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如何降低扭矩測量的不確定性

         
         在很多應用中,例如大功率渦輪機或是藥罐的螺緊力測量中,扭矩都是最重要的測量量。原理上講,扭矩是力和力臂的乘積,但是對于高精度扭矩測量來說,尤其是旋轉應用中,需要高精度扭矩傳感器來實現。
        本文的應用著重于大型渦輪發動機的扭矩測試,尤其是噴氣發動機。該項目是希望創建一個測試臺,通過獲得的扭矩數據,來對 渦輪發動機進行優化,以提高燃油效率。因此獲得精確的扭矩測量數據是本項目的重要組成部分。
        測試需要量程為 200 N.m, 1 kN.m, 2 kN.m, 和 130 kN.m 的扭矩傳感器。三個小量程的扭矩傳感器具有相同的幾何尺寸,轉速高達 22,000 RPM。最大的扭矩傳感器的轉速為 4,000 RPM。和測試臺的其他部分相同,扭矩傳感器需要極為可靠且耐用。因為其往往會運行數個月之久。防止出現某個輸出失敗,每個傳感器都帶有兩個獨立扭矩輸出,并進行備份。
        之前,測試臺采用非旋轉扭矩測量技術 - 一個力傳感器和一個杠桿臂, 通過力與杠桿臂的乘積計算出扭矩。這是已經存在了半個世紀的測試技術,其有自己的優勢。例如,校準簡單,過載保護相對容易。但有一個最大的缺點:就是由于力傳感器不在旋轉軸上,無法實現準確對準,

JeF廣州南創電子科技有限公司

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有 較大的測量誤差。JeF廣州南創電子科技有限公司

        這種方式還有另外一個缺點,就是 低動態響應 (只有 20Hz),這是因為測力計的質量會作為一個低通濾波器,會增加扭矩測量的不確定性。另外,測力計必須要安裝在軸承上,轉動會對軸承造成摩擦,需要定期維護。
 
       而現在測量技術只需安裝扭矩傳感器 即可,扭矩傳感器由轉子和定子組成,通過 無線遙測技術進行供電和數字化信號傳輸,并且由于采用無接觸測量技術,因此是免維護的。JeF廣州南創電子科技有限公司
       采用在線扭矩傳感器有以下幾個優點。例如,高動態 - 其 響應頻率高達 6kHz,可以測量真實動態扭矩。而傳統的杠桿技術的響應頻率僅有 20Hz。
       另外,無需考慮軸承摩擦和維護的問題。在線傳感器提供 更高的動態響應精度。下圖顯示的是動態扭矩和扭矩平均值的比較。

在線扭矩傳感器也有自己的缺點,一個是對中比較困難,另外一個是防止過載。尤其在需要對系統進行標定時,需要修改旋轉軸或是移除扭矩傳感器。JeF廣州南創電子科技有限公司
對于類似的應用在設計和開發階段需要更多地考慮。如果傳感器的轉子采用 鈦金屬 而不是不銹鋼,由于 更低的慣性矩,旋轉扭矩傳感器將更有優勢。更輕的鈦金屬以及更短的長度將使驅動系的整體重量更輕。能夠更簡單地避免旋轉軸在測試過程中的 “臨界速度” 問題。臨界速度(轉速)是一個會使旋轉軸變得不穩定的點,會產生 諧波振動。更短,剛度更高,更輕的重量 是為了避免不必要的振動和跳動,其會加大測量的不確定性,并增大系統失效的可能性。在線扭矩傳感器一般都采用 交流激勵 以提高傳感器的 抗干擾能力。這將會提高扭矩測量的精度,尤其在非常低的轉速下。JeF廣州南創電子科技有限公司
為滿足客戶不同的測試要求,HBM 可以為客戶定制扭矩傳感器。包括更高的精度,雙輸出,長度以及非螺栓式等。JeF廣州南創電子科技有限公司

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無軸承的設計能夠降低客戶的維護費用。兩個應變橋路能夠獲得更高的測量精度。鈦金屬轉子可以減少傳感器重量并提升轉速等級。定制化長度和非螺栓安裝方式可以將臨界速度排除在測量范圍之外。這些方式都可以降低測量的不確定性并提高精度。讓客戶獲取更可靠的數據來提高產品效率。最近,我們已經將定制傳感器的方案進行了標準化,能夠滿足客戶更高精度,更高轉速的多方面要求。JeF廣州南創電子科技有限公司

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