扭矩傳感器是一種用于檢測(cè)軸系統(tǒng)扭矩的精密測(cè)量?jī)x器，分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)。動(dòng)態(tài)扭矩傳感器可以連續(xù)測(cè)量正反轉(zhuǎn)矩，也可以用于靜態(tài)測(cè)量。例如，在校準(zhǔn)動(dòng)態(tài)扭矩傳感器時(shí)，采用靜態(tài)測(cè)量。校準(zhǔn)試驗(yàn)機(jī)采用懸臂結(jié)構(gòu)，通過(guò)增加重量校準(zhǔn)扭矩傳感器的精度，出具驗(yàn)證書；靜態(tài)扭矩傳感器不能用于動(dòng)態(tài)測(cè)量。此外，動(dòng)態(tài)扭矩傳感器可以選擇速度測(cè)量功能來(lái)計(jì)算功率。
目前，優(yōu)質(zhì)扭矩傳感器是進(jìn)口的，國(guó)內(nèi)扭矩傳感器也有優(yōu)質(zhì)品牌。然而，無(wú)論是進(jìn)口還是國(guó)內(nèi)，安裝和使用不當(dāng)都可能導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果精度低，甚至扭矩傳感器損壞。因此，本文討論了扭矩傳感器的工作原理和安裝方法，特別是選擇不同安裝方法的扭矩傳感器聯(lián)軸器，以指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)人員使用扭矩傳感器。
扭矩傳感器的常見工作原理。
動(dòng)態(tài)扭矩傳感器按信號(hào)傳輸方式可分為接觸測(cè)量和非接觸測(cè)量，兩者都應(yīng)克服旋轉(zhuǎn)絞線的問(wèn)題。在動(dòng)態(tài)測(cè)量過(guò)程中，測(cè)量元件需要將信號(hào)線從旋轉(zhuǎn)軸引出到固定殼體的控制電路進(jìn)行信號(hào)處理。若由集流環(huán)和碳刷(類似于電機(jī)電刷)引出，則為接觸式；若采用電、磁、光傳感原理，則直接傳輸信號(hào)號(hào)而不是集流環(huán)和碳刷，即非接觸測(cè)量，下面會(huì)詳細(xì)說(shuō)明。根據(jù)材料力學(xué)，當(dāng)一個(gè)軸施加扭矩時(shí)，會(huì)導(dǎo)致扭矩變形，包括兩個(gè)物理量，一個(gè)是扭轉(zhuǎn)角，另一個(gè)是最大剪切應(yīng)力或應(yīng)變；只要測(cè)量其中一個(gè)，軸系的扭矩就可以根據(jù)相關(guān)的計(jì)算公式獲得，所以根據(jù)這個(gè)測(cè)量原理，可以分為扭轉(zhuǎn)角測(cè)量和應(yīng)變測(cè)量。
1.1應(yīng)變測(cè)量原理。
最傳統(tǒng)的應(yīng)變測(cè)量方法是粘貼電阻應(yīng)變片。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，除了電阻應(yīng)變片，還有許多新方法，如聲表波測(cè)應(yīng)變、壓電測(cè)應(yīng)變和致伸縮效應(yīng)測(cè)應(yīng)變，但其測(cè)量本質(zhì)是獲得應(yīng)變值。
傳統(tǒng)的電阻應(yīng)變片扭矩傳感器將應(yīng)變片組成橋，粘貼在彈性軸上45°和135°。當(dāng)彈性軸扭矩時(shí)，扭轉(zhuǎn)變形會(huì)導(dǎo)致橋梁電阻的變化，應(yīng)變橋梁電阻的變化會(huì)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)的變化。從旋轉(zhuǎn)軸傳輸?shù)焦潭んw的信號(hào)主要包括碳刷接觸、電磁感應(yīng)和無(wú)線傳輸。
1.2角度測(cè)量原理。
磁感測(cè)量原理。
安裝扭矩傳感器時(shí)的注意事項(xiàng)。
不同安裝結(jié)構(gòu)的扭矩傳感器選擇不同的聯(lián)軸器，對(duì)其精度和使用壽命有很大影響。
由于加工基準(zhǔn)不同，兩個(gè)軸端在裝配過(guò)程中不可避免地會(huì)出現(xiàn)軸偏差，包括徑向偏差、軸向偏差和角度偏差。
扭矩傳感器的結(jié)構(gòu)形式。
動(dòng)態(tài)扭矩傳感器主要采用普通鍵連接、法蘭連接、光軸夾緊軸套等安裝方式。調(diào)整同軸度，然后再安裝扭矩傳感器。雖然彈性聯(lián)軸器可以補(bǔ)償安裝誤差，但一旦軸系統(tǒng)處于工作狀態(tài)，負(fù)載變形或高速運(yùn)行引起的振動(dòng)變形會(huì)加劇不同的軸度。因此，為了使聯(lián)軸器在可補(bǔ)償誤差范圍內(nèi)工作，延長(zhǎng)聯(lián)軸器的使用壽命，必須將同軸度調(diào)整到更好的范圍，一般小于0.05毫米。不同結(jié)構(gòu)的扭矩傳感器選擇不同的聯(lián)軸器。
常見的聯(lián)軸器包括剛性聯(lián)軸器和柔性聯(lián)軸器。剛性聯(lián)軸器不具備補(bǔ)償同軸度誤差的能力，而柔性聯(lián)軸器具有補(bǔ)償同軸度誤差的能力，包括軸向誤差、徑向誤差和角度誤差。剛性聯(lián)軸器連接兩個(gè)軸后，如果同軸度不好，會(huì)使軸強(qiáng)制彎曲變形，對(duì)軸承等支撐部位施加額外載荷，增加軸系的撓度，高速增加系統(tǒng)振動(dòng)。柔性聯(lián)軸器分為半耦合(單彈體)和全耦合(雙彈體)。半耦合只補(bǔ)償軸向和角度偏差。全耦合可以補(bǔ)償軸向誤差、徑向誤差和角度向差。常見的半耦合聯(lián)軸器是單膜聯(lián)軸器，其余為全耦合。
聯(lián)軸器分為軸式無(wú)底座扭矩傳感器、軸式無(wú)底座扭矩傳感器和法蘭扭矩傳感器。
軸式無(wú)底座扭矩傳感器。
無(wú)底座扭矩傳感器有兩種安裝方式。一種是使用兩個(gè)單耦合聯(lián)軸器，如單膜聯(lián)軸器。二是扭矩傳感器一端采用剛性連接，另一端采用彈性柱銷聯(lián)軸器、梅花聯(lián)軸器、雙膜聯(lián)軸器等雙耦合聯(lián)軸器。
軸帶底座扭矩傳感器。
安裝時(shí)，底座用螺釘固定在底座上，扭矩傳感器兩端的軸承支撐；兩個(gè)軸端都有固定約束，包括角偏、徑偏和軸偏，因此每個(gè)軸端都需要一個(gè)全耦合(雙彈體)聯(lián)軸器，如雙膜聯(lián)軸器。
法蘭扭矩傳感器。
該扭矩傳感器由法蘭和外殼組成，兩者分離。法蘭與軸系統(tǒng)連接，外殼固定在底座上傳輸數(shù)據(jù)。其聯(lián)軸器的選擇可選無(wú)座扭矩傳感器，即一端剛性連接時(shí)，另一端采用雙膜聯(lián)軸器等全耦合(雙彈體)連軸器；或者兩端采用半耦合(單彈體)。
綜上所述，當(dāng)扭矩傳感器的軸端完全受到約束時(shí)，選擇全耦合(雙彈體)連軸器；軸端可以自由選擇兩個(gè)半耦合(單彈體)聯(lián)軸器，或者一端剛性連接，另一端選擇全耦合(雙彈體)連軸器。
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