磁电式扭矩传感器如何测量_扭矩传感器计量标准器具

　　在弹性轴的两端，安装有两个相同的齿轮，在齿轮上方分别安装有两个相同的、绕在磁钢上的信号线圈。弹性轴两端分别与动力轴和被测轴固定。弹性轴转动时，由于磁钢与齿轮的齿和齿间气隙的磁导率的交替变化，在两个信号线圈中分别感应出两个交变电势e1和e2，此两电动势有一恒定的初始相位差。当弹性轴受到扭矩T作用时，产生扭转变形，两齿轮将有相对扭转角，导致两电动势的相位差发生变化，测出相位差的变化，即可求得扭矩T，而且根据其电动势的频率还可同时测出转速值。因为两电动势的信号较弱，所以要先进行信号放大，然后送入相位差检测器中检测其相位差。

　　扭矩的测量有相位差式和电阻应变式等。这里只简单介绍相位差式扭矩测量中的磁电式扭矩传感器的工作原理和测量电路。

　　磁电式扭矩传感器如何测量

　　磁电式扭矩传感器的测量原理图如下图所示。

　　扭矩传感器自出现，在短短时间内已经应用于各个行业中，成为传感器家族中不可或缺的一个品种。

　　

　　相位差测量电路

　　

　　上图是相位差检测器原理图，图中Al、A2是两个过零比较器，R1、R2起限流作用，其参数选择视输入ui1与ui2的大小而定。设ui1超前ui2，当此二信号经两对反并联的二极管限幅后，进入比较器Al和A2，再经异或门后便得出脉冲宽度等于两个电压相位差的信号。

　　这里两对反并联的二极管的限幅作用是必要的。因为对于选择好的参数R1、R2和二极管，只要保证R1、R2和二极管能承受ui1和ui2的波动，D和E两点的电位永远不会超过0.7V，从而保证了Al和A2不致因电压过高而损坏。

　　向传感器提供±15V电源，激磁电路中的晶体振荡器产生４００Hz的方波，经过TDA2030功率放大器即产生交流激磁功率电源，通过能源环形变压器T1从静止的初级线圈传递至旋转的次级线圈，得到的交流电源通过轴上的整流滤波电路得到±５V的直流电源，该电源做运算放大器AD822的工作电源；由基准电源AD589与双运放AD822组成的高精度稳压电源产生±4.5V的精密直流电源，该电源既作为电桥电源，又作为放大器及V/F转换器的工作电源。当弹性轴受扭时，应变桥检测得到的mV级的应变信号通过仪表放大器AD620放大成1.５v±1v的强信号，再通过V/F转换器LM131变换成频率信号，通过信号环形变压器T2从旋转的初级线圈传递至静止次级线圈，再经过传感器外壳上的信号处理电路滤波、整形即可得到与弹性轴承受的扭矩成正比的频率信号，该信号为TTL电平，既可提供给专用二次仪表或频率计显示也可直接送计算机处理。由于该旋转变压器动--静环之间只有零点几毫米的间隙，加之传感器轴上部分都密封在金属外壳之内，形成有效的屏蔽，因此具有很强的抗干扰能力。

　　在整个扭矩检定系统中，据矩标准器可分为两类。第一类为产生（或复现）扭矩值的固定式标准器。第二类为传递扭矩值的各种便携式标准器。后者按其测量原理可分为百分表式、应变式、光学式、磁电式、电容式、钢弦式、机械式、磁弹式、光弹式扭矩仪等。　　一、 计量基准器具

　　1、扭矩值国家基准。根据我国目前情况，它们由1kN·m和5kN·m两台静重式扭矩基准机且成。

　　静重式扭矩基准机是以砝码产生的重力作为标准负荷，通过准确测量其力臂的杠杆机构将力矩按预定顺序自动地加到被检扭矩仪上。这种扭矩机的计量学性能主要取决于力值的不确定度，力臂的不确定度等。前者又取决于砝码质量的不确定度，安装地点的重力加速度的测量不确定度，砝码和空气密度的测量不确定度以及砝码的加卸方式、机械结构和质量稳定度等。后者与力臂杠杆的构造、刀刃和刀承的构造以及加工安装质量等密切相关。此外，还与力臂杠杆的水平控制程度有关。

　　基准机 扭矩总不确定度（%） 扭矩值范围：（N·m） 最小扭矩；（N·m） 力臂名义值；（m） 小砝码 大砝码

　　单个名义质量×数量 单个名义质量×数量：1kN·m 0.01 10-1090 10 0.4 左侧 ×9 左侧 ×10；右侧 2.5kg×9 右侧 25kg×10；5kN·m 0.01 50-5450 50 1.0 左侧 ×9 左侧 ×10，右侧 5kg×9 右侧 50kg×10

　　备注：

　　1、总不确定度的置信系数为3；

　　2、左、右两侧砝码分别产生正、反两个方面扭矩。

　    扭矩传感器计量标准器具

　　1、标准扭矩仪，作为传递基（标）准扭矩值的扭矩仪有两个主要技术指标，其一是重复性R，其二是稳定度Sb。根据目前标准扭矩值的准确度水平，作为基准扭矩值与标准扭矩值之间的传递和比对工作的标准扭矩仪被分为三级：0.03级，0.05级和0.1级。根据R和Sb一般均应不大于被检扭矩标准机的扭矩值不确定度的三分这一的要求，应尽可能用0.03级标准扭矩仪检定0.1级的扭矩标准机。在该条件达不到时，也允许用0.05级标准扭奥林匹克仪对其进行比对，这时应考虑上级标准有关技术指标对下级标准相应技术指标的影响。借助并联法，0.05级和0.1级标准扭矩仪可用于0.3级大型扭矩标准机的检定。作为标准扭矩值与工作计量器具扭矩值的传递具的标准扭矩仪也分为三级：0.3级，0.5级和1级。0.3级标准扭矩仪用于检定扭矩值总不确定度不超过1%的扭转试验机或其它转矩测量装置。各级标准扭矩仪均可用于平衡扭矩测量装置和能量转换转矩测量装置的扭矩值比对和检定中。

　　2、扭矩标准机。目前国内已有的扭矩标准机同扭矩基准机一样皆属静重式。它们的最大扭矩值范围为20N·m-120kN·m。最大扭矩值不超过5kN·m的机器的扭矩值的总不确定度δ不超过1×10-3，最大扭矩值超过5kN·m的机器的扭矩值的总不确定度δ不超过3×10-3。这类机器的不确定度的影响因素与静重式扭矩基准机相同，一般用相应等级的标准扭矩仪对其进行检定，确定它的扭矩总不确定度（或示值误差）。对于要求较高的扭矩标准机，可以借助部件检定，由测量和计算确定扭矩值的总不确定度，同时用重复性和稳定度尽可能小的标准扭矩仪，将其与扭矩国家基准进行量值比对，以保证扭矩值的准确一致。

　　标准扭矩扳子检定装置

　　1、静重式标准扭矩扳子检定装置：这种装置实际上是专门用于扭矩扳子检定的静重式扭矩标准机，其原理、基本结构和精度分析等均与一般的静重式扭矩标准机相同。

　　2、机械式标准扭矩扳子检定装置：这种装置在扳子的尾部，用手动直接或间接施加扭矩，其头部与一个承扭弹怀体同轴串接，弹性体受扭产生的扭转角经过一定的传递放大后，根据弹性体的扭转角与承受的扭矩成正比的关系，由表盘直接读出扭矩值。该装置用随机所带的杠杆和砝码进行检定，通过测量与计算确定其扭矩值的总不确定度。该值主要取决于弹性体、传递与测量装置的重复性、直线度、长期稳定度以及检定装置的精度指标等。目前国内已有的这种装置的扭矩值范围为4-400N·m，扭矩值的总不确定度δ不超过2%。

　　3、液压式扭矩扳子检定装置：这种装置利用液压油缸活塞系统，通过一定长度的杠杆将扭矩值施加到被检扳子上，标准扭矩值的总不确定度主要取决于油缸内油压的测量准确度，油缸的有效面积和力臂杠杆长度等测量准确度。目前国内已有20 N·m的液压式扭矩扳子检定装置，其扭矩值总不确定度δ不超过1%。

　　4、串接式标准扭矩扳子检定装置：在这种装置上，被检扭矩扳子与标准扭矩仪（通常用应变式扭矩传感器）同轴串接。在同步施加扭矩后，通过比对方法，根据标准扭矩仪的技术数据确定被检扭矩扳子的相应技术指标。目前国内已有3kN·m和2kN·m两种串妆式扭矩扳子检定装置，其扭矩值总不确定度δ优于0.5%，该总不确定度主要取决于标准传感器和其测试仪表的重复性、直线度和长期稳定度等技术指标，以及标准扭矩传感器和被检扭长扳子的连接方式、连接质量等。

　　此外还有由压力试验机和有关专用附件组成的扭矩扳子检定装置等。

　　工作计量器具

　　1、扭转试验机。该机主要用于金属等原材料的扭转性能的试验。其扭矩值的总不确定度不超过1%（通常以示值误差形式给出）。该机既可用0.3级以上的标准扭矩仪检定，也可用随机所带校验杠杆和砝码进行检定。

　　2、扭矩扳子。扭矩扳子按其示值误差分三个等级：2级、3级和5级，三者均由标准扭矩扳子检定装置进行检定。这里应指明，本节所述的扭矩扳子也包括扭矩改锥。同样，4条中所述标准扭矩扳子检定装置也包括标准扭矩改锥检定装置。

　　3、其它扭矩仪。这主要指在实际机械的转矩测量中所使用的一系列不同原理、不同结构、不同量程和不同准确度等级的转矩传感器和扭矩仪，根据其量程和准确度的需要，用相应的扭矩标准机或专用检定装置进行检定。

　　4、平衡类转矩测量装置。这类装置是根据驱动机械（即原动机）或制动机械（即制动器）机体上作用的平衡力矩的大小来测量转矩的装置。它通常由主机、平衡支承及平衡力测量机构三部分组成，并按三者的不同加以分类。平衡力矩的大小通过平衡力和力臂长度等的测量来确定。因此，二者的测量误差及平衡支承磨擦力矩等是决定这类机器的转矩测量不确定度的主要因素。这种装置的转矩值范围为10-105N·m，总不确定度在0.3%-5%范围内。

　　5、能量转换转矩测量装置。这是根据其它能量参数（如电能参数）测量转矩的装置。通常是根据所测出的功率、转速、效率等来确定其转矩。为了确定相同工作情况下的效率，常常在使用前由标准扭矩仪来确定其效率。这种装置一般由直流电机组成。其转矩值范围为 N·m，总不确定度在1%-10%范围内。

　　特点

　　1、既可以测量静止扭矩，也可以测量旋转转矩；

　　2、既可以测量静态扭矩，也可以测量动态扭矩；

　　3、检测精度高，稳定性好；抗干扰性强；

　　4、体积小，重量轻，多种安装结构，易于安装使用；

　　5、不需反复调零即可连续测量正反转扭矩；

　　6、没有导电环等磨损件，可以高转速长时间运行；

　　7、传感器输出高电平频率信号可直接送计算机处理；

　　8、测量弹性体强度大可承受100%的过载。

　　应用范围

　　1、检测发电机，电动机，内燃机等旋转动力设备输出扭矩及功率。

　　2、检测减速机，风机，泵，搅拌机，卷扬机，螺旋桨，钻探机械等设备的负载扭矩及输入功率。

　　3、检测各种机械加工中心，自动机床的工作过程中的扭矩。

　　4、各种旋转动力设备系统所传递的扭矩及效率；

　　5、检测扭矩的同时可以检测转速，轴向力。

　　6、可用于制造粘度计，电动（气动，液力）扭力扳手。

　　在电机测试系统当中，扭矩的测量往往是通过扭矩传感器来实现的。下图是典型的电机扭矩测试方式：