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标题: [原创]扭矩传感器原理与应用 [打印本页]
作者: 扭矩测量专家    时间: 2005-8-12 10:21
标题: [原创]扭矩传感器原理与应用
[attach]879[/attach]4 |3 K' Z- U8 w% t [attach]880[/attach]7 g ~5 Z7 ^; o" H0 S4 ` 一． 特点% m4 `- j/ t- h3 X! k# T/ t. S& W 1. 既可以测量静止扭矩，也可以测量旋转转矩;" \! k, f. D: }2 _( J7 P 2.　既可以测量静态扭矩，也可以测量动态扭矩； $ W+ d4 K7 r1 g' H, G1 c3. 检测精度高，稳定性好；抗干扰性强; 4 b) N/ s a, }4 F4. 体积小，重量轻，多种安装结构，易于安装使用； ; g) _- c9 x, i9 y) Z2 A) q 5. 不需反复调零即可连续测量正反转扭矩;3 K$ R, A. q: w* @* M8 M3 ` 6.没有导电环等磨损件，可以高转速长时间运行； 7 t, \9 S% d" w. t/ O7．传感器输出高电平频率信号可直接送计算机处理； 0 S' x- ^- g5 a) x3 f8．测量弹性体强度大可承受100%的过载。5 H4 k1 ?4 t. f7 K 二 测量原理 3 f8 ?( ]! s0 s9 i! P将专用的测扭应变片用应变胶粘贴在被测弹性轴上并组成应变桥,向应变桥提供电源即可测得该弹性轴受扭的 电信号。将该应变信号放大后，经过压/频转换，变成与扭应变成正比的频率信号。本系统的能源输入及信号输出是由两组带间隙的特殊环型变压器承担的,因此实 现了无接触的能源及信号传递功能。(虚线内为旋转部分) $ p) m7 \: ]8 ]$ p0 q 三 传感器原理结构（０１图）- l. m# {/ B3 N' l; J; |2 x' y 在一段特制的弹性轴上粘贴上专用的测扭应片并组成变桥，即为基础扭矩传感器；在轴上固定着：(1)能源 环形变压器的次级线圈，(2)信号环形变压器初级线圈，(3)轴上印刷电路板，电路板上包含整流稳定电源、仪表放大电路、V/F变换电路及信号输出电路。 在传感器的外壳上固定着： ' u( I$ d1 j1 P$ z& T. \8 c6 G6 j1 k; [5 s" O9 _5 F: o- g0 l " A6 A& n0 m2 |1 k% g) c7 p; V: c; I

图五 数字式扭矩传感器测量原理图 2 B/ z v9 x \* L) }( S( @ （1)激磁电路，(2)能源环形变压器的初级线圈(输入)，(3) 信号环形变压器次级线圈(输出)，(4)信号处理电路 3 Q6 o" h% P6 H7 |6 b! _四 工作过程 % q! U% R% K7 X' z' `1 Q9 v) b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。 ( ^- {9 G. z8 `& ^) I6 }' {/ @本传感器输出的频率信号在零点时为10kHz.正向旋转满量程时为15KHz.反向旋转满量程时为 5KHz。即满量程变量为5000个数/每秒。转速测量采用光电齿轮或者磁电齿轮的测量方法，轴每旋转一周可产生60个脉冲，高速或中速采样时可以用测频 的方法，低速采样时可以用测周期的方法。本传感器精度可达±0.2%～±0.5%（F·S）。由于传感器输出为频率信号，所以无需AD转换即可直接送至计 算机进行数据处理。6 [' Z( V/ o' O$ b+ u6 K8 O+ @ 五 应用范围 " _5 R& @, a5 Q0 ]! J* F1. 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。5 K2 M$ _& ?9 S5 P$ V1 b' t8 \- q 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。 ; U' O+ P' r; O# m3. 检测各种机械加工中心，自动机床的工作过程中的扭矩。" m1 R% K$ R; E: a: D! R 4. 各种旋转动力设备系统所传递的扭矩及效率； 9 T7 T) V2 d. h8 B2 y' m! u5. 检测扭矩的同时可以检测转速，轴向力。 6 x u/ D. q+ R0 R$ {% u7 L5 S6. 可用于制造粘度计，电动(气动，液力)扭力扳手。

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（０２） 数字式扭矩传感器安装示意图 $ G& ~4 t8 N$ F3 [" a9 `. d% E 6 x- j, g) @7 f) O, ?2 T

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一． 特点) S6 y* `2 N; z, D5 L/ n" A 1. 既可以测量静止扭矩，也可以测量旋转转矩; 7 T' n% g+ K' P4 T7 \2.　既可以测量静态扭矩，也可以测量动态扭矩；: x Q- p, W0 x+ f9 j& a8 ?/ E8 | 3. 检测精度高，稳定性好；抗干扰性强; & x* s: y, O; y$ V* f4. 体积小，重量轻，多种安装结构，易于安装使用； : L! D; G% S& `7 l: G2 V9 i4 R 5. 不需反复调零即可连续测量正反转扭矩; # b% b% Y* |0 G7 W6.没有导电环等磨损件，可以高转速长时间运行； 0 u) W6 w$ E# T+ @% b/ n8 J7．传感器输出高电平频率信号可直接送计算机处理；4 q( n/ X; v* L9 i4 n P 8．测量弹性体强度大可承受100%的过载。 + S/ O; o/ M I5 o) L二 测量原理 3 I4 p8 F1 _" \; v U将专用的测扭应变片用应变胶粘贴在被测弹性轴上并组成应变桥,向应变桥提供电源即可测得该弹性轴受扭的 电信号。将该应变信号放大后，经过压/频转换，变成与扭应变成正比的频率信号。本系统的能源输入及信号输出是由两组带间隙的特殊环型变压器承担的,因此实 现了无接触的能源及信号传递功能。(虚线内为旋转部分) 3 j) I: K$ V" v' I) `! M' x4 q三 传感器原理结构（０１图） ( c1 X7 L d0 z7 S0 c在一段特制的弹性轴上粘贴上专用的测扭应片并组成变桥，即为基础扭矩传感器；在轴上固定着：(1)能源 环形变压器的次级线圈，(2)信号环形变压器初级线圈，(3)轴上印刷电路板，电路板上包含整流稳定电源、仪表放大电路、V/F变换电路及信号输出电路。 在传感器的外壳上固定着： 6 h9 S) d( T% @/ w) }

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图五 数字式扭矩传感器测量原理图 ! M4 Z# q* S2 Q' d( ~ （1)激磁电路，(2)能源环形变压器的初级线圈(输入)，(3) 信号环形变压器次级线圈(输出)，(4)信号处理电路 : q9 s3 W- f$ p! `+ O9 u四 工作过程 ) G3 @' P& ^9 y: {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。 0 |0 `; R2 H+ ~: z1 Q 本传感器输出的频率信号在零点时为10kHz.正向旋转满量程时为15KHz.反向旋转满量程时为 5KHz。即满量程变量为5000个数/每秒。转速测量采用光电齿轮或者磁电齿轮的测量方法，轴每旋转一周可产生60个脉冲，高速或中速采样时可以用测频 的方法，低速采样时可以用测周期的方法。本传感器精度可达±0.2%～±0.5%（F·S）。由于传感器输出为频率信号，所以无需AD转换即可直接送至计 算机进行数据处理。& ^& K/ U% S: Q1 E 五 应用范围9 p) k' w4 k2 }. c; Q% r; T 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。 # t# }$ G. U+ w& h! g2. 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。: t/ i) O4 S. C 3. 检测各种机械加工中心，自动机床的工作过程中的扭矩。' Z/ S$ H. {2 {. {- i8 C# m& X 4. 各种旋转动力设备系统所传递的扭矩及效率；/ q8 y+ X! ~2 z: M- z 5. 检测扭矩的同时可以检测转速，轴向力。0 j# i8 S3 V1 ^5 d R( E: r& H 6. 可用于制造粘度计，电动(气动，液力)扭力扳手。

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（０２） 数字式扭矩传感器安装示意图+ j' O2 W+ t/ W0 G9 W! U # S& ^9 B7 @) {1 p/ `) v0 A

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