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扭矩传感器是如何工作的?

来源:仪器仪表网发布时间:2022.06.08 13:13:55 阅读:20

 

虽然扭矩传感器有多种设计结构,但它们都有一些共同点。为了了解扭矩传感器的工作原理,我们将从传感器的设计结构开始解释。

01、应变技术简介

像许多其他类型的传感器一样, 扭矩传感器采用应变技术进行测量。传感器通常是一个金属弹性体,其上面安装有应变计(SG)。应变计牢固地黏贴在弹性体上。

如果外部载荷作用在传感器上,测量体将产生变形,应变计的电阻也随之改变。这样,通过电阻的变化即可测量载荷大小。这不仅适用于扭矩传感器,也适用于称重传感器、力传感器和其他类型的传感器。然而,扭矩传感器有一些特殊性。

如果应变计被压缩,其电阻(Ω) 减少;

如果拉伸,电阻会增加。

02、扭矩传感器的典型设计

和称重传感器或力传感器不同,扭矩传感器的测量体在使用时不会受到拉向载荷,而是受到杠杆力矩或扭矩的影响,产生扭转。因此,扭矩传感器需要采用特殊的应变计来测量这种类型的载荷,即扭矩。两种典型的扭矩传感器设计结构为轴式和法兰。

测量体在负载下扭曲

03、轴式扭矩传感器

轴式扭矩传感器由测量轴组成,测量轴也可能是空心的。应变计安装在轴上,有时安装在中间的锥形部分上,具体取决于不同的型号,轴由壳体密封。轴或转子可以移动或旋转,而外壳或定子固定。这两部分通过低摩擦、零游隙轴承相互连接。传感器一般通过轴两端的毂式联轴器连接到测试结构或试验台上。这些联轴器有各种形状和尺寸。

轴式扭矩传感器简化示意图

04、扭矩法兰

测量法兰的结构基本上与测量轴相似,但外观完全不同。它们也由一个中空的轴组成,尽管这个轴非常短。法兰位于轴的两端。这样可使传感器能够通过螺纹连接集成到结构或试验台中。测量法兰包括转子和定子。然而,与测量轴不同,转子并非完全封闭在壳体中。因此,无需轴承总成。

05、非接触式测量数据传输

这也是旋转扭矩传感器与其他传感器(如力传感器或称重传感器)之间最大的区别,由于旋转,其无法使用供电和数据传输的电缆,因为转子转动时电缆会缠绕在一起。为了避免这种情况,需要采用非接触式方式连接,将信号或电能从定子传输到转动转子,从而为安装的应变测量电路供电。

电子设备安装在测量体内。应变桥路信号在无线传输到定子之前被放大、滤波和数字化。然后,数据可以通过频率或电压信号输出,也可以通过现场总线数字输出,例如EtherCAT或Profinet,具体取决于应用。

06、旋转或非旋转扭矩测量

测量扭矩时,传感器不总是旋转。非旋转装置的典型应用是标准试验机和搅拌机测量。在后者中,传感器由电机外壳支撑,驱动轴穿过传感器的中心孔。

在大多数应用中,传感器是被测物和测功机之间的旋转传动系一部分。例如,被测物可能是内燃机、变速箱或电机。

在测试台上的扭矩传感器

在测试台上的扭矩传感器

07、不仅是扭矩

扭矩传感器还具有其他功能。除扭矩外,还可以记录其它测量变量。这是可选的。最重要的参数是转速,可以通过在转子上的透光开槽圆盘来测量转速。当传感器转动时,光束会有一定的间隔中断。当时间窗口恒定时,只需通过脉冲数即可计算出转速。

许多用户感兴趣的另外一个重要特性是功率,功率可以通过扭矩乘以转速来计算。此外,许多扭矩传感器都内置温度传感器,例如,它可以告诉我们传感器或传动系的工作温度。

扭矩传感器用于测试台

08、静态和动态扭矩测量

扭矩传感器可以进行静态或动态测量。动态测量的一个例子是旋转元件不断加速然后减速(或“制动”)或是内燃机动力冲程产生的脉动扭矩。此外,动态扭矩也可以在完全不旋转的情况下发生。然而,在大多数应用中,如发动机试验台(内燃机或电机),动态扭矩都与旋转有关。

09、扭矩传感器典型应用

在研发领域,扭矩传感器是各种发动机、电机和驱动系统测试的必然要求。当您需要提高驱动系统效率时,精确的扭矩测量是必不可少的,因为它可以确定摩擦损失并将其降至最低。在电动和混合动力系统中,重要的是行程和提高效率;在混合动力和内燃机中,关键是尽可能降低二氧化碳排放量来实现环境友好。

此外,扭矩传感器还可用于变速箱和发动机的下线检测或旋转开关的功能测试。然而,有些应用看起来完全不同,例如采用扭矩传感器监测液体混合过程,或是将扭矩传感器安装在船舶动力系统中。还有一些传感器用作标准试验机中的参考传感器。HBM 可以为多种应用提供轴式或法兰扭矩传感器。

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