扭矩传感器测量技术的应用和发展、扭矩测量的方法及原理 | |
作者：admin 录入：admin 2008-05-20 17:21:25   | |
扭矩是旋转动力机械的重要工作参数，而扭矩测量已经成为机械量测量中一个重要组成部分。若能准确、可靠、方便地测出受试机械的平均或瞬时的扭矩值、转速和功率，这将有利于改进和提高其性能。同时，装置测试系统可作旋转动力机械日常运行的监视装置，起到故障诊断或可用作自动控制系统的检测装置。 扭矩测量是各种机械产品的开发研究、测试分析、质量检验、型式鉴定和节能、安全或优化控制等工作中必不可少的内容。随着现代科学技术的迅猛发展，扭矩测量技术已充分引起人们的重视，成为测试技术的一个新分支。扭矩已成为众多机械量测量中的一个主要参数。近年来，世界各工业发达国家相继探讨出许多扭矩测试新技术，研制、生产出较多的新颖扭矩测量仪。改革开放以来，我们走技术引进、自主创新之路，极大的推动了扭矩测量技术的发展。在高新技术中，扭矩测量技术是综合应用机械、电子、物理、计算机等多方面知识的一门学科。 扭矩测量应用范围很广泛，它渗透到工业、农业、交通运输、航天航空、国防、能源等各个领域。 §7.2.1 扭矩测量的基本原理和方法测量扭矩的方法，按照它的基本原理可以分为：传递法(扭轴法)、平衡力法(反力法)及能量转换法等三。 1. 传递法 传递法是根据弹性元件在传递扭矩时所产生的物理参数的变化而测量扭矩的方法。这里所根据的物理参数可以是弹性元件的变形、应力或应变。最常用于测量扭矩的弹性元件是扭轴。 2. 平衡力法 对于任何一种匀速工作的动力机械或制动机械，当它的主轴受扭矩作用时，在它的机体上必定同时作用着方向相反的平衡力矩(或称为支座反力矩)。测量机体上的平衡力矩以确定机器主轴上作用扭矩大小的方法，就是平衡力法，亦称反力法。 在按平衡力法测量扭矩的装置中，机械的整体应安装在摩擦力矩很小的平衡支承上。这时可以把整个机械整体看作只通过主轴和机壳两处与外界有力矩的联系。设机械在匀速状态下运转，则作用在主轴上的扭矩T应该与作用在机壳上的力矩M相平衡。 由此可以列出机械整体的力矩平衡方程式为: （7-5） 这是作用在机械整体上的外力矩的平衡，而作用在机械内部的转子与定子之间的一切力矩联系，如电机的磁电力矩、水力制动器的摩擦力矩等，都属于机械整体的内力矩，对机械整体的不平衡不产生影响。作用在机壳上的力矩M，通常是通过作用在力臂上的作用力F而形成的。设力臂长度为L，则作用在机壳上的力矩M为： （7-6） 显然，测得力臂上的作用力F和力臂长度L，就可以确定力矩M及扭矩T的值。 显而易见，这种方法仅可测量匀速工作状况下的扭矩，不能测量动态扭矩。 3. 能量转换法 这是根据其它能量参数(如电机参数)测量机械能参数及扭矩的方法。 综上所述的三种扭矩测量方法，传递法和平衡力法为直接测量扭矩的方法，其测量方便、精确度高，而能量转换法为间接测量扭矩的方法，测量误差比较大，常达±（10～15）％。所以只有在无法直接测量的场合下，才采用间接测量法。 §7.2.2 扭矩测量技术的发展方向扭矩测量技术的发展取决于传感器、信号传输和测量仪的研究。目前，由于微机的应用，扭矩测量仪性能大大提高，而传感器的研究与测量仪相比稍有逊色。因此必须加强传感器的研究，这就要从传感器种类、精度、规格、安装、信号传递等方面加以研究。目前传感器主要发展动向为： 1. 传感器从介入式发展成不介入式。以往扭矩传感器大部分属于介入式，即必须作为传动轴一部分才能使用，这样限制了它的应用范围，一般用于实验室、台架测量。现在逐渐推广的卡环式应变型扭矩传感器，即为不介入式扭矩传感器，只要将传感器卡在轴上或安装在轴边，无须断开轴系，这样给实际工况测量扭矩带来很大的方便。再如振弦式传感器、磁弹性传感器都属于不介入式扭矩传感器。 2. 对新型扭矩传感器的研究的同时并对经典扭矩传感器加以改进。随着新原理、新材料的发现和微细加工、微机械加工技术的发展和应用，正在促进传统传感器的变革，新型磁弹性传感器和光纤扭矩传感器结构简单、使用方便，代表扭矩传感器的新动向。 磁电型相位差传感器是一种比较成熟的传感器，现经改型成为不带辅助电机的磁电型传感器，不但减轻了重量、缩小了体积、降低了成本，而且耐振性能好。 微扭矩测量传感器的研究。随着家用电器的迅速发展，如电风扇、微电机、缝纫机、剃须刀、电冰箱、洗衣机甚至开关都要测量扭矩，急待解决g ? cm级的扭矩测量，新传感器的研制将成为解决这一问题的关键。 在信号传输方面，以往采用的是接触式滑环传输，这种传输方式易磨损、需常清洗、安装难，容易引入干扰信号。近期推出的传感器一般均为无接触式传输。如感应方式或遥测体制，它克服了接触式传输的缺点。随着检测变换集成化和多功能化，将过去先检测传输、后对信号进行变换处理的概念演变为先检测变换处理，后再进行传输，这一变更已成为可能。 扭矩测量仪的智能化、微机化是当今测量仪变革的主流，单片微机和软件的开发应用已使信号的检测、采集、比较、相关、数字滤波、域间变换、逻辑和函数运算、程序给定和反馈控制等功能由仪器本身来实现成为可能。软件扩展了结构的性能限制，并使仪器具有智能化。既能适应被测参数的变化来自选量程、自动补偿、自动校正、人机对话、自寻故障，并能方便的与总线接口，进行多台联机通信及控制。 在扭矩传感器信号传输及测量仪的总成上，工业化扭矩仪研制的呼声愈来愈高，一改以往扭矩测量仪多半应用于实验室台架测量的情景。工业化扭矩仪的要求是必需满足苛刻的工业应用环境，即可靠性要高，重复性要好，价格要低廉，与机器匹配，安装方便，但精度要求不高，用其作为指导生产、保护机械不受损伤的有效手段。 §7.2.3 国内外扭矩测量仪的现况简介1. 国外扭矩测量仪现状 美国阿克来克斯公司(Acurex co.)中的一个分公司WDC(无线数据传输公司)，自70年代起，生产“通用海上试验功率测试系统”(Universal Sea Trial Power Measurement System)，显示板上可显示被测主机的扭矩、转速和功率。此类仪器的扭矩测量是采用卡环式应变传感器敏感被测轴的扭转变形角，变形量与扭矩成正比。量程范围为0～2×106N?m，测量精度为±1％F.S.，转速测量是采用红外线测速法，精度为±0.25％F.S.，平均无故障时间MTBF为4200h。 此外，美国的陶太克(TORODUCTOR)公司生产无接触式磁弹性扭矩仪；美国麻省理工学院研制成抗干扰性强的光纤扭矩传感器。这些都代表着世界新潮流。 日本小野测试社擅长制造磁电式相位差扭矩测量仪，首期产品多半用于实验室，适用于精测扭矩。其量程范围较宽，小量程为0.2～10N?m，中大量程为10～10×106N?m，已成系列产品，精度可达0.5％～1％F.S.。20世纪80年代初，小野测试社和赤版铁工所联合研制出船用主机扭矩测量仪MS25B，可测扭矩(5×105 N?m，精度±0.8%F.S.)、转速(214.7r/min，精度±0.1r/min)和功率(1500ps)。 德国马霍克(Mc.huk)公司历史悠久，生产的振弦式扭矩测量仪闻名世界。该仪器是利用轴扭转时致使传感器中的钢弦拉紧或放松，从而使钢弦自身频率变化测得扭矩；数据传输方式有滑环式和感应式。其生产的MDS820产品，被测轴颈范围为Æ50～Æ1000mm，已形成系列产品。 此外，德国的HBM公司(Hoffinger Baldwin Mesefechmik Gmhm)生产电阻应变式扭矩测量仪，采用弧齿联轴节，以消除不同轴度带来的测量误差，独具风格。 生产电阻应变式扭矩仪的还有英国霍佛科公司(Hover-Krafe)和荷兰的A.V.D公司，它们在舰船监测上都已亮相。 2. 国内扭矩测量仪的发展 国内扭矩测量技术的研究和扭矩测量仪的生产已初具规模，从扭矩测量仪的类别、数量和质量来看，绝大部分式电阻应变式和磁电式扭矩仪。 电阻应变式扭矩测量仪是拾取粘贴在受扭轴上的电阻应变片的阻值变化来测量扭矩的，故无须断开轴系，而且测量仪表也可采用通用的电阻应变仪。电阻应变式传感器的生产单位较多，如北京机床研究所、中国船舶工业总公司701研究所，上海通用机械研究所，成功的应用于机床和各种动力轴的扭矩测量。在舰船、货船主机扭矩测量上，中国船舶工业总公司上海704研究所生产的卡环型应变式扭矩传感器，测量时只要将卡环卡在轴上就可测量扭矩，测量仪表采用INTEL MCS-51单片机作为核心的智能仪器，可同时测量扭矩转速、功率，并具有自诊断、数据处理、温度修正、越限报警等功能，集成度高，可靠性好。 磁电式扭矩测量仪最早的研制单位是上海电器科学研究所，供应市场的是1000 N?m扭矩转速传感器和数字扭矩转速测盆仪。随后上海交通大学、中国船舶工业总公司上海704研究所、天津机械工程研究所、上海第二电表厂、湘西仪表元件厂、哈尔滨东安机器厂、沈阳机电学院相继研制成磁电式扭矩测量仪，这种类型的扭矩仪是目前国内应用最多的扭矩仪。例如中国船舶工业总公司上海704研究所制造的20 -20KN?m扭矩转速传感器和数字扭矩转速测量仪，成功地应用在地质矿产部钻机上。现场的钻探表演，获得美国、俄罗斯等31国参加联合国亚太地区钻机学术会议专家的好评。该所生产的磁电式扭矩测量仪也可与上述的智能化测量仪连用，系统精度为0 .596 F.S.。 振弦式扭矩测量仪较先研制的单位是中国船舶工业总公司702研究所，此外还有中国船舶工业总公司上海708研究所、上海自动化仪表所、海通信工厂等。 国内研制成磁弹性时扭矩测量仪的单位有哈尔滨科技大学、天津电气传动所、北京冶金设计院等。 | |
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