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扭矩传感器分类及信号处理和数据采集

更新时间:2024-01-05      点击次数:464

扭矩传感器分类及信号处理和数据采集

一、分类:静态/反作用力扭矩(小于 1 转)与旋转扭矩(大于 1 转)

       前面我们讲到的扭矩传感器原理,一般扭矩测量可以是静态的(也称为反作用力)或动态的(旋转式),也即分为2种大类:一是静态扭矩传感器,静态或反作用力扭矩测量涉及被测项目的很少旋转或不旋转,例如在扭矩扳手测试期间。另一类是动态扭矩传感器,旋转扭矩测量将受到连续旋转的影响。这种旋转可以是恒定的,就像在测量混合容器中搅拌器扭矩的系统中发现的那样,或者像在测量电动螺丝刀产生的扭矩时发现的那样是周期性的。

       静态扭矩传感器输出的低电平毫伏信号与范围广泛的应变传感器兼容,例如称重传感器和压力传感器及其相关仪器。后端信号处理仪器包括数字显示器、模拟和数字放大器。典型的模拟放大器会产生更高电平的电压(0-5Vdc、0-10Vdc)或电流(0-20mA、4-20mA)用于额外处理。

       通常,数字放大器还使用行业标准或行业特定协议(如 MODbus)提供 RS232 或 RS485 输出。在许多情况下,信号调理内置于设备中,提供直接模拟或数字输出以供进一步处理。下图为德国NCTE公司的动态扭矩传感器显示仪表(Readout),它不仅能实时显示传感器的输出扭矩值,还能提供0-10V电源输出,以及USB数字量输出:


二、动态扭矩传感器中信号传输方式

1.滑环

       动态扭矩传感器(旋转应变式)采用滑环来实现从外壳到旋转轴的电气连接。由于滑环仅承载来自应变计的毫伏信号,因此必须非常仔细地选择滑环和电刷的材料。一般使用银币制作滑环,使用银石墨制作电刷齿轮。

       导电环随传感器旋转,并使用一系列弹簧刷接触环来传输电信号。集电环相对简单,但一些小缺点,即电刷和环在较小程度上会磨损,因此使用寿命有限。正因为如此,它们不适用于长期测试、超高速测试或传感器维修受限的应用。在低速时,环和电刷之间的电气连接相对无噪音,但是,在高速时,电气噪音最终会降低它们的性能。滑环的最大速度 (rpm) 由电刷和环之间界面处的表面速度决定。

2.旋转变压器(感应环)

       对于更高速度 (rpm) 的扭矩测量应用,可能会使用旋转变压器系统。旋转变压器系统由两个线圈组成,一个固定在换能器外壳上的静态线圈和一个固定在换能器轴上的旋转线圈。这提供了转子和定子之间没有接触的明显优势,并且结合了将功率传输到旋转应变计电桥电路和从旋转应变计电桥电路返回信号的功能。旋转变压器式扭矩传感器的典型误差为 ±0.2%,速度可达 50,000rpm。

       旋转变压器系统用途广泛,可用于特殊扭矩传感器和空间受限的传感器。然而,由于此设计包含轴承,因此最大转速高于滑环设计,但受限于轴承的最大指·定性能。该系统还可能容易受到噪声和误差的影响,这些噪声和误差是由变压器初级线圈到次级线圈的对齐引起的。由于旋转变压器的特殊要求,还需要专门的信号调节以产生大多数数据采集系统可接受的信号。下图为英国AML公司用旋转变压器制作的动态扭矩传感器:

3.无线电遥测(电池供电,2.4GHz)

       随着现代低功耗无线遥测采集和传输电子设备的出现,制造电池供电的扭矩传感器成为可能,这些传感器在两次充电之间提供足够长的运行时间,使其适用于广泛的工业和研究应用。

避免转子和定子线圈意味着安装无线扭矩传感器比其他类型的过程更简单,因为无需考虑布线或线圈对齐,这也意味着测量信号可以传输相当长的距离(最远 120 米)容易地。无线遥测系统提供的数据流是广播的,因此可以由具有不同功能(如数字显示、模拟输出和基于 PC 的 USB 采集)的多个接收器单元读取,从而使多功能系统的设置变得快速和容易。


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