高精度動態(tài)扭矩儀的設(shè)計

孔祥飛 徐丹輝 紀(jì)永剛 王松亭 張立 劉承文

【摘 ?要】本文采用一種非接觸電測量旋轉(zhuǎn)扭矩的方法，在旋轉(zhuǎn)系中利用應(yīng)變體傳遞扭矩并按所傳遞扭矩產(chǎn)生相應(yīng)轉(zhuǎn)動變形，測量頭通過光電或磁效應(yīng)非接觸地測得固聯(lián)于應(yīng)變體上的兩個柵體因應(yīng)變體相對轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生的相對變化，并輸出正比于所傳遞扭矩信號和軸頻率信號。在旋轉(zhuǎn)系中扭矩測量且具有較高精度和良好的穩(wěn)定性。

一、前言

隨著社會的發(fā)展，動力機械的發(fā)展越來越快，扭矩、轉(zhuǎn)速和軸功率是旋轉(zhuǎn)動力機械的重要工作參數(shù)。若能準(zhǔn)確、可靠、方便地測出受試機械的平均或瞬時的扭矩值、轉(zhuǎn)速和功率，這將有利于改進和提高機械設(shè)備的性能，同時可作旋轉(zhuǎn)動力機械日常運行的監(jiān)測，起到故障診斷或可用作自動控制系統(tǒng)的檢測裝置，這樣才能使動力機械的智能化程度越來越高。為此我們需要一種簡潔、緊湊、易用、低成本、耐用的旋轉(zhuǎn)動力測量動態(tài)扭矩傳感器。

二、扭矩傳感器設(shè)計原理

非接觸式扭矩測量方法是在扭矩傳遞系統(tǒng)中測量驅(qū)動側(cè)金屬旋轉(zhuǎn)體與從動側(cè)金屬旋轉(zhuǎn)體之間傳遞的扭矩的扭矩測量方法，即對在圓周上一部分或者軸向端面設(shè)置有凹凸?fàn)畹臉?biāo)記部的所述金屬旋轉(zhuǎn)體分別以非接觸的方式鄰近配置由電磁線圈構(gòu)成的檢測元件，在所述檢測元件與所述金屬旋轉(zhuǎn)體之間引起電磁感應(yīng)，并且通過測量所述檢測部中的感應(yīng)負(fù)荷來檢測所述檢測部與所述金屬旋轉(zhuǎn)體之間的相對相位偏差以及所述標(biāo)記部的位置，通過隨著扭矩傳遞測量在所述兩個金屬旋轉(zhuǎn)體產(chǎn)生的所述標(biāo)記部的旋轉(zhuǎn)速度以及旋轉(zhuǎn)相位差進行運算處理，計算出傳遞扭矩值。

本設(shè)計以彈性體聯(lián)軸部件獲取傳動信號為受力載體，該彈性體分為主動部和被動部分別加以信號測試點，并通過對應(yīng)兩個信號測試點設(shè)置的信號接收器，非接觸地獲取主動部分呢被動部分在轉(zhuǎn)動時的相對位置及其運動（轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)向）信號。

應(yīng)用彈性體聯(lián)軸測量在動力傳遞動力時主動半與被動半之間有相對位移，且傳遞的扭矩越大其相對位移也越大的原理，制作該聯(lián)軸器的靜態(tài)扭矩與主動半和被動半之間相對位移的關(guān)系圖表，將該關(guān)系表輸入信號處理信息系統(tǒng)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表，在對不同狀態(tài)，參數(shù)下的各種分量分別描制出各種相對應(yīng)的數(shù)據(jù)表。

對比由信號接收器獲取的主動半與被動半的位置信號，獲得機械傳動時兩個連接半的相對位移的參數(shù)，該參數(shù)與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)對比可得到該機械傳動的瞬時扭矩數(shù)據(jù)。

信號接收器可采用光感應(yīng)、電磁感應(yīng)等各種類型。推薦采用電磁類型，它具有結(jié)構(gòu)更簡單和獲取信號更可靠和高效的特點。當(dāng)信號接收器采用電磁信號，信號測試點可以是凸點，也可以是凹點，只要微凸或微凹即可;還可以利用彈性體聯(lián)軸器上原有的凹凸點作為信號測試點。為此我們設(shè)計成三個等距離段分別進行測試和數(shù)據(jù)對比分析及糾錯等方法，如圖1所示。

信號處理電路可以根據(jù)從信號接收器獲得的相對位移和運動信號，通過對比和換算獲得扭矩和轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，并且根據(jù)軸功率與扭矩、轉(zhuǎn)速的關(guān)系推導(dǎo)出機械傳動的即時軸功率。

本設(shè)計對金屬旋轉(zhuǎn)體僅增設(shè)凹凸?fàn)畹臉?biāo)記部，無需組裝應(yīng)變儀、磁性圓盤等檢測體，因此，不會由于旋轉(zhuǎn)負(fù)荷而在檢測體上發(fā)生故障、異常。另外，能夠大幅度削減扭矩檢測所需的部件數(shù)、組裝工時。另外，凹凸?fàn)畹臉?biāo)記部較為微小，因此構(gòu)造簡單，無需設(shè)置為密閉構(gòu)造。另外，對于檢測部的配置而言可以增大自由度、調(diào)整靈活。

三、動態(tài)扭矩的計算與分析

我們采用非接觸式扭矩測量方法測量作為扭矩傳遞系統(tǒng)的聯(lián)軸器中的驅(qū)動側(cè)金屬旋轉(zhuǎn)體與從動側(cè)金屬旋轉(zhuǎn)體之間傳遞的傳遞扭矩大小。在檢測及信號處理上，我們采用中心檢測到方法和可變閾值的方法來調(diào)整修正測量誤差，提高測量精度。

1、中心檢測

根據(jù)現(xiàn)有的用于周期計算的基準(zhǔn)點計算方法，將標(biāo)記部的數(shù)據(jù)脈沖化，通過將中心的位置代替上述上升邊緣的位置作為相位檢測的基準(zhǔn)點（中心的基準(zhǔn)點），能夠考慮到抽樣數(shù)據(jù)量的變化，從而提高基準(zhǔn)點檢測精度。

首先我們先抽樣數(shù)據(jù)作為計算對象數(shù)據(jù)求出中心點值。針對求出計算對象數(shù)據(jù)的合計，從合計數(shù)據(jù)的中心處依次減去各計算對象數(shù)據(jù)，將加法運算結(jié)果為零以下時刻的計算對象數(shù)據(jù)作為包含中心的抽樣數(shù)據(jù)。然后，根據(jù)該包含中心的抽樣數(shù)據(jù)與剩余差值的比例，求出抽樣時間內(nèi)的位置作為中心測量基準(zhǔn)值。用于中心值計算的閾值可以是后面所述的由可變閾值確定的閾值。對于一個抽樣時間，可以根據(jù)旋轉(zhuǎn)速度等使用條件進行最適當(dāng)?shù)臅r間設(shè)定。

2、可變閾值

在現(xiàn)有的方法中，所有設(shè)備都使用者確定閾值，設(shè)定在寄存器中，但是在由于旋轉(zhuǎn)而發(fā)生偏心的情況下或者軸向上發(fā)生位移的情況下，預(yù)計傳感器數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)值發(fā)生變化，設(shè)定的閾值會偏離正常條件。因此，通過反映當(dāng)前的基礎(chǔ)值而自動確定最適合的閾值，能夠提高脈沖化精度。

由此可修正測量動態(tài)扭矩的精度及偏移誤差等參數(shù)。針對一組比例脈沖波形頻率和相位相一致，當(dāng)轉(zhuǎn)動開始產(chǎn)生扭矩后，主動半與被動半之間隨著彈性體的扭矩而產(chǎn)生了相對相位差的脈沖波形如圖2。經(jīng)理論分析與計算分析，此方法簡單易行，穩(wěn)定可靠，大大提高了動態(tài)扭矩的測量精度和穩(wěn)定性。

四、結(jié)束

本設(shè)計提供了一種非接觸式扭矩傳感器。其主要是通過測量相對位置角度的變化而換算成扭矩值，且設(shè)計結(jié)構(gòu)緊湊、動態(tài)扭矩測量的精度高、抗干擾能力強、性價比高等特點，具有廣泛的應(yīng)用及社會意義。

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