非接触式扭矩测量的应用需求

非接触式扭矩测量的应用需求 

       扭矩测量虽然属于力学常规量的测量, 但是随着时代 的发展, 科学研究和制造生产对扭矩测量提出了更高的要 求, 在众多特殊场合的扭矩测量中, 常规的扭矩测量方案 已经不能够满足需求。例如, 在测量石油钻探中使用的大 扭矩杆件的扭矩情况时, 一旦传感器接触旋转轴时, 必将 受到极大的剪切力, 极易造成扭矩测量装置和被测装置的 损坏; 又如, 在测量小于 0. 1 NM 的动态微扭矩时, 若采用 常规的接触式测量方案, 扭矩传感器与旋转轴接触产生的 阻力矩会影响旋转轴的运动状态, 甚至导致停转; 再如, 人工心脏的参数监测也需要用到扭矩的动态实时测量, 即 测量人工心脏中的血泵的工作状况, 若采用接触式测量必 将改变血泵的受力情况, 影响人工心脏的工作性能, 加大 了控制单元对人工心脏状态控制的难度。综上, 非接触测 量可以满足对于扭矩测量的众多需求: 

1. 长期不间断、高可靠性扭矩测量

    一般性扭矩传感 器一旦失效, 不仅会造成扭矩传感器自身的损坏, 更严重 的是会造成被测量设备的重大机械损坏。例如: 应变式扭 矩测量装置中应变计的引线需要靠滑环( 见图 1) 引出, 长 时间工作后, 滑环极易发热老化, 甚至断裂脱落, 所以出于 可靠性的考虑, 该方案多用于低速旋转轴的短期扭矩测 量。如果选择非接触式扭矩传感器测量扭矩, 它与旋转轴 没有力的相互作用, 工作过程中不受轴向负载和弯曲载 荷, 所以零件损耗小, 工作寿命长, 可以实现长期不间断、 可靠性测量扭矩。

  图 1 带滑环的应变片式扭矩传感器原理图 

2.高动态性精确扭矩测量

   传感器自身的转动惯量 是影响扭矩测量精度和动态性的重要问题, 因为传感器是 有重量的, 安装在旋转轴上后就相当于增加了一个∀ 额外 质量#, 这一质量在旋转轴较轻或者转速较慢的情况下是 不能忽略的, 那便会导致旋转轴的转速明显下降, 测量得 到的扭矩大小将受到严重影响。如果采用非接触式扭矩 测量, 传感器对旋转轴无附加外力, 这可以从根本上提高 测量的动态性和精确性, 同时有助于提高系统的分辨率。 

3.准确控制被测装置

   因为一般性扭矩测量装置的体 积大, 并且要与旋转轴直接接触, 所以存在着一个不可避免 的问题, 即由于安装位置不当, 或者接触测量时产生的干扰 力或扭矩而改变旋转轴的运动状态, 这类干扰是随机的, 很 难评估和定量, 而扭矩测量往往又是作为控制单元的反馈 信号。这样就会直接导致控制的准确性难以保证。唯有采 取非接触式扭矩测量, 从源头上消除传感器施加在旋转轴 上的附加力, 末端控制的高准确性才有可能实现。