光栅动扭传感器设计文献综述
2020-04-14 21:45:47
在工业生产中,机械传动系统的实时监控和损伤识别一直是实际生产应用中的重要环节。扭矩作为表征传动轴的性能和工作状态的参数,可以直接反映整个机械系统的工作状态,其测试技术已成为各种机械产品的开发研究、质量检验、优化控制、工况监测和故障诊断等必不可少的手段。随着科学技术的进步和生产的发展,扭矩测量技术有着广阔的应用前景,同时,在激烈的市场竞争下,对扭矩传感器也提出了更高的要求:由静态测试转向动态在线
检测;由间接测量转向直接测量;由单功能转向多功能,包括自补偿、自修正、自适应、自诊断、远程设定、状态组合、信息存储和记忆;要求系统微型化、数字化、智能化、虚拟化和网络化;要求扭矩的检测与动力装置的控制相结合,达到转速、扭矩、输出功率的优化配置。
目前对扭矩测量按照时间历程可分为静态扭矩测量和动态扭矩测量,其测量方法按照基本原理可以分为传递法、平衡力法及能量转换法三类。传递法,是根据弹性元件在传递扭矩时,所产生的物理参数的变化而测量扭矩的方法。这里的物理参数可以是弹性元件的变形、应力或应变,最常用于测量扭矩的弹性元件是扭轴;平衡力法,是测量机体上的平衡力矩以确定机器主轴上作用扭矩大小的方法;能量转换法,是根据其它能量参数测量机械能参数及扭矩的方法。在能量转换法中,扭矩测量通常为间接测量。根据转矩信号的传输方式不同,又可分为接触式和非接触式两种。
目前,虽然国内外研制和开发的扭矩传感器种类很多,使用环境和需求也各不一样,但从原理上讲,主要有以下几种:
1、应变型扭矩传感器
此类传感器是目前国内外使用最多的一种,它采用在旋转轴表面贴应变片的传统方法,利用适当的电路取得信号,然后进行分析处理。此种传感器因成本低廉和操作简便仍广泛使用在静态和低速旋转系统的扭矩测量上。过去采用较多的是集流环传输扭矩信息的方法,因其触头的磨损和接触电阻的变化,影响到传感器的测量精度和使用寿命,而且存在着较大的噪声。随着大规模集成电路、固体模块器件及微型电路的发展,国内外相继推出了无线电遥测技术在旋转轴扭矩测量上的应用。仅就国内情况而言,具有代表性的有三种:
(1)洛阳工学院等单位研制的在线动态扭矩测试仪。将检测及发射电路集中在一块 20mm×35mm 印刷电路板上,与传感器固接在一起,随传感器一起转动。它将扭矩信号转换成电信号,由发射装置发出与扭矩成正比关系的频率信号,经接收器和处理电路转换成电压,数字显示瞬时扭矩的大小,且当扭矩超过设定值时,仪器报警以保护设备。
(2)北京冶金一局超硬材料研究所研制的环形变压器供电的应变式扭矩传感器是在应变传感器的基础上设计了一组旋转变压器,实现了能源的非接触传递。信号的传递采用无线遥测的方法,做到了扭矩信号的传递与是否旋转、转速大小、旋转方向无关。将专用的应变片用应变胶粘贴在被测弹性轴上并组成应变桥路,向应变桥提供电源即可测出该轴受扭的电信号。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。
电阻应变式传感器的信号传输,无论采用滑环还是无线方式,都存在不足之处。对于滑环方式会受到接触电阻变化的影响,而无线传输因发射天线或线圈随轴转动,会造成接收装置接到的信号强度发生变化,有时甚至会失去信号。
2、磁弹性型扭矩传感器,以磁弹性器件为敏感元件,这种传感器利用磁弹性元件在受到机械应力作用时,其材料的磁性发生改变,尤其是材料的材料的磁导率发生变化来进行测量。根据这个变换原理,可以制成各种不同类型的磁弹性扭矩传感器。