不同原理的扭矩传感器比较
仪器信息网 · 2012-03-29 08:39 · 18545 次点击
不同原理的扭矩传感器比较
随着各种系统的自动化程度和复杂性的提高,需要获取的信息越来越多。转矩传感器不仅在精度、可靠性和响应速度有更高的需求,还要有标准输出形式以便和系统连接。
世界各个国家和厂家的转矩传感器产品争奇斗艳,各具特色。现代转矩测量技术的发展方向是:能够动态在线检测;直接测量应力或转矩,以提高测量精度;传感器应为不介入式,使得实际工况测量方便;信号的传输,采用非接触式传输;测量装置的数字化、智能化和网络化;需要多功能,包括自动补偿、自动修正、自适应、自适应、信息的存储和记忆等。
现在使用上,电阻应变式转矩仪和磁电式转矩仪最为普遍,也有代表着世界新潮流的磁弹式转矩仪。
磁弹式转矩仪
磁弹式转矩传感器是非接触式传感器,安装使用方便。(扭矩传感器的安装方式),且不需要占用较大的空间。
磁弹式转矩传感器是利用铁磁材料的磁弹性效应(压磁效应)测量转矩的仪表。由于测量元件不与转轴接触,不随转轴运动,因此信号的引出较方便,不用导电滑环,可靠性高,坚固耐用,安装使用方便,且对温度和干扰不敏感。磁弹性转矩传感器对转轴的材料要求低,一般用低、中碳钢即可。
铁磁材料的磁导率是一个结构应力敏感参数,磁性材料在机械应力的作用下,其材料的磁导率将发生变化,这种效应称为磁弹性效应。转轴中的应力变化将引起磁导率的相应变化,而磁导率的变化又导致传感器磁路磁阻变化,最终转化成检验线圈中磁通的变化。其信息变换过程如下:
T→△δ→△μ→△Rm→△V
式中:T为转矩;△δ为被测轴表面最大正应力变化量;△μ为被测轴磁导率的变化量;△Rm为被测轴磁阻的变化量;△V为传感器输出电压的变化量。
可以看出,传感器的测量转轴为非理想的弹性材料,在材料的弹性模量以及磁性和磁弹性特性方面会引起难以计算的误差。这些是值得进一步研究的问题,影响了磁弹性传感器的应用。
磁电式转矩仪
磁电式转矩仪问世早、应用面广、数量多,是利用具有机械弹性的被测轴在转矩作用下产生弹性变形来测量转矩的仪表。
磁电式传感器由转子和定子两部份组成,转子是固定在转轴上的一对由磁性材料制造的齿轮,定子是基座上安装的一对由磁钢、磁极、线圈等组成的磁感应器。因此,其原理就是变磁阻感应发电式传感器。
当弹性轴不受转矩作用时,由于两个齿轮安装的差别,它们的齿之间存在一个初始角度θ,两个线圈的感应电动势有一个起始相位差Zθ=δ。当弹性轴受到转矩作用而产生弹性变形时,两个齿轮齿的对应位置又变化了一个角度△θ,两个线圈的感应电动势e1与e2间的相位差也随之变化了一个角度△δ:
△δ=Z·△θ=Z·T·l/(G·Ip)
由此式可见,两电动势之间的相位差△δ与转矩T成正比。通过测量转换电路,就可以将△δ转换成与转矩成正比的电信号。
由上述可见,两个齿轮的相对运动是使得传感器产生信号的必要条件,因此传感器适用于测量高转速,且可以实现非接触测量,但是在低转速情况下精度会受影响。另外,磁感应器是传感器的磁路,容易受到测量环境中强电磁场的干扰,影响转矩测量的精确度和可靠性。
电阻应变式转矩仪
电阻应变式转矩测量法,是在整个传动系统轴系的适当部位粘贴应变片,敏感由于构件受力产生的表面应变,致使电阻应变片的相对电阻发生变化,通过全桥方式连接而成的惠斯登电桥,准确的转换为电信号。
这种测量仪应用广泛,既可以应用于试验室,也可用于环境条件复杂的现场测试。(扭矩传感器的安装方式)。其优点是:具有良好的温度补偿性能;能够消除弯曲应力、轴向应力的影响;无需断开轴系。
这种传感器的主要缺点是应变片的粘贴工艺对测量有很大影响。应变片的粘贴部位是否准确,粘合剂的选用、粘贴方法是否正确等,对于传感器的工作特性,如蠕变、滞后、灵敏系数、线性等,都有较大影响。