如何选择旋转扭矩传感器(上)

2021-07-22 15:22:48·  来源:HBM测试与测量  
 
金工说

如何选择旋转扭矩传感器(上)

扭矩是旋转动力机械的重要参数,扭矩测量广泛应用于汽车、船舶、航空航天、电力机车、能源、化工等各个工业领域,正确进行扭矩测量是产品研发、状态监测、故障识别预报、自动控制、节能、动力平衡指示的保证,扭矩传感器作为扭矩测量的主要方式和核心部件,其正确选择显得尤为重要。

今天就先和大家聊一聊扭矩传感器的选型。

为何说选择正确的旋转扭矩传感器很重要

花时间认真选择扭矩传感器有两个关键的原因:防止损坏和确保精度。

防止损坏——扭矩传感器是高精度测量的关键器件,设计后可以起到类似于机械保险的作用。由于扭矩传感器是驱动系中最脆弱的部分,因此正确选择对避免机械故障非常重要。这是由于准确测量扭矩,必须测量某个点的应变值,而应变计必须放在该点上,通常是传感器结构最薄弱的点。

确保精度——限制转矩数据的不确定度非常重要。通过确保满足扭矩传感器的所有电气要求,可以获得更准确的数据,使其在特定应用中更为有用。

我们可以通过以下方面评估来选择传感器

扭矩传感器类型——例如反作用、圆轴、模拟遥测、数字遥测、双量程扭矩传感器
应用注意事项——例如精度、量程、转速、输出要求和响应时间
环境注意事项——例如温度、灰尘和电磁干扰
动态应用注意事项——例如旋转效应、临界转速和额外负载

扭矩传感器类型

扭矩传感器的种类有很多,了解每类的优点和缺点是针对应用和需求选择正确传感器的第一步。

01、反作用扭矩传感器
反作用扭矩传感器是一种非旋转的扭矩传感器,其作用相当于一个杠杆臂和一个测力传感器,而无需进行实际配置这二者。
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优点:
性价比高
注意事项较少——由于扭矩传感器不旋转,因此无需考虑转速
无需更改旋转轴——无需断开旋转轴来安装扭矩传感器和联轴器,因此费用更低

缺点:
动态响应时间减少——测功机的质量起到了机械过滤器的作用
没有测量轴上的真实扭矩——没有测量轴上的真实扭矩,而是测量被测功机质量过滤的扭矩
测功机的轴承维护——为测量反作用力,将测功机浮在轴承上
精度——由于上述原因,反作用力扭矩传感器精度不如在线式扭矩传感器

02、圆轴——滑环扭矩传感器
滑环扭矩传感器是40年前设计研发出的。该类传感器采用石墨电刷与银合金滑环接触摩擦。
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优点:
交流或直流激励
更好的响应时间——采用接触法测量扭矩
低惯性——因其为圆轴、键轴,而此类轴通常惯性较低
扭矩容量范围小,费用合理——可在低至1牛米或以下的小容量范围内生产
安装选项——此类传感器采用地脚安装或非地脚安装,以防必须更改传动系统的临界转速

缺点:
刚度
转速限制——轴承、滑环和电刷限制了转速

轴承维护——随着时间的推移,轴承会失效和磨损,因此需要更换。电刷维护和错误,石墨电刷会产生灰尘,若灰尘与机油混合,机油和灰尘会附着在滑环上,导致电气短路

电刷噪声
齿隙或键不平衡——轴通常是键控的,会导致不平衡

03、圆轴——旋转变压器
旋转变压器从机械角度类似于滑环传感器。但考虑电气方面,采用旋转变压器代替滑环和电刷。一个变压器用于激励扭矩传感器,另一个变压器用于取回数据。
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优点:

非接触式数据传输——由于此类扭矩传感器是非接触式的,不受滑环和电刷的限制,通常可以更高的转速旋转
低惯性——因其为圆轴、键轴,而此类轴通常惯性较低
扭矩容量范围小,费用合理——可在低至1牛米或以下的小容量范围内生产
安装选项——此类传感器采用地脚安装或非地脚安装,以防必须更改传动系统的临界转速
相比滑环具有更高的额定转速

缺点:

必须使用交流励磁源
降低响应时间——预计可达到约300Hz的频率响应

刚度

转速限制——轴承限制转速。

轴承维护和错误——随着时间的推移,轴承会失效和磨损,因此需要更换

电噪声——变压器可以充当天线

齿隙和键不平衡——轴上通常带有键,会导致不平衡

对振动敏感——振动和移位,或推力,都很容易损坏变压器零部件

04、圆轴——夹持式扭矩传感器
当无法断开轴以及安装在线扭矩传感器时,夹持式扭矩传感器是一种理想的选择。
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优点:

低成本,高扭矩范围——若轴的直径为一英尺,与安装在线扭矩传感器相比,夹紧夹持式扭矩传感器更容易完成且成本效益更高
扭矩容量范围小
较高的额定转速

缺点:

低精度或高不确定度——这种传感器不测量扭矩,而是测量轴的挠度
难以重复——您必须了解轴是如何制造的,以及需要轴的什么特性才能重复测试结果
需要进行数学计算——需要将轴挠度转换为扭矩

这种扭矩传感器更方便,但不适用于精度要求极高的应用场合。

05、模拟遥测扭矩传感器
20世纪90年代初,模拟遥测技术可提供合理的成本效益和精度。

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优点:

非接触式数据传输——无轴承设计,可实现全天候免维护解决方案

刚度——法兰到法兰转子设计可实现高刚度

低或几乎没有齿隙——无键槽或花键轴端

高额定转速

电噪声低——由于频率输出的原因,不太容易受到噪声的影响

重量和长度——遥测传感器通常比滑环式和旋转变压器式扭矩传感器更轻、更短

缺点:

惯性——由于直径较大,因此惯性较大

易受附近金属物体的影响——防护罩或屏蔽罩可以充当二次天线,吸走扭矩传感器的功率或信号,使其无法工作

性能更佳但响应时间有限——这种扭矩传感器比旋转变压器式扭矩传感器具有较长的响应时间

06、数字遥测扭矩传感器
过去5-10年中,数字遥测技术成为制造扭矩传感器的一种更可行的方法。这种传感器比其他传感器更加高科技,与市场上的其他扭矩传感器相比具有更多优势。

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优点:

较低的不确定度——由于是数字化传感器,而且涉及到软件,因此不确定度较低

非接触式数据传输——在全天候、免维护的环境中运行

刚度——法兰到法兰转子设计可实现高刚度

齿隙小或几乎没有——无键槽或花键轴端

高额定转速

电噪声低——由于频率输出的原因,不太容易受到噪声的影响

重量和长度——遥测传感器通常比滑环式和旋转变压器式扭矩传感器更轻、更短

设置软件可用

可能不受附近金属物体的影响

响应时间长——响应时间可以在1千赫兹到10或15千赫兹之间

缺点:

惯性——由于直径较大,因此惯性较大

成本——尤其是在较低量程

数据转换——可能会有更多的转换,这取决于输出类型。例如,可以从电桥的模拟转换成数字传输,然后再转换回模拟信号输出

07、双量程扭矩传感器
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有一些供应商提供双量程扭矩传感器。在HBM看来,几乎不可能制造出这种传感器。因为为了获得一个真正的双量程扭矩传感器,必须有(例如)一个10000牛米电桥和一个1000牛米电桥。假如同一个扭矩传感器上同时存在这两个电桥,一旦把10000牛米放在上面,就会扭曲并破坏较小的电桥。

为了保护较小容量的电桥,几乎不可能通过机械方式对扭矩传感器提供过载保护。因此,通常使用一个或两个10000牛顿米电桥,以对1000牛顿米量程进行单独的校准。通常,还增加了电压增益,以增大较小应变计电桥的输出。然后采用滤波的方法清除噪声,这对测量精度和低端测量产生不利影响。

归根结底,不太可能制造出真正的双量程扭矩传感器。但是,可以将一些数字扭矩传感器与软件一起使用,并将它们配置成可充当双量程扭矩传感器。

这期主要介绍了传感器的类型,下期我将接着为大家介绍传感器的应用注意事项、环境条件、动态应用注意事项。
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