扭矩傳感器測量基礎

扭矩是在工廠車間許多設備中的重要因素。測量扭矩時通常會出現與實際測量值不一致，這可能導致測量系統的設計不足。本文介紹了許多技術和扭矩測量技術之間的權衡。

扭矩可分為靜態或動態兩大類。用于測量扭矩的方法可以進一步分為兩類，即反作用或在線。了解要測量的扭矩類型以及可用的不同類型的扭矩傳感器，將對結果數據的準確性以及測量成本產生深遠的影響。

在討論靜態轉矩與動態轉矩時，通常最簡單的方法是先了解靜態力與動態力之間的差異。簡單地說，動態力涉及旋轉加速度，而靜態力不涉及旋轉加速度。

牛頓第二定律描述了動力與加速度之間的關系。F = ma（力等于質量乘以加速度）。由于汽車必須減速，因此以其巨大的質量停止汽車所需的力將是動態力。制動鉗為停止該轎廂而施加的力將是靜態力，因為所涉及的制動襯塊沒有加速。

扭矩只是旋轉力或一定距離的力。根據前面的描述，如果沒有角加速度，則將其視為靜態。由于沒有旋轉并且因此沒有角加速度，因此由時鐘彈簧施加的扭矩將是靜態扭矩。通過汽車驅動軸在高速公路上以恒定速度行駛時傳遞的扭矩將是旋轉靜態扭矩的一個示例，因為即使有旋轉，在恒定速度下也沒有加速度。

汽車發動機產生的扭矩既可以是靜態的也可以是動態的，具體取決于測量的位置。如果在曲軸上測量扭矩，則隨著每個氣缸點火并且其活塞旋轉曲軸，動態扭矩波動會很大。

如果在驅動軸中測量扭矩，則該扭矩將幾乎是靜態的，因為飛輪和變速箱的旋轉慣性將抑制發動機產生的動態扭矩。即使涉及旋轉加速度，啟動車窗玻璃（記住那些？）所需的扭矩也將是靜態扭矩的一個示例，因為曲柄的加速度和旋轉慣量都非常小，因此與車窗運動中涉及的摩擦力相比，動態扭矩（扭矩=旋轉慣量x旋轉加速度）可以忽略不計。

最后一個示例說明了這樣一個事實，即對于大多數測量應用程序，靜態和動態扭矩都會在某種程度上涉及到。如果動態扭矩是總扭矩的主要組成部分或是所關注的扭矩，則在確定如何測量時必須特別注意。

反作用力與串聯

扭矩串聯扭矩測量是通過在扭矩傳遞組件之間插入扭矩傳感器進行測量的，非常類似于在套筒和套筒扳手之間插入延伸件。轉動所需的扭矩將直接由延伸件承擔。這種方法允許將扭矩傳感器放置在盡可能靠近目標扭矩的位置，并避免測量中可能出現的誤差，例如軸承產生的摩擦力，外來負載以及旋轉慣量大的組件，這些組件會衰減任何動態扭矩。

圖1：簡單的扭矩測量

從上面的先前示例中，可以通過在曲軸和飛輪之間放置一個在線扭矩傳感器來測量發動機產生的動態扭矩，從而避免飛輪的旋轉慣性和變速器的任何損失。為了測量驅動車輪的幾乎靜態的穩態扭矩，可以在車輛的輪輞和輪轂之間或驅動軸中放置一個在線扭矩傳感器。由于典型扭矩驅動線和其他相關組件的旋轉慣性，在線測量通常是正確測量動態扭矩的一種方法。

反作用扭矩傳感器利用牛頓第三定律：“對于每個動作，都有相等且相反的反作用”。要測量電動機產生的扭矩，我們可以如上所述進行在線測量，也可以測量防止電動機旋轉所需的扭矩，通常稱為反作用扭矩。

圖2：扭矩傳感器的位置很重要

測量反作用扭矩避免了在旋轉應用中將傳感器與傳感器進行電氣連接的明顯問題（如下所述），但確實存在其自身的一系列缺點。通常需要反作用扭矩傳感器來承載大量的外部負載，例如電動機或至少一些傳動系統的重量。這些負載可能導致串擾錯誤（傳感器對負載的響應不是預期的負載），有時會降低靈敏度，因為傳感器必須超大尺寸才能承載多余的負載。在線和反作用這兩種方法對于靜態扭矩測量都將產生相同的結果。

在旋轉應用中進行在線測量幾乎總是會給用戶帶來將傳感器從旋轉環境連接到固定環境的挑戰。有許多選項可以實現此目的，每種選項都有自己的優點和缺點。

在旋轉傳感器和固定式電子設備之間建立連接的最常用方法是滑環。它由一組隨傳感器旋轉的導電環和一系列與這些環接觸并傳輸傳感器信號的電刷組成。

滑環是一種經濟的解決方案，可在各種應用中發揮良好的作用。它們是一種相對簡單，經過時間驗證的解決方案，在大多數應用程序中只有很小的缺點。刷子（在較小程度上是指環）是使用壽命有限的磨損物品，不適合長期測試或不易于定期維護的應用。

圖3：滑環是一種經濟的解決方案

在低速至中速時，環和電刷之間的電氣連接相對無噪聲，但是在較高速度時，噪聲會嚴重降低其性能?；h的最大轉速（rpm）由電刷/環界面處的表面速度確定。結果，由于滑環的直徑必須較大，因此在給定的轉速下具有較高的表面速度，因此對于較大的，通常是較高扭矩容量的傳感器，最大工作速度將較低。

對于中等量程的扭矩傳感器，典型的最大速度將在5,000 rpm的范圍內。最后，電刷環界面是阻力轉矩的來源，這可能是一個問題，尤其是對于非常低的容量測量或驅動轉矩難以克服電刷阻力的應用。

旋轉耦合器

為了克服滑環的某些缺點，設計了旋轉耦合器系統。它使用旋轉耦合器將功率傳輸到旋轉傳感器。外部儀器通過勵磁耦合向應變計橋提供交流勵磁電壓。然后，傳感器的應變計電橋驅動第二個旋轉耦合線圈，以便從旋轉傳感器上獲得扭矩信號。通過消除滑環的電刷和磁環，消除了磨損問題，使旋轉耦合器系統適合于長期測試應用。

圖4：旋轉耦合器可提高性能

還消除了滑環組件中的電刷引起的阻力轉矩。但是，對軸承的需求以及耦合鐵芯的易碎性仍然將最大rpm的水平限制在略高于滑環的水平。該系統還容易受到由耦合器初級線圈到次級線圈對準引起的噪聲和誤差的影響。由于旋轉變壓器的特殊要求，為了產生大多數數據采集系統可接受的信號，還需要進行專門的信號調節，這進一步增加了系統成本，而該成本已經比典型的滑環組件高。

為了克服滑環的一些缺點，設計了旋轉耦合器系統。它使用旋轉變壓器耦合將功率傳輸到旋轉傳感器。外部儀器通過勵磁變壓器向應變計橋提供交流勵磁電壓。然后，傳感器的應變計電橋驅動第二個旋轉變壓器線圈，以便從旋轉傳感器上獲得扭矩信號。通過消除滑環的電刷和環，消除了磨損問題，使旋轉變壓器系統適合于長期測試應用。

非接觸式扭矩傳感器

像旋轉耦合器一樣，非接觸扭矩傳感器利用非接觸式方法將扭矩信號從旋轉傳感器傳回。使用旋轉，將功率傳輸到旋轉傳感器。但是，它不是用來直接激勵應變計電橋，而是用來為旋轉傳感器上的電路供電。該電路將激勵電壓提供給傳感器的應變計電橋，并數字化傳感器的輸出信號。

圖5：提供非接觸式扭矩傳感器

該數字輸出信號通過變送器傳出信號，其中另一個電路會檢查數字信號是否存在錯誤，并將其轉換回模擬電壓。由于傳感器的輸出信號是數字信號，因此它不易受到來自諸如電動機和磁場等來源的噪聲的影響。與旋轉變壓器系統不同，紅外傳感器可以配置為帶軸承或不帶軸承，以實現真正的免維護，無磨損，無阻力傳感器。

盡管比簡單的滑環扭矩傳感器成本高，但它具有許多優點。當配置為無軸承時，作為真正的非接觸式測量系統，無需磨損，因此非常適合長期測試設備。最重要的是，由于取消了軸承，即使對于大容量設備，其運行速度（rpm）也急劇提高到25,000 rpm或更高。對于高速應用，這通常是旋轉扭矩傳遞方法的最佳解決方案。

無線扭矩傳感器

在旋轉傳感器和接收器之間建立連接的另一種方法是使用FM發射器。這些發送器用于將任何傳感器（無論是力還是扭矩）遠程連接到其遠程數據采集系統，方法是將傳感器的信號轉換為數字形式，然后將其轉換回模擬電壓后再發送到FM接收器。

圖6：FM連接在更長的距離上也能正常工作

對于扭矩應用，它們通常用于一種特殊的傳感器，例如將應變計直接應用于傳動系統中的組件時。例如，這可以是車輛的驅動軸或半軸。變送器的優點是易于安裝在組件上，因為通常只需將其夾緊在量規軸上即可，并且可重復用于多個定制傳感器。它的確具有需要在旋轉傳感器（通常為9V電池）上提供電源的缺點，這使其無法進行長期測試。

了解要測量的扭矩的性質，以及哪些因素可以改變該扭矩以進行測量，這將對所收集數據的可靠性產生深遠影響。在需要測量動態扭矩的應用中，必須格外小心，以在適當的位置測量扭矩，并且不要通過用測量系統阻尼扭矩來影響扭矩。

如何選擇用于連接到旋轉設備中的扭矩傳感器，滑環是一種成本低的解決方案，但有局限性。技術上更先進的解決方案可用于要求更高的應用中，但通常成本會更高。通過考慮特定應用的要求和條件，可以選擇合適的扭矩測量系統。