扭矩是在工廠車間許多設(shè)備中的重要因素。測量扭矩時通常會出現(xiàn)與實際測量值不一致，這可能導(dǎo)致測量系統(tǒng)的設(shè)計不足。本文介紹了許多技術(shù)和扭矩測量技術(shù)之間的權(quán)衡。

扭矩可分為靜態(tài)或動態(tài)兩大類。用于測量扭矩的方法可以進一步分為兩類，即反作用或在線。了解要測量的扭矩類型以及可用的不同類型的扭矩傳感器，將對結(jié)果數(shù)據(jù)的準確性以及測量成本產(chǎn)生深遠的影響。

在討論靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與動態(tài)轉(zhuǎn)矩時，通常的方法是先了解靜態(tài)力與動態(tài)力之間的差異。簡單地說，動態(tài)力涉及旋轉(zhuǎn)加速度，而靜態(tài)力不涉及旋轉(zhuǎn)加速度。

牛頓第二定律描述了動力與加速度之間的關(guān)系。F = ma（力等于質(zhì)量乘以加速度）。由于汽車必須減速，因此以其巨大的質(zhì)量停止汽車所需的力將是動態(tài)力。制動鉗為停止該轎廂而施加的力將是靜態(tài)力，因為所涉及的制動襯塊沒有加速。

扭矩只是旋轉(zhuǎn)力或一定距離的力。根據(jù)前面的描述，如果沒有角加速度，則將其視為靜態(tài)。由于沒有旋轉(zhuǎn)并且因此沒有角加速度，因此由時鐘彈簧施加的扭矩將是靜態(tài)扭矩。通過汽車驅(qū)動軸在高速公路上以恒定速度行駛時傳遞的扭矩將是旋轉(zhuǎn)靜態(tài)扭矩的一個示例，因為即使有旋轉(zhuǎn)，在恒定速度下也沒有加速度。

汽車發(fā)動機產(chǎn)生的扭矩既可以是靜態(tài)的也可以是動態(tài)的，具體取決于測量的位置。如果在曲軸上測量扭矩，則隨著每個氣缸點火并且其活塞旋轉(zhuǎn)曲軸，動態(tài)扭矩波動會很大。

如果在驅(qū)動軸中測量扭矩，則該扭矩將幾乎是靜態(tài)的，因為飛輪和變速箱的旋轉(zhuǎn)慣性將抑制發(fā)動機產(chǎn)生的動態(tài)扭矩。即使涉及旋轉(zhuǎn)加速度，啟動車窗玻璃（記住那些？）所需的扭矩也將是靜態(tài)扭矩的一個示例，因為曲柄的加速度和旋轉(zhuǎn)慣量都非常小，因此與車窗運動中涉及的摩擦力相比，動態(tài)扭矩（扭矩=旋轉(zhuǎn)慣量x旋轉(zhuǎn)加速度）可以忽略不計。

個示例說明了這樣一個事實，即對于大多數(shù)測量應(yīng)用程序，靜態(tài)和動態(tài)扭矩都會在某種程度上涉及到。如果動態(tài)扭矩是總扭矩的主要組成部分或是所關(guān)注的扭矩，則在確定如何測量時必須特別注意。

反作用力與串聯(lián)

扭矩串聯(lián)扭矩測量是通過在扭矩傳遞組件之間插入扭矩傳感器進行測量的，非常類似于在套筒和套筒扳手之間插入延伸件。轉(zhuǎn)動所需的扭矩將直接由延伸件承擔(dān)。這種方法允許將扭矩傳感器放置在盡可能靠近目標扭矩的位置，并避免測量中可能出現(xiàn)的誤差，例如軸承產(chǎn)生的摩擦力，外來負載以及旋轉(zhuǎn)慣量大的組件，這些組件會衰減任何動態(tài)扭矩。

圖1：簡單的扭矩測量

從上面的先前示例中，可以通過在曲軸和飛輪之間放置一個在線扭矩傳感器來測量發(fā)動機產(chǎn)生的動態(tài)扭矩，從而避免飛輪的旋轉(zhuǎn)慣性和變速器的任何損失。為了測量驅(qū)動車輪的幾乎靜態(tài)的穩(wěn)態(tài)扭矩，可以在車輛的輪輞和輪轂之間或驅(qū)動軸中放置一個在線扭矩傳感器。由于典型扭矩驅(qū)動線和其他相關(guān)組件的旋轉(zhuǎn)慣性，在線測量通常是正確測量動態(tài)扭矩的一種方法。

反作用扭矩傳感器利用牛頓第三定律：“對于每個動作，都有相等且相反的反作用”。要測量電動機產(chǎn)生的扭矩，我們可以如上所述進行在線測量，也可以測量防止電動機旋轉(zhuǎn)所需的扭矩，通常稱為反作用扭矩。

圖2：扭矩傳感器的位置很重要

測量反作用扭矩避免了在旋轉(zhuǎn)應(yīng)用中將傳感器與傳感器進行電氣連接的明顯問題（如下所述），但確實存在其自身的一系列缺點。通常需要反作用扭矩傳感器來承載大量的外部負載，例如電動機或至少一些傳動系統(tǒng)的重量。這些負載可能導(dǎo)致串?dāng)_錯誤（傳感器對負載的響應(yīng)不是預(yù)期的負載），有時會降低靈敏度，因為傳感器必須超大尺寸才能承載多余的負載。在線和反作用這兩種方法對于靜態(tài)扭矩測量都將產(chǎn)生相同的結(jié)果。

在旋轉(zhuǎn)應(yīng)用中進行在線測量幾乎總是會給用戶帶來將傳感器從旋轉(zhuǎn)環(huán)境連接到固定環(huán)境的挑戰(zhàn)。有許多選項可以實現(xiàn)此目的，每種選項都有自己的優(yōu)點和缺點。

在旋轉(zhuǎn)傳感器和固定式電子設(shè)備之間建立連接的方法是滑環(huán)。它由一組隨傳感器旋轉(zhuǎn)的導(dǎo)電環(huán)和一系列與這些環(huán)接觸并傳輸傳感器信號的電刷組成。

滑環(huán)是一種經(jīng)濟的解決方案，可在各種應(yīng)用中發(fā)揮良好的作用。它們是一種相對簡單，經(jīng)過時間驗證的解決方案，在大多數(shù)應(yīng)用程序中只有很小的缺點。刷子（在較小程度上是指環(huán)）是使用壽命有限的磨損物品，不適合長期測試或不易于定期維護的應(yīng)用。

圖3：滑環(huán)是一種經(jīng)濟的解決方案

在低速至中速時，環(huán)和電刷之間的電氣連接相對無噪聲，但是在較高速度時，噪聲會嚴重降低其性能。滑環(huán)的轉(zhuǎn)速（rpm）由電刷/環(huán)界面處的表面速度確定。結(jié)果，由于滑環(huán)的直徑必須較大，因此在給定的轉(zhuǎn)速下具有較高的表面速度，因此對于較大的，通常是較高扭矩容量的傳感器，工作速度將較低。

對于中等量程的扭矩傳感器，典型的速度將在5,000 rpm的范圍內(nèi)。最后，電刷環(huán)界面是阻力轉(zhuǎn)矩的來源，這可能是一個問題，尤其是對于非常低的容量測量或驅(qū)動轉(zhuǎn)矩難以克服電刷阻力的應(yīng)用。

旋轉(zhuǎn)耦合器

為了克服滑環(huán)的某些缺點，設(shè)計了旋轉(zhuǎn)耦合器系統(tǒng)。它使用旋轉(zhuǎn)耦合器將功率傳輸?shù)叫D(zhuǎn)傳感器。外部儀器通過勵磁耦合向應(yīng)變計橋提供交流勵磁電壓。然后，傳感器的應(yīng)變計電橋驅(qū)動第二個旋轉(zhuǎn)耦合線圈，以便從旋轉(zhuǎn)傳感器上獲得扭矩信號。通過消除滑環(huán)的電刷和磁環(huán)，消除了磨損問題，使旋轉(zhuǎn)耦合器系統(tǒng)適合于長期測試應(yīng)用。

圖4：旋轉(zhuǎn)耦合器可提高性能

還消除了滑環(huán)組件中的電刷引起的阻力轉(zhuǎn)矩。但是，對軸承的需求以及耦合鐵芯的易碎性仍然將rpm的水平限制在略高于滑環(huán)的水平。該系統(tǒng)還容易受到由耦合器初級線圈到次級線圈對準引起的噪聲和誤差的影響。由于旋轉(zhuǎn)變壓器的特殊要求，為了產(chǎn)生大多數(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可接受的信號，還需要進行專門的信號調(diào)節(jié)，這進一步增加了系統(tǒng)成本，而該成本已經(jīng)比典型的滑環(huán)組件高。

為了克服滑環(huán)的一些缺點，設(shè)計了旋轉(zhuǎn)耦合器系統(tǒng)。它使用旋轉(zhuǎn)變壓器耦合將功率傳輸?shù)叫D(zhuǎn)傳感器。外部儀器通過勵磁變壓器向應(yīng)變計橋提供交流勵磁電壓。然后，傳感器的應(yīng)變計電橋驅(qū)動第二個旋轉(zhuǎn)變壓器線圈，以便從旋轉(zhuǎn)傳感器上獲得扭矩信號。通過消除滑環(huán)的電刷和環(huán)，消除了磨損問題，使旋轉(zhuǎn)變壓器系統(tǒng)適合于長期測試應(yīng)用。

非接觸式扭矩傳感器

像旋轉(zhuǎn)耦合器一樣，非接觸扭矩傳感器利用非接觸式方法將扭矩信號從旋轉(zhuǎn)傳感器傳回。使用旋轉(zhuǎn)，將功率傳輸?shù)叫D(zhuǎn)傳感器。但是，它不是用來直接激勵應(yīng)變計電橋，而是用來為旋轉(zhuǎn)傳感器上的電路供電。該電路將激勵電壓提供給傳感器的應(yīng)變計電橋，并數(shù)字化傳感器的輸出信號。

圖5：提供非接觸式扭矩傳感器

該數(shù)字輸出信號通過變送器傳出信號，其中另一個電路會檢查數(shù)字信號是否存在錯誤，并將其轉(zhuǎn)換回模擬電壓。由于傳感器的輸出信號是數(shù)字信號，因此它不易受到來自諸如電動機和磁場等來源的噪聲的影響。與旋轉(zhuǎn)變壓器系統(tǒng)不同，紅外傳感器可以配置為帶軸承或不帶軸承，以實現(xiàn)真正的免維護，無磨損，無阻力傳感器。

盡管比簡單的滑環(huán)扭矩傳感器成本高，但它具有許多優(yōu)點。當(dāng)配置為無軸承時，作為真正的非接觸式測量系統(tǒng)，無需磨損，因此非常適合長期測試設(shè)備。最重要的是，由于取消了軸承，即使對于大容量設(shè)備，其運行速度（rpm）也急劇提高到25,000 rpm或更高。對于高速應(yīng)用，這通常是旋轉(zhuǎn)扭矩傳遞方法的解決方案。

無線扭矩傳感器

在旋轉(zhuǎn)傳感器和接收器之間建立連接的另一種方法是使用FM發(fā)射器。這些發(fā)送器用于將任何傳感器（無論是力還是扭矩）遠程連接到其遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，方法是將傳感器的信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式，然后將其轉(zhuǎn)換回模擬電壓后再發(fā)送到FM接收器。

圖6：FM連接在更長的距離上也能正常工作

對于扭矩應(yīng)用，它們通常用于一種特殊的傳感器，例如將應(yīng)變計直接應(yīng)用于傳動系統(tǒng)中的組件時。例如，這可以是車輛的驅(qū)動軸或半軸。變送器的優(yōu)點是易于安裝在組件上，因為通常只需將其夾緊在量規(guī)軸上即可，并且可重復(fù)用于多個定制傳感器。它的確具有需要在旋轉(zhuǎn)傳感器（通常為9V電池）上提供電源的缺點，這使其無法進行長期測試。

了解要測量的扭矩的性質(zhì)，以及哪些因素可以改變該扭矩以進行測量，這將對所收集數(shù)據(jù)的可靠性產(chǎn)生深遠影響。在需要測量動態(tài)扭矩的應(yīng)用中，必須格外小心，以在適當(dāng)?shù)奈恢脺y量扭矩，并且不要通過用測量系統(tǒng)阻尼扭矩來影響扭矩。

如何選擇用于連接到旋轉(zhuǎn)設(shè)備中的扭矩傳感器，滑環(huán)是一種成本低的解決方案，但有局限性。技術(shù)上更的解決方案可用于要求更高的應(yīng)用中，但通常成本會更高。通過考慮特定應(yīng)用的要求和條件，可以選擇合適的扭矩測量系統(tǒng)。