數(shù)字式扭矩傳感器原理及應(yīng)用

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zhu272

電梯直達(dá)

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發(fā)表于 2011-6-2 14:48:25 | 只看該作者 |倒序?yàn)g覽 |閱讀模式

本帖最后由 zhu272 于 2011-6-2 14:50 編輯

一
傳統(tǒng)扭矩傳感器同數(shù)字式扭矩傳感器的比較
　　在旋轉(zhuǎn)動(dòng)力系統(tǒng)中最頻繁涉及到的參數(shù):旋轉(zhuǎn)扭矩,為了檢測旋轉(zhuǎn)扭矩，傳統(tǒng)使用較多的是扭轉(zhuǎn)角相位差式傳感器，該方法是在彈性軸的兩端安裝著兩組齒數(shù)、形狀及安裝角度完全相同的齒輪，在齒輪的外側(cè)各安裝著一只接近(磁或光)傳感器。當(dāng)彈性軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，這兩組傳感器就可以測量出兩組脈沖波，比較這兩組脈沖波的前后沿的相位差就可以計(jì)算出彈性軸所承受的扭矩量。該方法的優(yōu)點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩信號(hào)的非接觸傳遞，檢測信號(hào)為數(shù)字信號(hào)；缺點(diǎn)：體積較大，不易安裝，低轉(zhuǎn)速時(shí)由于脈沖波的前后沿較緩不易比較，因此低速性能不理想。（見圖一）

　　扭矩測試比較成熟的檢測手段為應(yīng)變電測技術(shù)。它具有精度高，頻響快，可靠性好，壽命長等優(yōu)點(diǎn)。
將專用的測扭應(yīng)變片用應(yīng)變膠粘貼在被測彈性軸上，并組成應(yīng)變橋，若向應(yīng)變橋提供工作電源即可測試該彈性軸受扭的電信號(hào)。這就是基本的扭矩傳感器模式。 (見圖二)但是在旋轉(zhuǎn)動(dòng)力傳遞系統(tǒng)中，最棘手的問題是旋轉(zhuǎn)體上的應(yīng)變橋的橋壓輸入及檢測到的應(yīng)變信號(hào)輸出如何可靠地在旋轉(zhuǎn)部分與靜止部分之間傳遞，通常的做法是用導(dǎo)電滑環(huán)來完成。

圖一扭轉(zhuǎn)角相位差式扭矩傳感器示意圖

: G3 ^" }4 N3 d 由于導(dǎo)電滑環(huán)屬于磨擦接觸，因此不可避免地存在著磨損并發(fā)熱，因而限制了旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速及導(dǎo)電滑環(huán)的使用壽命。及由于接觸不可靠引起信號(hào)波動(dòng)，因而造成測量誤差大甚至測量不成功。為了克服導(dǎo)電滑環(huán)的缺陷，另一個(gè)辦法就是采用無線電遙測的方法 :將扭矩應(yīng)變信號(hào)在旋轉(zhuǎn)軸上放大并進(jìn)行V/F轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)，通過載波調(diào)制用無線電發(fā)射的方法從旋轉(zhuǎn)軸上發(fā)射至軸外，再用無線電接收的方法，就可以得到旋轉(zhuǎn)軸受扭的信號(hào)。 3 `. A6 A9 k. l	: I: z$ @6 i0 g$ H# H; k& \|2 m
	圖二基本的扭矩傳感器 ( C5 @) S; n0 H4 W( @ O
	" U* r& m) T# l

旋轉(zhuǎn)軸上的能源供應(yīng)是固定在旋轉(zhuǎn)軸上的電池。該方法即為遙測扭矩儀。 (見圖四)遙測扭矩儀成功之處在于克服了電滑環(huán)的兩項(xiàng)缺陷，但也存在著三個(gè)不足之處，其一：易受使用現(xiàn)場電磁波的干擾；其二：由于是電池供電，所以只能短期使用。其三：由于在旋轉(zhuǎn)軸上附加了結(jié)構(gòu)，易引起高轉(zhuǎn)速時(shí)的動(dòng)平衡問題。在小量程及小直徑軸時(shí)更突出。數(shù)字式扭矩傳感器吸取了上述各種方法的優(yōu)點(diǎn)并克服了其缺陷,在應(yīng)變傳感器的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了兩組旋轉(zhuǎn)變壓器,實(shí)現(xiàn)了能源及信號(hào)的非接觸傳遞。并做到了扭矩信號(hào)的傳遞與是否旋轉(zhuǎn)無關(guān)，與轉(zhuǎn)速大小無關(guān)，與旋轉(zhuǎn)方向無關(guān)。
二
數(shù)字式扭矩傳感器的特點(diǎn)
　　1. 既可以測量靜止扭矩，也可以測量旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩;
　　2..既可以測量靜態(tài)扭矩，也可以測量動(dòng)態(tài)扭矩；

　　3. 檢測精度高，穩(wěn)定性好；抗干擾性強(qiáng);

　　4. 體積小，重量輕，多種安裝結(jié)構(gòu)，易于安裝使用；
　　5. 不需反復(fù)調(diào)零即可連續(xù)測量正反轉(zhuǎn)扭矩;
　　6.沒有導(dǎo)電環(huán)等磨損件，可以高轉(zhuǎn)速長時(shí)間運(yùn)行；
　　7．傳感器輸出高電平頻率信號(hào)可直接送計(jì)算機(jī)處理；
　　8．測量彈性體強(qiáng)度大可承受100%的過載。
三
數(shù)字式扭矩傳感器的測量原理
將專用的測扭應(yīng)變片用應(yīng)變膠粘貼在被測彈性軸上并組成應(yīng)變橋 ,向應(yīng)變橋提供電源即可測得該彈性軸受扭的電信號(hào)。將該應(yīng)變信號(hào)放大后，經(jīng)過壓/頻轉(zhuǎn)換，變成與扭應(yīng)變成正比的頻率信號(hào)。本系統(tǒng)的能源輸入及信號(hào)輸出是由兩組帶間隙的特殊環(huán)型變壓器承擔(dān)的,因此實(shí)現(xiàn)了無接觸的能源及信號(hào)傳遞功能。(虛線內(nèi)為旋轉(zhuǎn)部分)


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4 p8 {4 b. R5 ?0 z1 `6 p : H! q. r3 k* R# [ G( U	^% d9 G( o$ e3 j- C$ k5 [( s( K. r2 o/ I* w	/ V5 ~5 ?1 E+ m, C8 e$ \; V8 j ; W; P7 G0 m" X; ]1 W2 v
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激磁電路，(2)能源環(huán)形變壓器的初級(jí)線圈(輸入)，(3) 信號(hào)環(huán)形變壓器次級(jí)線圈(輸出)，(4)信號(hào)處理電路

五
數(shù)字式扭矩傳感器輸出
本傳感器輸出的頻率信號(hào)在零點(diǎn)時(shí)為 10kHz.正向旋轉(zhuǎn)滿量程時(shí)為15KHz.反向旋轉(zhuǎn)滿量程時(shí)為5KHz。即滿量程變量為5000個(gè)數(shù)/每秒。轉(zhuǎn)速測量采用光電齒輪或者磁電齒輪的測量方法，軸每旋轉(zhuǎn)一周可產(chǎn)生60個(gè)脈沖，高速或中速采樣時(shí)可以用測頻的方法，低速采樣時(shí)可以用測周期的方法。本傳感器精度可達(dá) ± 0.2%～ ± 0.5%（F · S）。由于傳感器輸出為頻率信號(hào)，所以無需AD轉(zhuǎn)換即可直接送至計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。
六
安裝使用
　　1.使用兩組聯(lián)軸器，將傳感器安裝在動(dòng)力源和負(fù)載之間。

圖六

2.建議用撓性、彈性或萬向節(jié)聯(lián)軸器，以保證同心度 ∠ 0.1mm以下。
　　3.動(dòng)力及負(fù)載設(shè)備必須固定可靠避免振動(dòng)。
　　4.將本傳感器的基座與設(shè)備的基座固定可靠，中心高須墊合適平穩(wěn)避免產(chǎn)生彎矩。
附表
主要功能及性能指標(biāo)：

1 ^2 Z' J& c U5 @8 n/ e) W扭矩示值誤差：＜± 0.5 % F · S $ Z; F7 i2 n# s, I, v: r; G- U	4 b3 }9 k3 U P% p靈敏度： 1±0.2 mv / V 3 D# N# l; m! V/ R6 `* x) p
: J) p( u" j: W& q! O- b. { 非線性：＜±0.25 % F· S ; \6 G4 W8 N* u1 [5 l3 N' ]% M2 T1 M	) O4 J5 i( s0 Q 重復(fù)性：＜±0.2% F· S 0 o* d) R8 }8 O% \|
% B& y- X6 i& {! N K) Q 回差：＜0.2 % F· S " \. [' d8 u2 I+ `9 t# a	4 ?9 {/ o/ H+ L. r零飄（24小時(shí)）：＜0.5 % F· S $ S9 E+ f5 q( k2 Z6 g; f
+ s1 N6 i* Z* G 零點(diǎn)溫飄：＜0.5 % F· S /10℃ / n/ c' R# d& U4 L	' y# ^4 I- ]$ [( o: M! X0 P輸出阻抗： 1KΩ ±3Ω 1 v; x0 E9 k- A; J
& j. u8 I# g3 X0 J( ^絕緣阻抗： >500MΩ 4 @) I* l$ V: w J, v8 H	! Y9 j C1 n8 g4 P* F 靜態(tài)超載： 120 % 3 a% D b2 k: D7 s" h6 r
- `8 w: \|& B- I$ ~ 斷裂負(fù)載： 200 % ! v; E- }$ o" C1 a	% a0 ~: X* I, s使用溫度： 0 ～ 60℃ ! L' B' S2 `. G: i3 {
. k/ h D. E$ M" J) _4 _ Z 儲(chǔ)存溫度：－20 ～ 70℃ 9 W/ a8 H/ n8 ~: t" M8 Y- d	( }+ k/ u. M8 i6 X% _8 h 電源電壓： +15V±5%,-15V±5% L/ e0 M7 C, X) r9 C2 {
& t# _6 a. j# `# [9 g6 d4 g) A總消耗電流：＜130mA 8 F2 i+ Q7 s {& L6 `$ Z' B	$ y* D- C* p! x2 W7 k 頻率信號(hào)輸出： 5KHz—15KHz $ u6 D: P ^/ D. @
8 ^, ^5 ~2 H0 k9 y* h負(fù)額定扭矩：5KHz±10Hz - ^# T2 r3 ]# a% J6 L	4 `! k" {2 k6 M- k" D# {零扭矩：10KHz±10Hz . j' m/ { P8 m3 `' t/ g
1 B; h0 X1 Z% [ 正額定扭矩：15KHz±10Hz ! g5 ~) x% U6 P- ?& [0 \	) M! f2 G. a( P2 e- Y7 d1 V信號(hào)占空比：（50±10）%