（车辆工程专业论文）旋转设备的高转速、高转矩测试技术研究.pdf

摘要 转矩、转速和功率的测量是各种机械产品的研究开发、测试分析、质量检验、 安全和优化控制等工作中所必不可少的内容。通过测量机械设备的转矩、转速、 功率，可以分析和研究零件、机构的受力状况和某些物理现象的机理。因此，它 对发展设计理论，保证安全运行及实现自动检测、自动控制都有重要作用。 从转矩测量的国内外发展现状来看，现有的高精度转矩传感器结构复杂，实 现高速情况下的转矩测量难度较高。本文提出一种结构简单、适用于高速情况的 转矩测量解决方案。此方案采用磁栅传感器与计数器相结合的方法，并采用单片 机实现信号处理，实现非接触式的状态下的高转矩测试。 论文就转矩、转速、功率的各种测量方法进行了深入的研究，在比较各种方 法的优劣后，根据实际条件，制定了一套合理可行的测试方案。 对所提出的高速转矩测量系统，本文主要工作如下： 转矩测量原理的研究，转矩测量国内外现状的分析； 高速转矩测量系统设计； 转矩、转速测试方法的比较和分析； 转矩测量系统的硬件电路设计和研制； 转矩测量系统的软件设计及实现； 对测试系统的展望。 关键词：高转速；高转矩；转矩传感器；单片机；8 2 5 4 芯片 a b s t a c t t o r q u er o t a t i n gs p e e da n dp o w e rm e a s u r e m e n ta r ef u n d a m e n t a lt ot h ed e s i g n i n g t e s t i n gq u a l i t yc h e c k i n ga n do p t i m i z a t i o nc o n t r o l l i n go fa l lm e c h a n i c a la n du n d e r v a r i o u sl o a d sa n dw o r k i n gs u r r o u n d i n g ，t o r q u em e a s u r e m e n ti st h ek e ym e t h o do f s t u d yo nr o t a t i n gm e c h a n i c a lp r o d u c t s f r o mt h ea c t u a l i t i e so ft os e n s o r sd e v e l o p i n ga th o m ea n da b r o a d ，t h ep r e s e n t t o r q u es e n s o r su s u a l l yh a v ec o m p l e xs t r u c t u r e sa n da r eh a r dt om a k ea n df i xa n di ti s s t i l ld i f f c u l tt ot h e m e a s u r e m e n tr e s e a r c ha b o u tt h eh i 曲s p e e d t h i sp l a nu s e st h e m e t h o dw h i c hm a g n e t i s m 鲥ds e n s o ra n dt h ec o u n t e ru n i f y , t h ep a p e ro nt h et o r q u e ，t h er o t a t i o n a ls p e e d ，t h ep o w e re a c hm e a s u r i n gt e c h n i q u eh a s c o n d u c t e dt h et h o r o u g hr e s e a r c h ，a f t e rc o m p a r i n ge a c hm e t h o dt h ef i ta n du n f i tq u a l i t y , a c c o r d i n g t ot h ea c t u a lc o n d i t i o n ，h a sw o r k e do u tas e to fr e a s o n a b l ef e a s i b l et e s tp l a n r e s e a r c ho nt h ep r i n c i p l eo ft o r q u em e a s u r e m e n ta n da n a l y s i so ft h ea c t u a l i t i e s o ft r a d i t i o n a li n s t r u m e n t so ft o r q u ea th o m ea n da b r o a d ； m g hs p e e dt o r q u em e a s u r e m e n ts y s t e md e s i g n ； t o r q u e ，r o t a t i o n a ls p e e dt e s tm e t h o dc o m p a r i s o na n da n a l y s i s ； d e s i g na n dd e v e l o po fh a r d w a r ec i r c u i t so ft h et o r q u em e a s u r e m e n ts y s t e m ； d e s i g na n dr e a l i z e o fs o f t w a r eo ft h et o r q u em e a s u r e m e n ts y s t e m ； v i s i o nt e s ts y s t e m k e yw o r d s ：h i 【g hs p e e d ；h i g ht o r q u e ；t o r q u es e n s o r ；s i n g l ec h i p ；8 2 5 4 c h i p 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：d 黼 日期：叫年午月7 日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行 信息服务( 包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留 棋一赫 l 亥复学位论文作者签名：多今源指导教师签名：l 炙勿乙 日期：7 川年中月7e 1日期：沁胡年 驴月7 e t 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n k i 系 列数据库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规 定享受相关权益。 学雠文储繇五黼 日期： 砂月7 f t 指剥币虢l 夏乏 嗍呷协月7 日 第一章绪论 第一章绪论弟一早瑁y 匕 1 1 转矩测量的背景及意义 转矩是旋转动力机械的重要工作参数，它关系到机械设备的机械性能寿命和 安全性。若能准确、及时、方便、可靠的测出受试机械的静态和动态转矩，就可 以分析和研究它的受力状况和某些物理现象的机理，这对发展设计理论，改进和 提高机械性能以及实现自动检测、自动控制都有重要作用。因此，转矩测量是各 种机械产品的开发研究、测试分析、质量检验、安全和优化控制等工作中所必不 可少的内容。 随着现代科学技术的迅猛发展，转矩测量技术己充分引起人们的重视，成为 了测试技术的一个新的分支。转矩测量技术是综合应用机械、电子、物理、计算 机等多方面知识的一门学科。随着集成电路技术、电子技术、虚拟仪器( v i r t u a l i n s t r u m e n t ，v i ) “。等技术的发展传感器技术向小型化、智能化、集成化、网络化 的方向不断发展，其应用领域也越来越广泛，转矩测量用渗透到工业、农业、交 通运输、航空航天、国防、能源、化工等各个领域。 在市场经济的激烈竞争下，许多机械产品既要向更大功率、更高速度、更高 效率的方向发展，又要向更小的设计裕度方向发展，转矩测量能为旋转机械的设 计提供科学数据“。同时转矩测量是各种动力机械运行状态监测和故障识别预报 的主要信息源，特别对那些大型的、关键性的、无储备的设备，由于他们的意外 停车或故障危害极大，故需对其进行检测。而且转矩测量在作为自适应系统的信 号源、节能指示器、多主机系统的动力平衡指示器以及在作为产品质量检测方向 上有着广泛的应用需求。因此，设计出一种高准确度、高精度的转矩测量仪对自 动控制及机械设计等领域具有非常重要的现实意义。本文主要是针对为6 0 0 0 转 分3 0 0 0 0 转分的转速进行测试研究。 1 2 转矩传感器的发展趋势 随着各种系统自动化程度和复杂性的提高，需要获取的信息越来越多，这不 仅对传感器的精度、可靠性和响应速度提出了越来越高的要求，还要求传感器有 标准输出形式以便和系统挂接。纵观国内外研究资料，扭矩测量装置正呈现以下 的发展趋势“。 ( 1 ) 由静态测试向动态在线检测方向发展： ( 2 ) 由先测应变再间接转换成应力或转矩而向直接测应力或转矩方向发展 ( 3 ) 测试系统向微型化、数字化、智能化、虚拟化和网络化方向发展 ( 4 ) 从单功能向多功能发展，包括自补偿、自修正、自适应、自诊断、远程设 2 第一章绪论 定、状态组合、信息存储和记忆： ( 5 ) 转矩检测与动力装置的控制系统相结合，达到转速、转矩、输出功率之间 的优化配置，保证机械设备运行在最佳状态。 1 3 国内外研究历史和发展过程 转矩、转速测量仪器的研制及生产应用，一定程度上表征了一个国家的基础 工业水平和现代科学研究的需求。近年来，世界各工业发达国家相继探讨出许多 转矩测量的新技术、研制、生产出不少新式的转矩测量仪器。改革开放以来，我 们走技术引进，自主创新的发展模式，极大地推动了我国的转矩测量技术的发展。 尽管国内转矩测量技术研究起步较晚，但是通过多年的发展和努力，国内的转矩 测量技术已经接近了世界先进水平。 从应变型转矩传感器方面来看，美国的阿克莱克斯公司( a c u r e xc o m ) 底下 的w d c ( 无线数据传输公司) ，自7 0 年代起就研制生产“通用海上试验功率测试系 统 ( u n i v e r s a ls e at r i a lp o w e rm e a s u r e m e n ts y s t e m ) 。该类仪器采用卡环 式应变传感器敏感被测轴的扭转变形，变形量与转矩成正比的关系，即通过对弹 性横梁测量转轴截面转角的测量来实现转矩测量，还可以采用红外线测速法来测 量转速。1 9 9 8 年，洛阳工学院等单位研制的在线动态扭矩测试仪，它采用非电量 电测技术和无线遥测技术，用非接触测量方法，提高了扭矩测量的精度，且响应 速度快，可靠性高，并兼有设备过载保护功能。1 9 9 9 年，燕山大学的刘宝华研制 的红外扭矩测试仪，利用红外线对旋转构件转矩进行遥测。2 0 0 0 年，北京冶金一 局超硬材料研究所李国林研制的由环形变压器供电的应变式扭矩传感器，是在应 变传感器的基础上设计了一组旋转变压器，实现了能源的非接触传输。1 9 9 4 年， 苏州大学工学院翁桂荣等人研制出微型遥测转矩仪，利用电池供电、无线发射机 发射转矩测量信号，适用于转矩短期试验测试。中国船舶工业总公司上海第7 0 4 研究所生产的卡环型电阻应变式转矩传感器，测量时只要将卡环卡在轴上就可以 测量转矩，测量仪表采用1 n t e lm c s 5 1 单片机作为核心的智能仪器，可同时测 量转矩、转速、功率，并具有自诊断、数据处理、温度修正、超限报警等功能， 集成度高，可靠性好。德国公司h b m 公司( h o f f i n g e rm e s e f e c h m i kg m h m ) “。 生产的电阻应变式转矩测量仪，采用弧齿联轴节，以消除不同轴度带来的测量误 差，独具风格。生产电阻应变式转矩仪的还有英国的霍佛科公司( h o v e r - k r a f e ) 和 荷兰a v d 公司。“。 从磁弹性型传感器方面来看，1 9 8 2 年，日本福岗九州大学研制出一种新型磁 头转矩传感器，采用在转轴表面喷涂一段磁致伸缩涂层的方法测量转矩。1 9 8 6 年， 由日本山琦二郎研制的线爆喷涂膜扭矩传感器，利用具有高粘附力线爆喷漆涂膜 第一章绪论 在轴表面进行反复喷涂得到斜条形模，然后利用斜条形模构成双磁芯多谐振荡器 桥路。制成转矩传感器。1 9 9 2 年，s a s a d a 等人研制的螺线管式扭矩传感器，采用 在转轴表面粘贴与轴成4 5 。角的八字形不知的f e 基非晶薄带，利用非晶薄带的 磁致伸缩逆效应检测扭矩。1 9 9 2 年，韩国科学与标准研究磁学实验室研制出了 非晶态线圈最大差分感应装置。1 9 9 2 年，由王荣等人研制的逆磁致伸缩扭矩传感 器，则采用在转轴的表面粘贴一层特制的软磁合金薄带的方法来改善“角度依存 性”问题”。美国麻省磁弹性器件公司也于1 9 9 2 年研制成功一种基于霍耳效应的 不需要激发线圈的磁弹式转矩传感器。美国的陶泰克( t o r o d u c t o r ) 公司上产无线 接触式磁弹性转矩仪。 从电磁相位差型转矩传感器角度来看，1 9 8 5 年，美国刘易斯研究中心n a s a 对光电式转矩测量方法进行了研究，利用在转轴上相距一定距离的位置上安装两 片圆盘形光栅，在转轴受转矩作用下，透过两片光栅的明暗条纹发生改变，经光 敏材料探测后获得与转矩成正比的光强信号。8 0 年代末期，西德提出了一种转矩 测量的新方法，通过在测量轴上安装1 2 0 齿的齿轮，利用差动板式霍耳试探电极 在齿顶触发，测量两个齿轮的扭转相位差，根据此相位差的大小变化测测量转矩。 通过其它方式来实现的转矩测量研究，1 9 8 8 年，英国福特汽车公司委托南安 普顿大学机械工程系研制成功一种电容式转矩传感器，通过在轴上安装可变电容 和不变电感组成振荡电路来实现转矩测量。美国弗吉尼亚西蒙斯精密飞行器公司 于1 9 8 9 年研制了光纤转矩传感器。9 0 年代初期，出现了利用光导纤维做敏感材 料的转矩传感器，利用输出光强度的变化或输出光传输特性的改变，测量两卡环 间外加转矩作用下产生的微位移，进而转换成所受的转矩值。1 9 9 6 年，随着激光 多普勒转速测量技术( l v d ) 的成熟，利用激光多普勒效应的扭振测试仪开始推 向市场，为新型激光非接触转矩传感器研究奠定了基础。清华大学1 9 9 9 年研制的 无线无源声表面波转矩传感器，这种传感器是将雷达技术与s a w 转矩传感器的 结合。 1 4 转矩、转速、功率测试系统的国内外现状 转矩测量技术包括两方面：一是传感器，二是测量系统。 1 4 1 传感器 转矩传感器主要有两大类，第一类通过磁电感应获取信号的磁( 齿) 栅式转矩 传感器，德国h b m 公司、日本小野测器和中国湘西仪表厂均有生产。这类传感器 输出信号的本质是两路具有相位差的角位移信号，需要对信号进行组合处理才能 得到转矩信息。它是非接触式传感器，无磨损、无摩擦，可用于长期测量：但体积 大，不易安装，不能测量静止转矩。低于6 0 0 转分时，须背负小电机补偿转速， 4 第一章绪论 操作复杂等。第二大类是以电阻应变片为敏感元件，如德国的h b m 公司的t 1 ，t 2 ，t 4 系列转矩传感器，北京的三晶集团的j n 3 3 8 系列传感器等。它在转轴或与转轴串 接的弹性轴上安装四片精密电阻应变片，并把它们连接成惠思顿电桥。转矩使轴 的微小变形都会引起应变的阻值发生变化。桥输出信号与转矩成比例。桥的激励 电压和测量信号的传送方式有两种：一种是接触式传送，通过滑环和电刷传送激励 电压和测量信号，电刷寿命可达6 亿转次：另一种是非接触式传送，包括变压器感 应方式传送如t 3 0 f n ，j n 3 3 8 以及微电池供电、无线传送测量信号等。该大类传感 器可以测量静态和动态转矩、高频冲击和振动信息，具有体积小重量轻，输出信 号易于计算机处理等优点，正逐渐得到越来越多的应用。 1 4 2 测试系统 根据转矩测量的实现环境，目前的转矩转速类测试仪可分为以下几种类型： a ) 数字式：采用中小规模集成电路和组合逻辑电路设计硬件系统。这是早期的测 试系统，如j s 一2 ，j s g s 一1 a p y a p m n i i 等。其缺点是仪器可靠性差，功能单 一，操作复杂，体积庞大。 b ) 单片机型：采用单片机采集和处理数据。这是目前较普遍的仪器形式，如 z j y w 一1 ，j 1 】i 一1 ，j w 一1 a ( b ) 、t s 9 0 0 a 等。体积小性能高、但这种仪器的分析能力很 弱或根本没有。 c ) 微机型：即软件式转矩仪，如c l s i i 型齿轮传动试验台，利用单片机采集数 据，通过串行口将这些数据传送至通用微机，进行离线的常规数据处理：这种仪器 系统的数据准确、分析能力有所增强、但实时性不强、不能满足瞬时转矩、转速 测试的要求，界面并不直观、没有充分利用微机的资源、整体性能仍不高，有待 进一步提高与发展。 d ) 虚拟仪器型：如q l v n j 一2 型、智能控件化虚拟式扭矩功率测试仪。这两台 虚拟式转矩功率测试仪都充分利用了计算机的软、硬件资源。但是这两台转矩功 率测试仪是基于北京三晶现代科技集团的j n 3 3 8 - a 型扭矩转速传感器而研制。存 在测试结果的突然跳跃的奇异点，另外仪器精度受到采样时间的长度影响。同时 在实际现场应用中以输出模拟量的扭矩转速传感器为主流，这也影响了上述两型 仪器的应用。 1 5 本项目研究的意义和任务 在回转动力传动系统，如电机、汽车、摩托车、变速箱、发电机组等中，转 矩、转速、功率测量是必测指标。因此，转矩测试有广阔的应用前景和市场空间。 所以本课题针对教学科研和工厂实际，在保障转矩、转速测量数据准确的基础上 开发高速的转矩、转速测量设备。 具体地说，研究主要内容为： 一、资料收集和整理。研究转矩测量的基本原理，在对当前转矩研究以及当前应 用状况做了详细调研之后，针对现有转矩传感器的优缺点，提出了一种新的转矩 第一章绪论 测量装置。 二、传感器的比较和选型； 三、进行硬件电路模块的设计，完成数高精度转矩测试电路研究和开发； 四、进行转矩测量软件的编程及实现； 五、测试系统的总结和展望。 6 第二章转矩、转速测试原理 第二章转矩、转速测试原理 在转矩测量的诸多方法中，齿( 栅) 式和应变片式传感器最普遍，本章将分别 介绍这两种传感器的原理以及转速测量原理和功率计算方法。 2 1 转矩概述 使机器元件转动的力偶或力矩叫做转动力矩，简称转矩。任何元件在转矩的 作用下，必定产生某种程度的扭转变形。因此，习惯上又把转动力矩叫做扭转力 矩，简称扭矩( 本文中的扭矩和转矩是同一概念) 。 转矩是各种工作传动轴的基本载荷形式，是旋转机械动力输出的重要指标， 是检验产品是否合格的标志之一，是计算机械功率和效率的必需参数。扭矩的测 量对传动轴载荷的确定和控制，对传动系统各工作零件的强度设计和原动机容量 的选择，都有重要意义。因此，开发出一种可用于工程实际的扭矩测试仪将具有 现实的研究价值。 转矩随时间的变化过程叫做转矩的时间历程。按照时间历程的特点，转矩可 以分为静态转矩和动态转矩。静态转矩是转矩值不随时间变化或者随时间变化很 小、很缓慢的转矩。动态转矩则是转矩值随时间变化很大、很迅猛的转矩。静态 转矩包括静止转矩、恒定转矩、缓变转矩和微脉动转矩。静止转矩的转矩值为常 数，传动轴静止不旋转。它的特征参数是转矩t 为常数，转速n 为零。如起重 机吊重静止时的转矩。恒定转矩的转矩仍为常数，但传动轴以某转速旋转。如电 机稳定工作时的转矩。缓变转矩的转矩值随时间做缓慢变化，因为转矩变化缓慢， 在短暂时间内可以认为转矩值是恒定的。微脉动转矩是瞬时值有幅度不大的脉动 变化的转矩，常用转矩平均值t m 来衡量。动态转矩包括振动转矩、过渡转矩及 随机转矩三种。振动转矩的转矩值是波动的，并具有一定周期。通过对机器的振 动转矩进行频谱分析可对机械设备进行状态检测和故障诊断。过渡转矩机械从一 种工况转换到另一种工况时的转矩变化过程。如电机的启动过程扭矩的变化。随 机转矩是一种不确定的，无规律变化的转矩。它的转矩值是用概率统计的方法求 平均值得到的。 1 o l = l i m - - it ( t ) d t ( 2 1 ) r - o of 由 这是描述转矩的常量分量，若要描述转矩的波动分量可用方差来描述。 仃丁2 = l i m 圭f 旷o ) 一乙】锄 ( 2 2 ) 实测的转矩常具有某种程度的随机性，即实际机械的工作转矩常有某种不规 第二章转矩、转速测试原理 则的波动与变化。本文研究的扭矩仪能够满足测量多种扭矩的需要。既能测量静 态扭矩又能测量动态扭矩。如测量电机启动过渡过程。仪器显示值为当前瞬时值。 2 2 转矩测量 2 2 1 扭矩测试原理概述 测量扭矩的方法有很多，按照它的基本原理可以分为：传递法( 扭轴法) 、平 衡力法( 反力法) 及能量转换法等三类。 传递法m 1 传递法是根据弹性元件在传递扭矩时所产生的物理参数的变化而测量扭矩的 方法。这里所根据的物理参数可以是弹性元件的变形、应力或应变。最常用的测 量扭矩的弹性元件是扭轴。 等截面圆柱形扭轴的变形可按下式计算： c p - 婴 ( 2 3 ) n g d 4 ( z 3 ) t 一扭矩，牛顿术米； l 一扭轴的工作长度，米； ( 卜一扭轴的直径，米； g 扭轴材料的剪切应变弹性模量，牛顿米。 扭轴变形可以引起机械、液压、气动、电阻、电容、电感、光学、光电等参 数的变化而形成各种变形型扭矩传感器。等截面圆柱形扭轴的应力可按下式计 算： f ：等 ( 2 4 - )f = _ l 么， r 一扭矩表面的剪切应力，牛顿米 扭轴的应力变化可以引起扭轴材料磁阻的变化，形成磁弹扭矩传感器；或引 某些透光材料的双折射现象，形成光弹扭矩测试传感器。这些可称为应力型扭传 感器。 等截面圆柱形扭轴的应变可按下式计算： 0 4 5 。：一：旦 ( 2 5 ) 2 一盯1 3 5 。2 z g d 4 l z b ) 式中盯。，。，仃。，。扭轴表面上与轴母线呈4 5 。及1 3 5 。夹角的螺旋线上的主应 变值。 扭轴的应变可以引起贴在轴表而上的电阻应变片的电阻变化，形成应变型扭 矩传感器。传递扭矩的弹性元件一般是旋转件。在旋转件上所产生的变形、应变 7 8 第二章转矩、转速测试原理 或应力，需通过扭矩传感器中的信号变换机构转换成与扭矩值成比例的相应的电 信号。该信号再传输到扭矩测试仪器上显示扭矩。如图2 1 扭矩传感器 图2 1 传递法扭矩测量法 f i g u r e 2 1t o r q u em e a s u r e m e n tb yt r a n s f e r i n g 平衡力法 对于任何一种匀速工作的动力机械或制动机械，当它的主轴受扭矩作用时， 在它的机体上必定同时作用着方向相反的平衡力矩。测量机体上的平衡力矩以确 定机器主轴上作用的扭矩大小的方法就是平衡力法，亦称为反力法。 在按平衡力法测量扭矩的装置中，机械的整体应安装在摩擦力矩很小的平衡 支承上。这时可以把整个机械整体看作只通过主轴和机壳两处与外界有力矩的联 系。设机械在匀速状态下运转，则作用在主轴上的扭矩t 应该与作用在机壳上的 力矩m 相平衡。 由此可以列出机械整体的力矩平衡方程式为： t = m ( 2 6 ) 这是作用在机械整体上的外力矩的平衡，而作用在机械内部的转子和定子之 间的一切力矩联系，如电机的磁电力矩、水力制动器的摩擦力矩等都属于机械整 体的内力矩，对机械整体的平衡不产生影响。作用在机壳上的力矩m 通常是通过 作用在力臂上的作用力f 而形成的。设力臂长度为l ，则作用在机壳上的力矩m 为： m = f l( 2 7 ) 显然，测得力臂上的作用力f 和力臂长度l ，就可以确定力矩m 及扭矩t 值。 采用平衡力法测量扭矩，没有从旋转件到静止件的扭矩信号的传输问题。力臂上 作用的平衡力f ，可以用测力机构测得。但是用这种方法仅仅可以测量匀速工作 情况下的扭矩，不能测量动态扭矩。 能量转换法 这是根据其他能量参数( 如电能参数) 测量机械能参数及扭矩的方法。如( 图 第二章转矩、转速测试原理 2 2 ) 。 e e 9 1 0 第二章转矩、转速测试原理 刁= _ p , - r a p 2 ( 2 1 1 ) 如果要求测量的电动机、液压马达等动力机械的扭矩t ，由于= k t n ，则有： 下一置7 7 一一 k n ( 2 1 2 ) 由此可见，若测得功率p ，已知该机构在类似工作情况下的效率理，则可按 下式计算求得机构的工作扭矩t 值。 如果要求测量的发电机、液压泵等制动机械的扭矩t ，由于只= k t n ，则 有： d 丁：二上( 2 1 3 ) k 聊 若测得功率只，己知r l ，同样也可确定该机构的工作扭矩t 。 上述功率只或只，需要通过测量电流i 与电压v ，或流量q 与电压p 而 确定。 在上面讨论的扭矩测试方法中，如果扭矩值可以通过一台仪器的指示值直接 显示，这叫做直接测量；如果需要根据不同物理量的测试仪器的指示，按照一定 的函数关系求得扭矩值，这叫间接测量。 在能量转换法中，扭矩通常为间接测量。在传递法和平衡力矩中，扭矩一般 为直接测量。很明显，直接测量比间接测量方便得多，而且精度高，所以我们一 般选择直接测量的方法。另外，平衡力矩法只能用来测试匀速工作情况下的扭矩， 不能测试动态扭矩，所以我们在选择测试方法时，优先选择用传递法来测试扭矩。 2 2 2 应变型扭矩测量原理 传递法是根据弹性元件在传递扭矩时所产生的物理参数的变化而测量扭矩的 方法。 1 8 2 2 这里所根据的物理参数可以是弹性元件的变形、应力或应变。最常用的物理 参数是应变，通过测量轴体表面的扭应变来测量扭矩是一种普遍采用的方法，根 据统计，目前大约有三分之一的扭矩测量工作是用电阻应变仪来进行的。 扭矩测试与一般的应力测试的不同之处在于：在测试应力时，电阻应变片与 电阻应变仪之间可以用导线直接传递信号和供给电源；而测试扭矩时，因为传动 轴是旋转件，在扭矩传感器与电阻应变仪之间不能单靠导线传递信号和电源。其 间必须增添一套集流装置。 第二章转矩、转速测试原理 由材料力学可知，在扭矩m 的作用下，轴体表面上沿与轴线成4 5 。和1 3 5 。倾角 方向上的主应力盯l 、盯2 ，其数值与轴体表面上最大扭应力相等( 见图2 3 ) ， 即： f = 仃l = 一盯2 ( 2 1 4 ) 设与仃1 ，0 2 相对应的主应变分别为占l ， 占2 则 图2 3 轴体表面应力应变计算简图 f i g u r e 2 3 s k e t c ho fc a l c u l a t i n gs t r e s sa n ds t r a i no fa x i a ls u r f a c e 占1 一一62 且 卵暑= = 半q = 掣仁暑 乞= 詈= 鲁= 一半= 半一昙 式中e 轴体材料的弹性模量 轴体材料的泊松比 盯应力 当轴体的扭转断面系数为w ，则有： 铲_ = ( 警) 芳= k m q = - - 0 2 ：丽m ：k mq 2 万2 k 一朋 式中k 。、k 为比率常数 ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) 1 2 第二章转矩、转速测试原理 疋：尝 ( 2 2 0 ) 6 e k 。= 万1 ( 2 2 1 ) 当实心轴的直径为d ，空心轴的外径和内径分别为d 及d 时，则可以知道； 对于实心轴： 形= 号d 3 0 2 d 3 ( 2 2 2 ) 上o 对于空心轴： 形：z ( _ d 4 - 一d 4 ) 0 2 d 3 x9 ( 1 - a 4 ) ( 2 2 3 ) 1 6 d 式中a = d d 由式2 1 8 ，2 1 9 可知q ( 或乏) 及q ( 或) 都与被测扭矩成正比。 通过测量轴体表面的扭转主应变或应力即可确定扭矩m 。工程实际中常用应 变片将轴的主应变转变为电信号，通过电信号的定标来测定扭矩值。 2 2 3 相位差型扭矩测试原理 近年来，随着电子测量技术的迅速发展，信号的相位测量方法也日趋完善。 利用相位测量原理制成的相位转矩测量仪也得到了很广泛的应用。特别是数字显 示相位转矩测量仪，很受试验工作者的欢迎。 相位与转矩n 划 相位转矩测量仪一般由产生信号的转矩传感器和测量信号相位差的测量电路 两部分组成。 相位转矩传感器由弹性扭轴1 和两个信号发生器2 、3 组成如图2 4 ( a ) 所示。 相位差测量电路 b 2 3 一 一 广 l l j 广 ii - 1 _ r、j 一 转矩传感辱 一 丑 b 图2 4 相位转矩测量原理 3 6 0 ，2 八 - j 又。弋 屹 ， ， 厶乌 口 j i f i g u r e 2 4 p r i n c i p l eo fm e a s u r i n gp h a s ea n dt o r q u e 第二章转矩、转速测试原理 当扭轴空载旋转的时候，信号发生器刈2 、3 即输出电压波动信号a 、b ( 图 2 4 b ) 的频率随转速而改变，两个信号之间的相位关系却是一定的，即初始相位差 玩等于某一常数。 当扭轴传递转矩的时候，由于扭轴的扭转变形，扭轴两端的信号激发圆盘产 生相对转角驴，使得两个信号的相位关系发生了变化( 图2 4 b 中的a 及b ) 。两个 信号之间的相位差的变化量鼠与弹性扭轴的扭转角缈之间的关系如下： a e o2 z * e p 式中z 信号激发圆盘转一周所产生的信号个数； 当z = l 时，酿= 驴；即扭轴扭转角与相位差角在数值上相等；当z = 6 0 时， a o o ：6 0 伊，即a e o 在数值上比矽大6 0 倍；但是，z 值不能选择过大，因为相位差 鼠不能大于2 ，即： e o2 z 木缈 2 兀 实际上，考虑到测量正、反向转矩和超载转矩的可能性，z 值还得进一步减小。 通常使兀2 a e o ，对应的z 值为1 0 1 0 0 。对于专门测量高转速转矩 的情况，z 值应减小，直到z = l 。对于专门测量低转速转矩的情况，z 值可以增多， 直到每圈有几百个信号，但是转速不能太低，否则不能产生波形信号时，这种仪 器就不能工作了。 在确定z 值时，还应该保证扭轴在最高转速下，信号的频率不大于信号发生 器和测量系统的工作频率。 综上所述，信号的相位差皖与扭转角缈成正比，也就是与转矩t 成正比， 所以在相位转矩测量仪中，转矩t 的测量转换成了相位差的测量。 原理 当轴受扭矩时，沿轴向相距的任意两截面之间，将产生相对的扭转角矽( 见 图2 5 ) ，其值为： 矽：竺( 2 2 4 ) 2 4 )口= k 么 锄d 1 4 第二章转矩、转速测试原理 一 。 八l 厂 、厶 j 。 1 趟 计弧 i 一一斗- 村l j ln ，、 k ， 图2 5 轴体扭转角变位简图 f i g u r e 2 5a x l ec e n t e ra n g l eo ft o r s i o nd i s l o d g e m e n td i a g r a m 式中，g 为剪切弹性模量，以为轴体截面的极惯性矩。当轴体为实心圆截面 护罢 o 1 d 4 ( 2 2 5 ) 当轴体为环形截面( 外径d ，内径d ) 时， 厶：z ( d f 4 - d 4 ) 0 i ( d 4 - d 4 ) ( 2 2 6 ) 从式2 2 4 可知，扭角矽与扭矩m 成正比，在实际测量中，常在弹性轴上装两 个齿轮盘，齿轮盘之间的扭角即轴的扭角矽，通过电磁耦合将扭角信号耦合成电 信号，再经定标输出扭矩值。 在弹性轴两端安装有两只齿轮，在齿轮上方分别有两组磁钢，磁钢上各绕有 一组信号线圈。当弹性轴转动时，由于磁钢与齿轮间气隙磁导的变化，在信号线 圈中分别感应出两个电势，在外加转矩为零时，这两个电势有一个恒定的初始相 位差，这个初始相位差只与两只齿轮在轴上安装的相对位置有关。在外加转矩时， 弹性轴产生扭转变形，在弹性变形范围内，其扭角与外加转矩成正比。在扭角变 化的同时，两个电势的相位差发生相应的变化，这一相位差变化的绝对值与外加 转矩的大小成正比。由于该电势的频率与转速及齿数的乘积成正比，其中齿数为 固定值，所以该电势的频率与转速成正比。在时间域内，感应信号a 、b 是准正 弦信号，每一交变周期的时间历程随转速而变化，测出它们之间的相差矽， 即可得到扭矩值。由材料力学可知： 啦券t ( 2 2 7 ) 矽弹性轴的扭转角 t 转矩 第二章转矩、转速测试原理 矩。 卜弹性轴材料的剪切弹性模量 卜弹性轴直径 i 弹性轴工作长度 其中，l 、d 、g 都是常数，令k = 面：r d d 4 ，则有： t = k 西 因此，扭矩的测量就转换成相位差的测量。只要测量出相位差便可计算出转 2 3 转矩传感器 2 3 1 电磁齿栅式转矩传感器原理 电磁齿( 栅) 式转矩传感器的基本原理是通过弹性轴、两组磁电信号发生器， 把被测转矩、转速转换成具有相位差的两组交流电信号，这两组交流电信号的相 位差的变化部分与被测转矩成正比即可得到转矩值。电磁齿( 栅) 式传感器工作 原理“如图2 6 磁钢 、 0 鞫 图2 。6 电磁式转矩传感器原理 f i 9 2 6p r i n c i p l eo fm a g e n e l e c t r i cs e n s o r 弹性轴的两端安装有两只信号齿轮，在两齿轮的上方各装有一组信号线圈， 在信号线圈内均装有磁钢，与信号齿轮组成磁电信号发生器。当信号齿轮随弹性 轴转动时，由于信号齿轮的齿顶及齿谷交替周期性的扫过磁钢的底部，使气隙磁 1 6 第二章转矩、转速测试原理 导产生周期性的变化，线圈内部的磁通量亦产生周期性变化，使线圈中感生出近 似正弦波的交流电信号。这两组交流电信号之间的相位差与其安装的相对位置及 弹性轴所传递扭矩的大小及方向有关。当弹性轴不受扭转时，两组交流电信号之 间的相位差只与信号线圈及齿轮的安装相对位置有关，这一相位差一般称为初始 相位差，在设计制造时，使其相差半个齿距左右，即两组交流电信号之间的初始 相位差在1 8 0 度左右。在弹性轴受扭时，将产生扭转变形，使两组交流电信号之 间的相位差发生变化，在弹性变形范围内，相位差变化的绝对值与转矩的大小成 真正比。 由于这种传感器的信号为模拟信号，所以需要首先通过a d 采集卡将其转化 为数字信号，然后送入虚拟式转矩转速功率测量仪的鉴相电路中完成提取相位差 操作，整个系统精度主要取决于a d 采集卡的采样频率。 2 3 2 数字式转矩传感器原理 另一类是应变片数字扭矩传感器1 3 引，其测量原理是运用敏感元件( 精密电阻应 变片) 组成的应变电桥附着在弹性应变轴上，则可以检测出该弹性轴受扭时毫伏级 应变信号。将该应变信号放大后，经过压频转换，变换成与扭应变成正比的频率 信号。传感器系统的能源输入及信号输出由两组带间隙的特殊环形变压器所承担， 因此实现了无接触的能源及信号传递功能。这类扭矩传感器不足之处是测量之前 需要预热来平衡电桥。其原理图如( 图2 7 ) 所示，其中应变电桥部分( 见图2 8 ) ， 在相对轴中心线4 5 。方向上贴上两片电阻应变片，在轴的另一侧，对称贴上另外 两片应变电阻。当力矩加在旋转轴上时，由四只应变片分别检测压缩和拉伸力， 扭矩的变化转换为电阻阻值的变化并反映在电桥上，通过( 式2 1 5 ) 可测出 扭矩的大小。在贴片时，对称贴装应变片可自动补偿温度变化引起的误差。 第二章转矩、转速测试原理 发光二极管 一竺望一竺篓! ! ：! 竺一 r 。一。一一。一。 信 口 丐 电 路 图2 7 数字式转矩传感器原理 f i g u r e 2 7p r i n c i p l eo fs t r a i nt o r q u es e n s o r ( r o t a t i n gs e c t i o ni nd a s hr e c t ) 其中应变桥部分电路如下图2 8 厂，荔二善篓 卜“l 澎、 己 。么茅沁 曲贴片示意图 图2 8 应变桥电路 光 敏 _ 二 极 管 1 7 b ) 应变电桥 f i g u r e 2 8c i r c u i t - b r i d g eo fs t r a i n 在相对轴中心线4 5 。方向上贴上两片电阻应变片，在轴的另一侧对称贴上另 外两片应变电阻，当力矩加在旋转轴上时，由四片应变片分别检测压缩和拉伸力 扭矩的变化转化为电阻阻值的变化并反应在电桥上，通过公式可计算出扭矩的大 小，在贴片时，对称贴装应变片可自动补偿温度变化引起的误差。 1 8 第二章转矩、转速测试原理 r 1 ，r 2 ，r 3 ，r 4 为各电阻阻值；g 为检流计，七为检流计内阻；1 ，。为供桥电源 电压，是它的内阻。 通过检流计g 的电流是 f ： 终垒二墨! 鱼2 坠 ( 2 2 8 ) z = 一 厶厶o ， u r l r 2 ( r 3 + r 4 ) + 尺3 尺4 ( 尺l + r 2 ) + ( r l + 尺2 ) ( r 3 + r 4 ) 饧 由上式可以看出，当r 。r 3 = r ：r 。时，通过检流计g 的电流i g = 0 ，即电桥处 于平衡状态。设电桥的初始状态是平衡的，如果各应变片的电阻值发生了微小的 变化欲。，衄：，欲。，a r 。则电桥输出端的电流及电压均产生了相应的变化。由于 电桥输出端接应变仪的放大器，而后者具有很高的内阻，所以电桥输出端相当于 开路，输出的是电压： v：(rl+arl)(r4+ar4)-(r2+ar2)(r3+ar3)圪 ( 2 2 9 ) = = 一y 、厶厶了， ( r l + 歙l + r 2 + a r 2 ) ( r 3 + 欲3 + r 4 + a r 4 ) ” 由于a r ( ( r ，在分母中可忽略各歙项，在分子中可忽略各欲的高次项，并考 虑到电桥的初始平衡条件r 。r 。= r ：r 。，得： 矿：燮型1 二些墅堂墨k ( 2 3 0 ) ( r l + r 2 ) ( r 3 + 尺4 ) ” 当采用全桥电路测量转矩时，一般均采用电阻值相同，灵敏度相同的应变片组成 桥臂，即r l = r ：= r ，= r 。= r o 由此上式可写成： v ：垡型墅型1 2 二坐 ( 2 3 1 ) 如果电阻应变片按上图( a ) 所示方向和位置粘贴，因毛= 一乞= 岛= 一& 所以 从。= 一欲：= 欲，= 一欲。，由此可得全桥电路测量转矩的电压输出是： y = 等毯圪 当扭轴受到弯曲应力作用时，或者当环境温度变化时，因应变片的电阻变化 均满足蝇= 峨及挑= 欲。的条件，所以对桥路输出电压不产生影响。 扭矩计算公式如下： 因为： v = k 。占 t ：三g d 3 s( 2 3 2 ) 第二章转矩、转速测试原理 所以：t = k o v 其中 耻志甜 又。 v = k 。f k ，为压频转换系数 所以扭矩计算公式为： t = k o k l f k 。为应变桥常量； 为应变： 卜为弹性轴的剪切弹性模量； 卜为弹性轴直径； i 一为弹性轴有效工作长度； 数字式应变传感器输出是数字信号， 体积小，工作稳定，操作简单等特点 ( 2 3 3 ) ( 2 3 4 ) 很容易输入计算机处理，响应速度快， 2 4 传感器的比较与选型 针对上述两种传感器，作者进行了深入而细致的比较，电磁齿( 栅) 式转矩传 感代表厂家为湖南长沙湘仪动力测试仪器有限公司，该公司是具有悠久历史的扭 矩传感器专业厂家，在市场上占有相当多的份额，技术成熟，产品丰富；数字应 变式扭矩传感器代表厂家为北京三晶集团传感器事业部，该部凭借深厚的技术背 景开发出原理比较先进的数字式扭矩传感器，并有多项针对于扭矩传感器的专利。 下面将对两种传感器进行比较。 由表2 1 可以看出，两种类型传感器各有优缺点，湘仪j c 型传感器虽然精 度高，应用广泛，适合长期和高精度测量，但体积大，比较笨重。输出信号是模 拟信号，通过鉴相后得到扭矩值。三晶j n 3 3 8 型传感器尽管抗干扰能力强、体积 小、工作稳定，输出的t t l 频率信号可直接送入计算机处理，但是精度低，而且 使用前要预热，过载能力差。因此，本项目选用湘仪的j c 型传感器，以下将用 它作为测试传感器，进行系统设计。 表2 1 两种传感器的比较 t a b l e 2 1t h ec o m p a r i s o nb e t w e e nt o ws e n s o r s 比较项目北京三晶j n 3 3 8 型湘仪动测j c 型 2 0 第二章转矩、转速测试原理 a a a ba c 精度 1 0 5 o 2 0 2 线性度 0 3 0 1 0 5 测量范围0 0 1 1 0 0 0 0 n m 超量程0 2 - - 1 2 0 0 0 0 n m 可定做 环境温度o 一4 0 卜5