扭矩测力技术及传感器选型

扭矩测力技术及传感器选型

         关键词： 动态扭矩测量 动态扭矩传感器 扭矩显示控制器 扭矩传感器变送器 旋转编码器 防水防腐扭矩传感器 电动力测量 扭矩校准

在现代生产和生活中，扭矩测量是随处可见的。从普通的电机，发动机到高端的航空航天都需要测量扭矩。扭矩是现代化工业生产中的一个重要数据，对于产品的研究开发、测试分析、质量检验、型式鉴定和节能、安全或优化控制具有重要意义。

测量扭矩的传感器、仪器和装置已成为科研单位、院校、工厂实验室或检验部门的必备测试工具；也是计算机控制的生产或试验系统中提供扭矩信息所必需的组成部分。

随着生产生活要求的提高，传统的低精度测量仪器已不能满足人们的需要，现在的测量仪正在朝着高精度、宽测量范围、小体积、低价格等方向发展。下面我们就来分析一下现代高速、高精度、高可靠性的一流水平扭矩测力系统所用的传感器和仪表的选型问题。

一、 常见的扭矩测量场景。

1-1.带有扭矩输出功能的伺服马达测量

 

 

在旋转编码器和马达之间插扭矩传感器，即可构成带有扭矩输出能的伺服马达。

可用于带有测力功能的机械手、过载检测等各种应用方案。

1-2.齿轮咬合状态检测

 

使用配有旋转编码器的扭矩传感器，可以根据旋转角度输出扭矩信号。

可用于自动化运行检查的场景。

 

1-3.马达测试机

 

 

1-4.搅拌器测量

 

通过测量搅拌过程中对于搅拌叶轮轴施加的负载扭矩，根据搅拌扭矩数值的变动，可以掌握化学工艺中混合操作、反应操作引起的粘度变动。

1-5.带有扭矩测量的螺丝紧固机

 

 

 

通过同轴上的扭矩传感器可以在紧固螺丝的同时测量扭矩数据。 在紧固紧固螺丝的同时，始终可以进行紧固作业的检查并对扭矩进行管理。可以应用于螺丝紧固机器等的自动控制。

 

 

1-6. 马达效率测试

 

 

 

除了上述这些场景，还有很多应用。比如，纺织厂造纸厂辊子的转动负荷测量；零部件制造装配企业对轴承等运动部件的制造装配品质的检测；发电系统对发电效率的测量；传送带状态的监测；电缆钢缆耐用性实验等等。

 

二、 扭矩传感器的选择。

   扭矩传感器，（又称力矩传感器、扭力传感器、转矩传感器、扭矩仪）分为动态和静态两大类，其中动态扭矩传感器又可叫做转矩传感器、转矩转速传感器、非接触扭矩传感器、旋转扭矩传感器等。 扭矩传感器是对各种旋转或非旋转机械部件上对扭转力矩感知的检测。扭矩传感器将扭力的物理变化转换成精确的电信号。扭矩传感器可以应用在制造粘度计，电动（气动，液力）扭力扳手，它具有精度高，频响快，可靠性好，寿命长等优点。

咱们在这说的扭矩传感器是动态扭矩传感器，不包含静态扭矩传感器。

        按照信号传递方式不同扭矩传感器可分为：集流环式，耦合式，光电式，调频发射机式。

集流环式（又称滑环式等）是一种最常见的扭矩传感器形式，优点是数量多，价格经济。缺点是无法进行长期连续中高速运行，需要定期更换配件，使用寿命受限，信号噪声较大。

    耦合式，是人们为克服滑环式的缺点而出的一种方案。但是由于轴承及变压器易碎，最大旋转速度仍然受限，另外初级和次级线圈对噪声和误差的引入，系统精度受影响，并且其需要特殊信号处理电路，导致其成本比滑环式提高很多，但性能提升有限。

光电式，随着电子技术的进步，人们将光电技术应用到扭矩传感器技术中。由于其是光电原理，所以也是非接触测量，同时由于其信号时数字信号，先天就具有抗干扰能力强的优点。另外由于光电换能器可以被配置为不安装轴承，所以可以真正做到免维护、不磨损和不需要拖拽传感器，最高转速也大大提高，最高可达25000rpm，并且可以进行长期稳定的测试。缺点是价格同滑环式相比较为昂贵。此类传感器是目前高速扭矩传动的******方案。

 调频发射机式，是利用无线调频发射技术设计的一类扭矩传感器，主要是HBM和美国LEBOW在使用，优点是可以通过压缩数据的方式提高传输速率，并且可以多通道并行。缺点是高频响数字方式还有很大局限性，电池供电方案存在缺陷不适用于长期测试，高速时易发生动平衡问题，尤其是在小量程和小直径轴上，另外还存在抗电磁干扰特性稍差。

综上所述，随着电子技术的发展，硬件成本的下降，现代工业对产品质量和效率的高要求，光电式扭矩传感器凭借突出的技术优势，将会成为扭矩传感器的主要发展方向。

光电式扭矩传感器无疑是这几种类型里面综合性能******。下面我们以日本UNIPULSE品牌的UTMⅡ为例进行分析。

下图为UTMⅡ系列传感器的外观。

 

 

UTMⅡ特长：

 

1. 产品规格囊括0.05Nm~10000Nm。

2. 可测量扭矩脉动率

3. 容许过载500%

4. 可输出±5V的模拟电压，无需外接电路，系统结构轻巧。

5. 标准配置旋转检测专用脉冲输出（4脉冲/转），也可加装编码器（最高2000分度）选配件，进行        高精度测量。

6. 电源系统与信号系统绝缘，大幅度降低了干扰的影响。 其成本比滑环式提高      很多，    但性能提升有限。

 7. 非接触式，免维护。没有电刷等接触部分，不需要定期维护和更换零件

 8 .设计轻巧，易于嵌入设备。小型轻便，重量最小时不到200g

9.   高精度、稳定性好。实现了1/10000以上的精度，优秀的零点稳定性。微小扭矩也能实现高精度          测量。

10.  模拟频带1kHz、AD转换速度6kHz的高速反应

11. 启动扭矩小。启动扭矩非常小，最小只有0.00001Nm，从静态测量到高转速小的扭矩测量，均            可实现精确测量。

12.  最高转速可达25000rpm。

13.  配有型号丰富的专用测量仪表。

14.  主轴安装灵活。有光轴形式，带键槽形式，方头形式（从左到右顺序）。

 

还有防滴防锈系列扭矩传感器UTMV，方便在风车水车等室外淋上海水雨水的恶劣环境中使用，同时还有特氟隆密封结构的可以在尘埃/油雾等环境下使用。

 

 

另外UNIPULSE还为UTMⅡ/UTMV系列扭矩传感器研发了高性能的UCM/UCS联轴器，能够高精度固定轴和轴，其橡胶型能够吸收并减弱高速旋转带来的振动。

三、 扭矩测力仪表的选择。

 

扭矩测力仪表，又称扭矩测量仪等。目前国内扭矩测量技术的研究和扭矩测量仪的生产已初具规模，但在类别、数量还是质量同国外相比上还有很大差距。国内的扭矩测力仪表绝大多数都还停留在显示报警这一水平上，在性能和使用上还有很大发展空间。下面我们看一下日本UNIPULSE带来的世界一流水平的扭矩测力仪表吧。

 日本UNIPULSE为其UTMⅡ/UTMV系列扭矩传感器研发了专用的一系列测力仪表，如TM200/TM301/TM400/TM500/TM700/UPM100。当然也有也为一些输出信号为标准模拟量信号的扭矩传感器提供了F388A/F377A仪表。

 

 

 

 

 

 

 

    此外为了更便于现场人员操作和记录分析测量数据，UNIPULSE为TM201/TM301/TM400TM700仪表专门开发了PC计算机管理软件，可通过USB端口连接。

 

 

 

四、 其他扭矩测量系统

 

4-1. 扭矩校准系统UTS

扭矩校准用于正确的扭力测定器比较进行，校准设备从一开始上就已经设计到不会发生UTMⅡ/UTMV以外的扭力作用。UTMⅡ/UTMV系列种类丰富（0.05Nm~10000Nm），UTS校准设备也是按照这些系列设计并制造，并通过日本产业技术综合研究所管理的标准扭矩发生器进行校准。

 

 

 

 

4-2. TB系列实验台

TB系列是电机和制动器测试实验平台。由以UTMⅡ为核心组成的一个硬件系统，根据使用目的，也可以配合转矩监视外设（TM系列）构成一个独立的测控系统。

 

 

 

 

五、 结语

 

        通过日本UNIPULSE品牌下的UTMⅡ/UTMV系列扭矩传感器和TM系列测力仪表，我们可以发现，现在国内同类产品距离国际一流水平还是有很大差距的。同样可以看出一流的扭矩测量传感器在确保高精度，高稳定性和可靠性的基础上，使用寿命的延长和免维护方面也取得巨大进展，同时也在向着高转速多功能性（不仅能测扭矩还能同时测量转角，转速等相关信息）和小型化方向继续努力。仪表方面未来的趋势就是智能化，网络化和强大的数据处理能力，而这三点国内仪表还很弱（如大部分国产仪表还是数码管显示，无法做到波形化显示，这对于人机交互和数据分析极为不利，其背后隐藏着的根本原因是数据的采集，处理和算法控制上的短板）。希望国内相关技术能够早日取得突破，让国人早日用上自己的国产“母机”。

     随着产业的转型升级，现代化的工业生产要求越来越精细，越来越高。当你面对纷繁复杂的扭矩测量现场一筹莫展的时候；当你对以往的扭矩测量方案不满意的时候；当你发现更好的扭矩测量解决方案的时候，都请来联系我们，让我们一起在交流切磋中共同成长，让我们的生产更加顺畅高效。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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