调频(FM)发射机。这些发射机被用于把恣意传感器遥控无论是力传感器照样扭矩传感器衔接到远端的数据采集系统;发射机把传感器的旌旗灯号转换为数字方式,并发送到一台FM接纳机;FM接纳机把接纳到的旌旗灯号转换回模仿电压。

FM链接的效果间隔比拟长

关于扭矩使用,它们凡间被用于一种专业的传感器,如当应变计被直策应用到驱动轴中零件的时分,例如,这能够是车辆的传动轴或半轴。发射机供应的益处是便于装置在零件上,正如它凡间就被夹带计量轴一样,而且它可从新被用于多定制传感器。扭转的传感器的确存在需求电源供电的缺陷,典型值为9V,然后使之不合用于长时间测试。

总结:在中低速(扭转的景遇下),导电环和导电刷之间的电气衔接相对而言没有噪声,但是,在较高速(扭转惹起)的噪声将严峻降低它们的功能。