來源：網絡 2012-07-12 關鍵詞：自動化 轉矩轉速傳感器 測量精度　　摘要：由于轉矩轉速傳感器的結構不盡相同，故其在測量過程中的測量信號交換和輸出存在差異，所以其在轉矩轉速和功率動態(tài)測量中的應用也隨之產生不同精度的結果。故在不同的測量系統中應依據本身測量系統的特點和特征，合理選擇與其相適宜的轉矩轉速測量系統。正確選用轉矩轉速傳感器和數據處理系統，方可保證轉矩、轉速、功率等參數在動態(tài)中的最佳精度和結果?！　?、前言　　轉矩轉速傳感器是集轉矩、轉速、功率為一體的高精度動態(tài)測量儀器。轉矩轉速傳感器與轉矩轉速測量儀(二次儀表或電腦采集卡)配套使用而構成轉矩轉速測量裝置。目前隨著我國裝備制造業(yè)的高速發(fā)展，尤其是在近幾年中，我國大功率動力輸送和動力轉化(如風電等)設備制造領域的快速增長和發(fā)展，使轉矩轉速測量的需求在生產制造領域、產品檢測領域和新產品設計、研發(fā)領域都呈現出廣泛的應用和市場需求，因此合理正確地選擇和使用轉矩轉速傳感器及提高轉矩、轉速、功率等技術參數的動態(tài)測量精度意義重大。在20世紀60年代，國際上已經開始研制出轉矩轉速傳感器，而且逐步將其應用于動態(tài)轉矩轉速的測量之中，但由于當時主導的設計理念的不同，形成了兩種結構基本相同而測量信號生成不同轉矩轉速的傳感器?！　‘敃r我國參考日本小野株式會社的轉矩轉速傳感器，研制出了利用磁電信號轉換和相位差原理，將機械變形量轉換成有一定相位差的電壓信號的精密儀器而制成了磁電轉換式轉矩轉速傳感器。與此同時，美國和德國也研制出一種以應變電阻計感應式轉矩轉速傳感器，這種傳感器以彈性應變軸受扭力影響而產生變形后，應變電阻值產生變化，利用電橋原理將其電阻值的變化轉變?yōu)殡妷盒盘柖敵鲞M行測量。由于轉矩轉速傳感器的結構不盡相同，故其在測量過程中的測量信號交換和輸出存在差異，所以其在轉矩轉速和功率動態(tài)測量中的應用也隨之產生不同精度的結果。故在不同的測量系統中應依據本身測量系統的特點和特征，合理選擇與其相適宜的轉矩轉速測量系統。正確選用轉矩轉速傳感器和數據處理系統，方可保證轉矩、轉速、功率等參數在動態(tài)中的最佳精度和結果?！　?、轉矩轉速傳感器的結構特征和工作原理　　(1) JZ型和NJ型轉矩轉速傳感器結構特征和工作原理　　JZ、 NJ型轉矩轉速傳感器(簡稱“傳感器”)是根據磁電轉換和相位差原理，將轉矩、轉速機械量轉換成兩路有一定相位差電壓信號的一種精密儀器，它與扭矩儀或扭矩卡配套使用，能直接測量各種動力機械的轉矩、轉速和機械功率，可以測量軸靜止狀態(tài)至額定轉速范圍的轉矩?！　∑涔ぷ髟砣鐖D1所示。在彈性軸的兩端安裝有信號齒輪，兩齒輪的上方各裝有一個信號線圈，在信號線圈內均裝有磁鋼，與信號齒輪組成磁電信號發(fā)生器。當信號齒輪隨彈性軸轉動時，由于信號齒輪的齒頂及齒谷交替周期性的掃過磁鋼的底部，使氣隙磁場產生周期性的變化，線圈內部的磁通量亦產生周期性變化，使線圈中感應出近似正弦波的交流電信號。這兩組交流電信號的頻率相同且與軸的轉速成正比，因此可以用來測量轉速;這兩組交流電信號之間的相位差與其安裝的相對位置及彈性軸所傳遞扭矩的大小及方向有關。當彈性軸不受扭力時，兩組交流電信號之間?！　〉南辔徊钪慌c信號線圈及齒輪的安裝相對位置有關，這一相位差一般稱為初始相位差。在設計制造時，外齒輪與內齒輪齒數相同但不嚙合，兩齒輪相差半個齒距左右，即兩組交流電信號之間的初始相位差在180°左右。彈性軸受扭時，將產生扭轉變形，使兩組交流電信號之間的相位差發(fā)生變化，在彈性變形范圍內，相位差變化的絕對值與轉矩的大小成正比。把這兩組交流電信號用專用屏蔽電纜線送入扭矩儀或通過扭矩卡送入計算機，即可測得轉矩、轉速及功率的精確值。　　為了提高測量精度及信號幅值，兩端的信號發(fā)生器由安裝在彈性軸上的外齒輪、安裝在套筒內的內齒輪、固定在機座內的導磁環(huán)、磁鋼、線圈及導磁支架組成封閉的磁路。套筒的作用是當彈性軸的轉速較低或者不轉時，通過傳感器的小電機經皮帶帶動套筒，使內齒輪反向轉動，提高內、外齒輪之間的相對轉速，以增加輸出信號幅度，保證轉矩測量精度?！　?2) JN和TQ系列扭矩傳感器的結構特征和工作原理　　扭矩傳感器扭矩數值的測量采用應變電測原理，當應變軸受扭力影響產生微小變形后，粘貼在應變軸上的應變計阻值發(fā)生相應變化，我們將具有相同應變特性的應變計組成測量電橋，應變電阻的變化即可轉變?yōu)殡妷盒盘柕淖兓M行測量。扭矩測量的主要原理見圖2。由于采用了能源與信號的無接觸耦合，實現了旋轉狀態(tài)下扭矩(轉矩)數值的測量。　　扭矩傳感器的軸上裝有測速碼盤，當測速碼盤連續(xù)旋轉時，通過光電開關輸出具有一定周期寬度的脈沖信號，根據碼盤的齒數和輸出信號的頻率，即可計算出相應的轉速。　　3、 磁電轉換式與應變電阻計傳感器的特點　　(1)磁電轉換式轉矩轉速傳感器的特點　　磁電轉換式轉矩轉速傳感器具有以下幾個特點：　　1)轉矩測量范圍寬，其轉矩測量范圍為0.2N·m～50000N·m， (超過50000N·m仍可訂做);　　2)過載能力大，其超載能力為額定轉矩的120%～150%，短時沖擊轉矩可達額定轉矩的300%;　　3)測量精度高，該類傳感器的精度范圍一般為0.1級和0.2級，即在全量程范圍內的測量誤差不大于0.1%和0.2%，另外，在超載或沖擊載荷卸載后，其零點讀數的誤差也不大于0.1%和0.2%。在其全量程的動態(tài)測量過程中數據波動小，測量誤差小;　　4)測量轉速范圍寬：可在(0～6000) r/min范圍內的任意一點進行零點調整(轉矩為零時)，調整點為在測量前消除一切外因造成的初始扭矩誤差，但在其測量轉速低于600r/min時應打開傳感器自帶電機，以提高信號齒輪間的相對轉速，保證其轉矩的測量精度;　　5)數據采集處理便捷。由于該類傳感器在測量使用前進行了先期零點調整，其動態(tài)測量時測出的數值基本與準確值無偏差，故便于與計算機聯機實現動態(tài)測量的真值顯示。保證了動態(tài)數據顯示的準確狀態(tài)和數據處理結果;　　6)便于恢復初始精度。很多測量用儀器和儀表使用一段時間后，在檢定時會出現誤差，一般需要調修或以誤差數據修正的辦法來恢復其精度。而該種傳感器只需在檢定時調整其零點系數(檢定時可確定變化后的系數)即可恢復其正常工作的精度;　　7)體積較大，重量略重。由于該類傳感器的磁電轉換部件的結構和材料的要求，故其體積略大、重量略重。近幾年一些制造廠家曾試圖用其他輕質材料代替了一部分磁電轉換部件的材料，但經使用發(fā)現其精度下降許多，不能滿足其測量精度的要求，目前該方法已不采用?！　?2)應變電阻式傳感器的特點　　1)轉矩測量范 圍 略 窄 于 前 者：一 般為50N·m～20000N·m;　　2)超載能力：超載能力為50%的額定載荷，對300%的沖擊載荷無該項功能;　　3)精度等級：一般該類傳感器的出廠明示精度為0.5級，即其測量誤差不大于0.5%;　　4)轉速測量范 圍廣：轉速測 量范圍 為(0～6000) r/min，但可在任意轉速下直接測量無需做零點調整，由于該傳感器用光電盤的測量原理，使轉速測量簡單便捷;　　5)數據處理需修正：由于該類傳感器為應變電阻式電橋電壓輸出，故在其使用一般時間后檢定時，按檢定規(guī)程規(guī)定的數據分檔測出每檔誤差值，在測量使用時需用每一數據檔的誤差去修正讀數，以保證測量精度;　　6)初始精度恢復：由于只可采用檢定誤差的修正法保證其精度再現，故難以恢復初始精度;　　7)重量輕、體積小：由于該傳感器擺脫了磁電轉換過程所需的結構和材料，故減輕了重量、縮小了結構?！　?、轉矩轉速傳感器在動態(tài)測量中怎樣提高其測量精度　　(1)合理選擇傳感器精度　　在實際測量和檢測工作中，一般是根據檢測和測量工作的區(qū)別和要求，合理選擇所用儀器儀表的精度。一般來講，儀器的精度越高其價格越貴，使用條件越嚴格，故檢驗成本越高。即選擇傳感器的精度應滿足被檢測項目或工作要求的精度，該項要求是我們開展檢測工作前選用轉矩轉?！　∷賯鞲衅骶扰渲玫年P鍵。當確定了檢測工作所需要的精度和水平后再合理地選擇轉矩轉速傳感器的精度，是保證測試系統整體測量精度的條件之一。所以根據檢驗工作的性質不同，選擇適宜精度的傳感器是較經濟且合理的選擇。當然，精度是相對而言，如果要想盡量提高測試精度，只選擇最高精度的儀器和設備是不夠的，還要保證測試系統整體安裝的精度，同時還要保證在動態(tài)測試中控制條件可能的穩(wěn)定，減少系統的波動，才能保證較高精度的測試結果。另外，由于轉矩轉速傳感器在測量中還要與顯示儀表配套使用，從而構成轉矩轉速的測量閉環(huán)，可顯示儀表沒有精度等級的分級，只可調整其小數點的位置，所以在儀表(一般儀表顯示為六位)保證最大數位為平均測試的最大數值位，由于儀表顯示為一秒鐘一次，讀數時應讀出儀表顯示數較多次，且相對平均數據，為測量記錄數據。這些是提高在動態(tài)測量中精度的有效手段?！　?2)選擇合理的量程范圍是提高測量精度的關鍵　　一般的儀器和儀表是在其量程范圍的30%～100%時精度較高，但考慮到轉矩轉速傳感器的超載能力和精度范圍，故選用所測參數范圍在所用傳感器量程范圍30%～120%最好。例如：假若此次測量的額定轉矩為550N·m，我們可選用500N·m或1000N·m兩種轉矩轉速傳感器。選用500N·m傳感器是考慮到500N·m傳感器可以超載到600N·m，且仍能保證其測量精度，選用1000N·m是因為550N·m測量精度超過了1000N·m轉矩轉速傳感器30%的量程下限，故可以選用。這樣既保證充分使用了傳感器能力，又保證了測量精度?！　?3)測量用傳感器的安裝精度不容忽視　　由于傳感器多用于動態(tài)測量中，故該儀器在測量系統中與被測設備連接安裝的同軸度要求較高。一般其規(guī)定的傳感器與被測機聯軸器的同軸度誤差不大于0.05mm。同時如果同軸度誤差較大時，儀器在其測量初期就會有一個初始的彎曲扭矩，而該彎曲扭矩就會相對于測量過程中與其他轉矩轉速傳感器來說，更為突出的主要原因是該類型傳感器沒有測量前的動態(tài)調零功能。假如轉矩轉速傳感器與被測樣機聯軸器安裝時間同軸度誤差較大，在測試過程中，首先會發(fā)生零點數據波動(跳動)較大，這樣可造成測量過程中的測出數據波動較大，而后還會發(fā)生測試完成后的原初始零點飄移現象，從而造成測量精度下降，如不加以糾正，還可造成轉矩轉速傳感器的失準甚至損壞，所以我們在系統中做動態(tài)測量使用轉矩轉速傳感器時，應盡量采用柔性或彈性連接系統，如必須使用鋼性連接，就應盡量保證其安裝時的同軸度，誤差不大于0.05mm。這樣能保證數據盡可能準確。　　5、轉矩轉速傳感器的發(fā)展方向　　隨著動力傳動設備的發(fā)展要求，其動態(tài)測量系統正在向大功率、多轉速的方向發(fā)展。隨著變頻調速設備應用的范圍越來越廣，而變頻控制系統和輸送電能的電線電纜，都會對目前靠電磁及電壓信號傳輸測量數據的儀器儀表造成干擾，所以需要不斷提高測量儀器儀表的抗干擾能力。近幾年，我國相繼把抗干擾能力的檢測列入到許多家用電器和高精尖的儀器儀表的檢驗項目中，抗干擾試驗室也先后在蘇州和上海建立，今后的許多檢測用儀器和儀表將會不斷地提高其抗干擾能力，以保證在測量過程中的穩(wěn)定性和精度。隨著光電技術的發(fā)展，很多測量信號可由光電信號輸出這樣即保證了測量信號的穩(wěn)定性，同時又提高了其抗干擾的能力，不斷提高我國動力傳輸設備的測量技術和測量水平。