高精度動態扭矩儀的設計

孔祥飛 徐丹輝 紀永剛 王松亭 張立 劉承文

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

一、前言

隨著社會的發展，動力機械的發展越來越快，扭矩、轉速和軸功率是旋轉動力機械的重要工作參數。若能準確、可靠、方便地測出受試機械的平均或瞬時的扭矩值、轉速和功率，這將有利于改進和提高機械設備的性能，同時可作旋轉動力機械日常運行的監測，起到故障診斷或可用作自動控制系統的檢測裝置，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、耐用的旋轉動力測量動態扭矩傳感器。

二、扭矩傳感器設計原理

非接觸式扭矩測量方法是在扭矩傳遞系統中測量驅動側金屬旋轉體與從動側金屬旋轉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置有凹凸狀的標記部的所述金屬旋轉體分別以非接觸的方式鄰近配置由電磁線圈構成的檢測元件，在所述檢測元件與所述金屬旋轉體之間引起電磁感應，并且通過測量所述檢測部中的感應負荷來檢測所述檢測部與所述金屬旋轉體之間的相對相位偏差以及所述標記部的位置，通過隨著扭矩傳遞測量在所述兩個金屬旋轉體產生的所述標記部的旋轉速度以及旋轉相位差進行運算處理，計算出傳遞扭矩值。

本設計以彈性體聯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，并通過對應兩個信號測試點設置的信號接收器，非接觸地獲取主動部分呢被動部分在轉動時的相對位置及其運動（轉速轉向）信號。

應用彈性體聯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，制作該聯軸器的靜態扭矩與主動半和被動半之間相對位移的關系圖表，將該關系表輸入信號處理信息系統作為基礎數據表，在對不同狀態，參數下的各種分量分別描制出各種相對應的數據表。

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，該參數與基礎數據對比可得到該機械傳動的瞬時扭矩數據。

信號接收器可采用光感應、電磁感應等各種類型。推薦采用電磁類型，它具有結構更簡單和獲取信號更可靠和高效的特點。當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軸器上原有的凹凸點作為信號測試點。為此我們設計成三個等距離段分別進行測試和數據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速數據，并且根據軸功率與扭矩、轉速的關系推導出機械傳動的即時軸功率。

本設計對金屬旋轉體僅增設凹凸狀的標記部，無需組裝應變儀、磁性圓盤等檢測體，因此，不會由于旋轉負荷而在檢測體上發生故障、異常。另外，能夠大幅度削減扭矩檢測所需的部件數、組裝工時。另外，凹凸狀的標記部較為微小，因此構造簡單，無需設置為密閉構造。另外，對于檢測部的配置而言可以增大自由度、調整靈活。

三、動態扭矩的計算與分析

我們采用非接觸式扭矩測量方法測量作為扭矩傳遞系統的聯軸器中的驅動側金屬旋轉體與從動側金屬旋轉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整修正測量誤差，提高測量精度。

1、中心檢測

根據現有的用于周期計算的基準點計算方法，將標記部的數據脈沖化，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點（中心的基準點），能夠考慮到抽樣數據量的變化，從而提高基準點檢測精度。

首先我們先抽樣數據作為計算對象數據求出中心點值。針對求出計算對象數據的合計，從合計數據的中心處依次減去各計算對象數據，將加法運算結果為零以下時刻的計算對象數據作為包含中心的抽樣數據。然后，根據該包含中心的抽樣數據與剩余差值的比例，求出抽樣時間內的位置作為中心測量基準值。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，可以根據旋轉速度等使用條件進行最適當的時間設定。

2、可變閾值

在現有的方法中，所有設備都使用者確定閾值，設定在寄存器中，但是在由于旋轉而發生偏心的情況下或者軸向上發生位移的情況下，預計傳感器數據的基礎值發生變化，設定的閾值會偏離正常條件。因此，通過反映當前的基礎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扭矩的精度及偏移誤差等參數。針對一組比例脈沖波形頻率和相位相一致，當轉動開始產生扭矩后，主動半與被動半之間隨著彈性體的扭矩而產生了相對相位差的脈沖波形如圖2。經理論分析與計算分析，此方法簡單易行，穩定可靠，大大提高了動態扭矩的測量精度和穩定性。

四、結束

本設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，且設計結構緊湊、動態扭矩測量的精度高、抗干擾能力強、性價比高等特點，具有廣泛的應用及社會意義。

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