国内外扭矩测试方法综述

© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 年第 卷 第 期 测 试 技 术 学 报 总第 期 国 内外扭矩测试方法综述 段 国芳 苗岩松 华北工学院 , 太原 摘 要 本文回顾了扭矩测试的研究进展 , 对几种典型的测试方法进行了 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 和 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf , 并 分析了扭矩测试方法今后的发展趋势 关键词 扭矩测量 传感器 转速 最大扭矩 、 转速是坦克设计的重要参数 , 它关系到坦克 的越野能力 、 寿命和 安全性 能否准确 、 实时地测出传动轴的扭矩和转速 , 对于及时发现传动轴存在的故障和改进设计 具有非 常重要 的意义 同时 , 扭矩测试也是各种机械产品的开发研究 、 质量检验 、 安全和 优化控制等工作 中必不可少的内容 扭矩测试的核心技术就是扭矩传感技术 国外发展现状 非接触式扭矩传感技术 的研究最初基于光学方法 , 后来又集 中于利用磁学原理 我们 可以粗略地分为两类 一类是利用扭矩和扭转角关系的测试系统 , 也就是一个角位移测量 的编码系统 , 例如光学方法 另一类则是利用扭应力产生磁效应的应力型测试系统 , 也可 称作磁弹型测试系统 日本九州技术研究所于 年研制 了使用非晶态星形线圈的扭矩传感器 , 其基本 结构原理如图 所示 这种传感器是把 束非晶态金属丝依次串联在一起 , 放置于固定轴 花疾仑币 线圈 线圈 乏弓一‘ ’‘’ 乡二迷 打 咨 一 、 凡之 月 , 壮潭璐 下一 补一 丁可夯了 “ 万付 一 “ 图 。 多谐振荡器电压愉出型扭矩传感器结构图 图 多谐振荡器输出电路 上的 极环形磁铁周围 , 它们感应到磁场强度的变化 , 与后续元件组成一多谐振荡电压输 出型 电路 扭矩产生的角位移以磁场相位差的形式被星形线圈所感应 , 通过振荡 电路以 电 收稿 日期 一 一 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 总第 期 国 内外扭矩测试方法综述 段国芳等 压形式输出 由于采用 了非晶态星形线圈 , 所以这种传感器装置有以下 个优点 平均了 磁场强度的不均匀分布 消除了外部场强的干扰 减小 了旋转轴偏转 摆动 带来的误差 因此 , 它的角分辨率较高 , 静态可测到 ” , 旋转轴可测到 “ 以上这种应变型测试系统是采用相位测量原理 , 将扭矩产生的角变形通过感应信号的 相位差形式输人到测量电路 因此 , 它实际测量的是角位移 即总形变 为了达到要求的 精度 , 常要求被测扭矩轴相对 长些和细些 , 足 以产生较大的变形 因此 , 这类测试装置主 要应用于长轴 而对于粗短轴 , 则主要采用另一类磁弹型扭矩传感器 这类传感器基于铁 磁材料的压磁效应而制成 铁磁材料的磁导率是一个结构应力敏感参数 , 扭 袖中应力的变 化将引起磁导率的相对变化 , 磁导率的变化又导致传感器磁路磁阻的变化 , 最终转化为检 测线圈中磁通的变化 日本福 岗九州大学早在 年就从事这方面的研究 , 并于 年研制出新型磁头型 参参 率率 图 磁头相对带有涂层的轴的放置示意图 扭矩传感器图 , 其结构如图 所示 在轴上 用等 离子法喷覆了一段磁致伸缩层 , 两个铁氧磁芯组 成的 型磁头与轴线 成 士 方 向放置 磁头 与轴表 面相距一固定距离 , 磁头士 ‘ 绕有线圈 , 线 圈组成了图 所示的 一 桥式电路的一部分 采用磁头型结构可使整个测试装置做得很小巧 , 上文 中提到的磁头两极之间的距离是 , 磁极横截面积仅为 只 这种传感器的另一个特点是 它敏感于应力 , 而不是应变 , 因此它 能广泛用于粗短 、 笨重的各类传动轴 和扭力轴上 , 且不需要 占有用较大的 空间 通过在轴上粘贴或涂覆一层磁 致伸缩材料 , 可 以减小轴表面材料不 均匀性带来的误差 , 同时可提高测试 棋拟开关 图 磁头传感器测量电路原理图 灵敏度 然而 , 如何在不影响轴表面磁应力特性 的条件下 , 在轴表面牢固地涂覆一层磁致 伸缩层则是 比较困难 的 近年来 , 随着光纤技术的迅速发展 , 国内外也相继开发研制了系列光纤扭矩传感器 美国佛吉尼亚西蒙斯精密飞行器公 司于 年研制 了光纤扭矩传感器 , 如 图 所示 速度差愉出 速 度 轴出 扭矩输出 速度 翰出 图 光纤扭矩传感器结构示意图 同常规的机 电系统相 比 , 这 种 传 感 器 结 构 的优 点 是 不需参考套管 、 不受 电磁场干扰 、 重量轻 、 操 作到 直 流 、 提 高 了信 噪 比 通过对不同轴速的光 纤法测量结果进行同相 比 较 , 在其 后的信号处理过 程 中就可 以根据相位差和轴弹簧常数的知识来计算轴的扭矩大小 这种 系统在轴扭转 士 “ 的操作范围内的系统误差为 缺点是调试困难 、 且测试环境 中的尘埃气雾等将 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 测 试 技 术 学 报 年第 期 造成光路的干扰 为了寻求一种能够连续监测汽车发动机或是齿轮箱传动轴的扭矩 的价廉 、 性能稳定的 扭矩传感器 , 英 国福特汽车公司资助 南安普顿大学为其研制了一种电容式 扭矩传感器 , 如 图 所示 安装在 旋转轴上的电容式扭矩传感器形成了 旋转谐振 电路的一部分 , 它能通过电 感韧合激发一个空气间隙 扭矩 的变 化引起调谐电路谐振频率的变化 , 而 被检测到谐振频率又作为激励线圈中 被参考的阻抗的变化 可变电容 由图 示的齿形铜条制成 , 它是将铜板腐蚀 成易挠 的印刷 电路板 , 而后将其安装 到轴上 此传感器的最大优点是成本 低 , 用于批量生产的汽车发动机扭轴 介质固定端 图 可变电容式扭矩传感器结构图 上扭矩的监控是相当便宜的 , 而制作易挠的印刷 电路板并将其安装到轴上是相当费力的 国 内发展现状 旋转轴扭矩的电测方法 中 , 最简单可靠的方法是在被测机械旋转轴 弹性元件 上粘 贴 电阻应变片 , 因转矩作用而产生应变 , 引起应变 片电阻值的变化 , 从而达到测量转矩的 目的 国内 目前测扭矩主要仍采用这种在轴上贴应变片的传统方法 这里需要指 出的是 , 从严格 的力学角度来讲 , 转矩这个概念与扭矩是不完全相 同的 , 前者指 的是外力矩 , 而后 者则指的是 内力矩 但是 , 当轴上只受到一个扭矩 的作用时 , 转矩和扭矩在数值上是相等 的 , 本文 中都指 的是这种情况 苏州大学工学院于 年研制的 微 型遥测扭矩仪阁 即是将贴于轴上 的 应变桥 路与其它模拟 集成 电路组成发 射电路 , 固定在转轴上 , 其接收放大 电 路采 用飞利浦公 司的 单 片 调频信号处理 电路 图 给 出了单通 道遥测扭矩仪的框图 这种装置体积小 、 艇及其它大型机电仪器一体化改造 传传感器器器 发射电路路路 接收电路路路 显示示 放放大电路路路 放大电路路路 图 单通道遥测扭矩仪的框图 便于安装 、 精度高且价格低 , 特别适合于船舶舰 另外 , 航天工业总公 司第 研究所于 年研制的 一 型转矩转速传感器 也 是将电阻应变传感技术应用于动态非接触转矩测量及光电测转速的原理而得到的 这种传 感器能对各种旋转机械静 、 动态转矩 、 转速进行测量 , 再配上他们 自行研制的 一 型测 量仪可 以直接显示转矩 、 转速及功率 个参数 , 体现了数字化 、 智能化传感等先进技术的 优越性 然而 , 上述这两种粘贴应变片的方法在工程上使用受到很多因数的影响 , 它的测试结 果为应变 片产生变形后电阻的变化 , 能否正确反映扭矩 的大小要求一定 的条件 , 比如粘贴 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 总第 期 国内外扭矩测试方法综述 段国芳等 无蠕变和滑移 , 应变 电阻增量与应力关系稳定 , 温度影响得到初偿等 近年来国内测转矩 比较先进的方法还有北京交通大学电气工程系研制的一种 由单片机 构成的智能转矩 、 转速测量仪川 , 重庆大学机械传动国家重点实验室研制的利用 的转矩测量技术田 前者能实时测量并显示运行电机的转矩 、 转速 、 功率 , 记录运行过程 中的最大转矩 , 并且可 以设置界限转矩 、 界限转速 、 转矩转速超限报警等 , 结构简单 、 功能 齐全 、 体积小 、 成本低 但若要减小可 区分的最小转速值 , 还需增加测量时间 , 即以牺牲实 时性为代价 后者可用于静态 、 低速到高速条件下的转矩测量 , 具有抗干扰能力 强 、 灵敏 度高 、 信号处理方便等特点 , 但应 该指出 , 采用 增加了系统的成本 今后的发展趋势 纵观国内外测扭矩 的不 同方法可 以看 出 扭矩测量正在 由静态测试 向动态测试发展 , 由接触式测试 向非接触式测试发展 , 由测应变后间接换算应力向直接测应力方 向发展 , 且 整个测试系统向小型化 、 数字化 、 实时实况 化 、 智能化方向发展 但要求所有 的扭矩测量 都按一种模式来进行显然是不合理 的 , 也是不可能的 前文所述的各种方法仍有其各 自合 适 的应用领域 参 考 文 献 , 、 一 ‘ , 义 一 , , 朋 , , 玛 一 , , 五 叩 介 , , 快 、 一 飞 、 玉 , · , 一 翁桂荣 , 岳强 微型遥测扭矩仪 电子技术应用 , 拍 曹德惠 , 邓海涛 一 型转矩转速传感器的研制与应用 仪表技术与传感器 , , 一 刘宗杰 , 叶斌 单片机 构成的智能转矩转速测量仪 自动化与仪器仪表 , 仁 巧一 张凤生 , 张光辉 在转矩测量中的应用 实用测试技术 , , 扮王 一 , 到 , “ ,