金工聊测量 | 如何选择旋转扭矩传感器（下）

HBM测试与测量 2021年8月11日浏览：1769 收藏：1

金工说

金工聊测量 | 如何选择旋转扭矩传感器（下）的图1

关于如何选择旋转扭矩传感器，上期主要介绍了传感器的类型，这一期我将接着为大家介绍传感器的应用注意事项、环境条件、动态应用注意事项。

应用注意事项

扭矩传感器的数据表是一种有用的资源，可用于比较您的具体应用所需的传感器。数据表可以指示扭矩传感器在一般情况下的性能。但是，数据表上的所有值均根据实验室环境进行记录，因此大多数数据是静态的，而不是动态的或旋转的。因此，您需要考虑扭矩传感器在您的应用中自旋时的性能。

精度（非线性）要求

在选择扭矩传感器时，由于不同的应用需要不同的不确定度水平，因而测量精度或不确定度水平是一个关键考虑因素。例如：

效率测试、摩擦损耗测试和拖拽扭矩需要较低的不确定度，因此需要像HBM T12这样的扭矩传感器。
耐久性测试、生产结束测试和马力验证需要中等的不确定度水平，因此需要像HBM T40B这样的扭矩传感器。
装配设备测试、扭矩-转动应用或紧固件测试有时会处理更高水平的不确定度，因此需要像HBM T20或HBM T22这样的扭矩传感器。

如何量化扭矩传感器的测量不确定度？虽然可能很复杂，但传感器的不确定度通常由六部分组成：

传感器输出和灵敏度
线性和滞后
零点温度效应
满量程温度效应
重复性
寄生负载（通常为轴向、侧向和弯曲运动）

您可以利用扭矩传感器数据表中的数据通过测量不确定度公式（见图10）来估计不确定度值。

传感器的不确定度中计入了校准数据。因此，必须了解供应商使用何种类型的校准设备以及校准设备的不确定度。在一些国家，扭矩并非总是完全受控的测量结果，因此供应商有责任向客户保证其实验室的精度。人们可以称重、测量扭矩臂和校准仪器，但在世界上的一些地区，没有控制实体来确保供应商之间的程序一致，甚至没有控制实体来确保设备正常工作。

在一些国家，有控制扭矩测量的管理组织。在德国，PTB（类似于美国国家标准与技术研究院）验证实验室校准设备的精度并颁发证书。通过选择通过此类认证的供应商，您可以对扭矩传感器校准数据表上的数据更有信心。

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图10 测量不确定度公式

量程

考虑扭矩传感器时，必须顾及所有峰值扭矩和尖峰。如果超出安全使用范围，这些尖峰会损坏扭矩传感器。如果这些尖峰的时间段足够短，并且扭矩传感器的响应时间足够低，则在造成损坏之前，您甚至可能无法在数据中看到它们。因此，必须知道您的扭矩范围，并选择可以适应这些峰值的扭矩传感器。

此外，必须决定是要测量这些扭矩尖峰，还是仅仅经受得住这些尖峰。如果想测量尖峰，则必须确保您的传感器的电输出可以测量想要读取的尖峰。

然而，若只关心测量工作（平均）扭矩，电气滤波或在驱动系中使用小抗扭刚度构件可以消除或减弱尖峰。这样可以使扭矩传感器的尺寸更接近工作扭矩。

过载额定值

另外，还必须了解扭矩传感器的过载额定值。通常，传感器安全过载的行业标准约为满量程的200%——传感器开始发生屈服现象的点。在该额定值下，扭矩传感器需要许多超负载才会开始失效，通常出现在零点漂移时。灾难性过载通常会在满量程的400%左右时发生，即螺栓可能出现疲劳现象或传感器可能因开裂或弯曲而失效的点。

如果你更喜欢更大的过载额定值，一些供应商提供400%的安全过载和800%的灾难性过载。但是，提高过载额定值会增加扭矩传感器的刚度，并降低低端的分辨率或信噪比。这通常也意味着要将传感器设计得更大、更重，以适应更强的力。因此，您需要决定是否要为了尺寸、重量和信噪比而牺牲较高的过载额定值。

额定转速（RPM）

市场上大多数扭矩传感器的额定转速在10000到20000转/分之间。重量、平衡和临界转速是选择传感器额定转速时要考虑的因素。

重量 ——通常，当增大量程时，扭矩传感器的自旋速度必须较低——这主要是因其重量和直径所致。一些扭矩传感器的额定转速较高，例如HBM T11，额定转速为30000转/分。这种传感器由钛制成，旨在减轻重量。

平衡 ——一些扭矩传感器在出厂前已进行了平衡。如果扭矩传感器进行了预平衡，其平衡等级通常为G2.5。与传感器的制造商核实到货的扭矩传感器是否已经达平衡。

临界转速 ——临界转速是指驱动系想要变得不稳定时的转速。通常，在这种情况下，扭矩传感器首先会发生故障。为了避免出现临界转速，可以选择带有轴承和地脚的扭矩传感器。这样会缩短无支撑轴，因为扭矩传感器将充当承重块。

输出要求

您的扭矩传感器的输出通常会到达某种仪器，如应变调理器或数据采集（DAQ）系统。在反作用扭矩传感器上，或者在较老式的滑环式扭矩传感器上，输出通常是毫伏每伏特，这是应变计的输出。当使用这种输出时，通常使用交流或直流应变调理器为传感器供电，然后将输出调理为可用信号，通常为模拟或数字信号。正负10伏直流振幅信号通常比频率或数字输出更易受噪声影响。

频率输出是一种时基信号，比振幅输出更不易受噪声影响。因此，较先进的扭矩传感器也产生频率输出：

10千赫兹+/-5千赫兹
60千赫兹+/-30千赫兹
240千赫兹+/-120千赫兹

频率越低，分辨率越高。换句话说，10千赫兹的输出通常比240千赫兹的输出分辨率更高。这是因为提高频率通常会在低端产生更多的噪声。但是，较高频率输出的优点是，它可以增加响应时间并降低传播延迟，即扭矩事件在输入端发生，然后在扭矩传感器输出端被看见所需的时间。

需要注意的是，数字扭矩传感器会带有CAN、ProfiBus、ProfiNet和EtherCAT等输出端。由于信号转换较少，整体性能会提高。如果扭矩传感器没有配备数字输出端，通常可以购买单独的设备来实现数字通信。

响应时间

在评价扭矩传感器时，必须要考虑您的应用的响应时间要求以及采样率和响应时间之比，以避免发生混叠。一些扭矩传感器的比率为3:1、6:1甚至12:1，例如HBM T12。这些较长的响应时间使您能够测量扭转振动。

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环境条件

温度、灰尘、机油、腐蚀和电磁干扰等环境条件会影响您对扭矩传感器的选择。

温度

像以应变计为基础的所有传感器一样，扭矩传感器对温度很敏感，因此必须知道是否要处理在您所处环境中的温度梯度或空气浸泡变化。

沿金属轴向下移动时，梯度变化首先影响扭矩传感器的一侧。实际上，扭矩传感器的一侧会比另一侧更热，从而可能导致传感器扭曲。空气浸泡是一种更均匀的温度变化，类似于将传感器放置在烘箱中。制造商对空气浸泡温度变化进行补偿，并列出在传感器数据表中。

扭矩传感器的制造商通常会提供有关传感器在温度变化时的性能的信息。通常，将扭矩传感器放在烘箱里，上下调整温度，以收集扭矩传感器在温度变化的环境下的性能数据。

需要注意的是，传感器结构中使用的应变计越多，在温度变化期间的性能就越好——只要它们正确地放置在金属传感器上。此外，如果钢制传感器制造得当，温度变化的影响也会降到最低。

灰尘、机油和腐蚀

从防灰尘、防机油和防腐蚀方面考虑扭矩传感器的结构，尤其是较敏感的零部件。另外，一些传感器的密封性比其他传感器更高，这在恶劣的环境中非常重要。

还需要知道扭矩传感器数据是如何传输的，以及传输方法是否易受机油和灰尘的影响。例如，在滑环传感器中，灰尘和机油更有可能影响信号传输回静止状态。这些传感器比数字遥测系统更容易受到机油和灰尘的影响。

电磁脉冲

扭矩传感器基本上是天线——内部有电线和线圈，所以正确的接线、屏蔽和接地至关重要。找出扭矩传感器上使用的是哪种信号调理方式。在惠斯通电桥上是交流激励还是直流激励？HBM通常推荐交流应变计调理，因为它比直流应变计调理更能抵抗噪声。它最大限度地减少直流因热或1F噪声源可能造成的误差。

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动态应用注意事项

先进的扭矩传感器设计为具有扭转刚度和较高频率的响应时间。这使最终用户具有更大的动态扭矩测量能力。

图14显示了测功机测得的柴油机扭矩，测功机配有在线扭矩传感器、杆臂和测力传感器。如果振荡扭矩的频率高于测功机的固有频率，则杆臂配置可作为机械低通滤波器，通常在20Hz左右。

在这个信号图中，杆臂测力传感器（蓝色）发出一个经过过滤的平均扭矩信号；然而，在线扭矩传感器（红色）发出更具有动态性的扭矩信号——这是旋转扭矩传感器的优点：其测量或信号更具有动态性。

当轴开始自旋时，会产生许多影响扭矩传感器及其正确读取扭矩的能力的效应。动态应用注意事项应包括旋转效应、临界速度和额外负载。

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图14 测功机上测得的柴油机扭矩

旋转效应

旋转效应会影响扭矩传感器的输出。一种类型的旋转效应是风阻或对仅在空气中自旋的扭矩传感器的影响。另一种类型包括自旋传感器上的实际力，比如自旋如何影响应变计、导线和电子装置。转速越高，对扭矩传感器的影响越大。虽然这些影响不大，但仍可在扭矩传感器输出信号上看到。

不幸的是，大多数数据表上均不列出旋转效应。这是因为旋转效应随转速而异，并且在不同的应用场合下会有所不同，因此很难量化。但是，有些公司确实对旋转效应进行补偿。必须向供应商询问有关其扭矩传感器的旋转效应以及减轻这些影响的方法。

临界转速

为了有助于消除旋转轴的临界转速，完美的扭矩传感器最好无任何重量，具有无限大的刚度，并且无任何长度。虽然这当然是不可能的，但供应商应致力于制造刚度尽可能大、重量尽可能轻和长度尽可能小的扭矩传感器。

在特定的转速下，轴会变得不稳定，而在临界速度时，轴会起到正弦波的作用或发生振动。一旦轴变得不稳定，扭矩传感器很容易发生机械故障，例如裂成两块。所以，在使用测试台架之前，最好先对旋转轴进行扭转分析。

HBM建议让测试台架尽可能简单。零部件越少，出错的机会就越少。一旦根据需要选择了正确的扭矩传感器，请在HBM的“扭矩传感器安装的21个技巧”白皮书中了解有关安装的更多信息。最好保持扭矩传感器的大部分重量尽可能靠近测试台架上的承重块。图15中，扭矩传感器和联轴器靠近左侧的测功机（本例中为电动机）。通过保持大部分重量靠近承重块，可以将临界转速移到测量范围之外，并有助于防止发生灾难性情况。

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图15：扭矩传感器和联轴器靠近承重块

寄生负载

寄生负载是轴旋转时产生的轴向力、侧向极限力和弯矩力。这些离轴力会给旋转扭矩传感器带来很大的误差，就像温度变化一样。消除这些力将有助于提高测试台架的精度或降低不确定度。

扭矩传感器的供应商可以帮助您了解这些寄生力，寄生力如何影响扭矩传感器，以及当这些力施加到扭矩传感器上时预计会产生多大的误差。大多数制造商在数据表上给出寄生力极限。虽然这些极限通常不会引起重大灾难，但这些极限的最大值可能会开始影响扭矩传感器的输出。通常，如果达到100%的组合寄生力极限，则扭矩传感器的满量程误差预计为0.3%。因此，最大程度地减小施力中的寄生负载非常重要。

当轴开始自旋时，会产生许多影响扭矩传感器及其正确读取扭矩的能力的效应。动态应用注意事项应包括旋转效应、临界速度和额外负载。

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