扭矩傳感器在軸功率測量中的應(yīng)用和發(fā)展趨勢

史嘯寒 陳冠通

摘 要： 本文介紹了多種類型的扭矩傳感器的原理和特點(diǎn)，以及其在軸功率測量系統(tǒng)中的一些應(yīng)用，最后展望了扭矩傳感器的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞： 扭矩傳感器；軸功率測量系統(tǒng)；無線遙測；應(yīng)變電測技術(shù)

1.引言

軸功率是水泵等動力裝置關(guān)鍵的性能參數(shù)之一，也是實際生產(chǎn)中十分重要的能耗與安全指標(biāo)。所以，設(shè)計制造出精確、可靠的軸功率測量儀器對于機(jī)械設(shè)備的研發(fā)測試、安全保障、性能提高等都具有很大的現(xiàn)實意義。

目前測量軸功率大致可以分為兩類，即電測功法和扭矩測功法。其中電測功法是利用間接測量的方式，先測量相關(guān)數(shù)據(jù)得到原動機(jī)的輸入功率，再間接求得軸功率。電測功法往往利用損耗分析法來計算泵軸的功率，然而損耗分析法在實際應(yīng)用中數(shù)據(jù)處理繁瑣復(fù)雜。測量泵軸功率更精確的方法是利用應(yīng)變扭矩法，通過測量原動機(jī)動力輸出軸的扭矩和轉(zhuǎn)速從而得到泵軸的功率。

2.扭矩傳感器概述

扭矩測量過程是一些動力設(shè)備開發(fā)調(diào)試、質(zhì)量把控、工況監(jiān)測、優(yōu)化升級等必不可少的步驟，在此測試過程中扭矩傳感器起到了至關(guān)重要的作用。 為了適應(yīng)更高的精度要求以及某些復(fù)雜惡劣的工作環(huán)境，目前國內(nèi)外對于扭矩傳感器的研究成果頗豐，種類很多，根據(jù)原理的不同可以分成應(yīng)變型、磁彈性型、轉(zhuǎn)角型這三種類別。

國外在應(yīng)變電測技術(shù)上的研究較早，技術(shù)成長較為成熟。德國的HBM公司研制的電阻應(yīng)變式扭矩傳感器，采用弧齒聯(lián)軸節(jié)，減小了不同軸度引起的測量誤差。 英國的霍佛科公司也開發(fā)出了類似的運(yùn)用應(yīng)變電測技術(shù)的測量儀。日本九州技術(shù)研究所研發(fā)出了用非晶態(tài)星形線圈制成的扭矩傳感器。扭矩產(chǎn)生的的角變形可被線圈所感應(yīng)，再輸出相應(yīng)的電信號。

國內(nèi)的起步則較晚，但是也有令人矚目的學(xué)術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)品成績。北京冶金一局超硬材料研究所的李國林研制了一組旋轉(zhuǎn)變壓器，實現(xiàn)了能源的非接觸式傳遞。洛陽工學(xué)院等研制的動態(tài)扭矩測試儀，能夠?qū)崟r顯示扭矩的大小，還具有閾值報警功能， 并通過合理布線等方式提高其抗干擾性能。

應(yīng)變電測技術(shù)是一項發(fā)展十分成熟的技術(shù)，電阻應(yīng)變片因為其成本低、體積小、易操作而受到青睞。利用應(yīng)變電測技術(shù)制成的各項儀器目前也被國內(nèi)外廣泛應(yīng)用于土木、鐵路、機(jī)械、航空航天等各個領(lǐng)域當(dāng)中。 同時，應(yīng)變電測技術(shù)現(xiàn)階段還在不斷創(chuàng)新和發(fā)展，出現(xiàn)了能夠適用于特殊應(yīng)用場景的新型電阻應(yīng)變計以及更高精度與穩(wěn)定性的數(shù)據(jù)采集和分析儀器。

應(yīng)變型扭矩傳感器操作簡單，是當(dāng)下應(yīng)用最為廣泛的一種傳感器。它采用在旋轉(zhuǎn)軸表面貼應(yīng)變片的傳統(tǒng)方法，旋轉(zhuǎn)軸受扭矩影響產(chǎn)生變形，使得貼在其上的應(yīng)變片變形致使電阻值發(fā)生改變，應(yīng)變電橋失衡，輸出與扭矩成正比的電信號，然后再進(jìn)行分析處理。磁彈性型扭矩傳感器是非接觸式的，它是根據(jù)扭軸截面上的剪應(yīng)力與扭矩成正比且磁性材料在機(jī)械應(yīng)力作用下， 其導(dǎo)磁性能發(fā)生相應(yīng)變化的原理設(shè)計的。轉(zhuǎn)角型扭矩傳感器是利用扭軸產(chǎn)生的變形角和剪應(yīng)變角設(shè)計的，常常被用來測量長且細(xì)旋轉(zhuǎn)軸的扭矩信息。

3.軸功率測量中的應(yīng)用

軸功率測量的原理是扭矩與轉(zhuǎn)速的乘積，P=Tn/9550，所以軸功率的測量工作應(yīng)圍繞扭矩和轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)的獲取來展開。轉(zhuǎn)速和扭矩信息可以分別由轉(zhuǎn)速儀和扭矩傳感器測量得到。由于導(dǎo)線也具有電阻，其也算入橋臂電阻內(nèi)，會使測量產(chǎn)生一定誤差，另外在較為惡劣的環(huán)境下無法布線，所以目前軸功率測量更多采用無線遙測的方式。

現(xiàn)階段比較成熟的無線傳輸技術(shù)有WIFI，藍(lán)牙，Zigbee等。WIFI已經(jīng)在筆記本電腦，智能手機(jī)等智能設(shè)備上廣泛應(yīng)用，基于WIFI技術(shù)的智能家庭互聯(lián)也在快速推進(jìn)和發(fā)展，但是其數(shù)據(jù)安全性能較差，且功耗高，輻射大。藍(lán)牙技術(shù)采用分散式的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，支持點(diǎn)對點(diǎn)和點(diǎn)對多點(diǎn)通訊，受到了市場的歡迎和青睞。相比較于前兩種無線傳輸技術(shù)，Zigbee以其低功耗、自組網(wǎng)的特性在物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)控制領(lǐng)域受到了高度關(guān)注。

市面上的軸功率測量系統(tǒng)一般都具有數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊以及數(shù)據(jù)處理模塊這三個模塊。天津工程機(jī)械研究所應(yīng)用單片微機(jī)研制成的MSZ-12型轉(zhuǎn)速扭矩功率儀具有轉(zhuǎn)速和扭矩兩個輸入口，還可以和微機(jī)和制圖儀連接，具有易操作、精度高、體積小的優(yōu)點(diǎn)。江蘇東華測試技術(shù)股份有限公司生產(chǎn)的DH5905無線扭矩測試系統(tǒng)，具有測量旋轉(zhuǎn)軸的扭矩和軸功率等信息的功能。測試系統(tǒng)采用WiFi無線通訊技術(shù)，安裝方便，無需繁瑣的現(xiàn)場布線，更適用于狹小空間和有線傳輸不便的場合的應(yīng)變應(yīng)力測量。該儀器可以實時顯示扭矩值，通過測量轉(zhuǎn)速還可以得到旋轉(zhuǎn)軸的軸功率值，并采用了分體設(shè)計，對稱安裝，測量時不會影響軸系平衡。

4.扭矩測量的發(fā)展趨勢

（1）材料工業(yè)技術(shù)的發(fā)展使得研制出擁有更多功能、更高精度與穩(wěn)定性的扭矩傳感器成為可能。

（2）現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)和人工智能交互技術(shù)飛速進(jìn)步，扭矩測量勢必會朝著自動化、智能化、集成化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。

（3）相比于傳統(tǒng)的有線測量，基于無線通信技術(shù)原理研制的、可無線遙測的非接觸式扭矩傳感器將會更受市場的青睞。

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