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超大量程转矩测量装置的选择徐进武汉船用电力推进装置研究所摘要：通过某大型电机试验室的转矩测量装置选型过程，对超大量程转矩测量仪的选择进行介绍。转矩测量装置应在满足高测量精度要求同时，能够对量程为超大量程的转矩进行测量。关键词：转矩测量装置超大量程选型ChoiceoftheSuper-rangTorquemeterXuJinAbstract：Thispaperintroducesthechoiceoftorquemeterthroughtheprocessofchoiceinalaboratory.Thetorquemetermeetsthebothrequirementofmeasuringaccuracyandsuper_rang.Keywords：torquemetersuper_rangelection1引言某大型电机试验室在新型电力推进系统的试验过程中，由于推进电机输出功率高、转矩大，为准确测量转矩值，达到检测产品技术性能指标的目的，需要选用一套转矩测试仪对转矩进行精确测量。该转矩测量仪的量程大大超过常用的测量范围，属于超大量程的测量范围，测量仪的选型困难，在此介绍我们对此种测量仪的选型情况。2常用转矩测量方法2.1转矩测量仪的基本类型在机械传动系统中，转矩是反映设备性能最典型的机械量之一。随着现代科学技术的迅猛发展，转矩测量技术已经充分引起人们的重视，成为测试技术的新分支。准确的转矩测量，能够为旋转机械的设计提供科学的数据，能够对动力机械的功率输出是否达到设计值进行必要的检验，能够对动力机械的运行状况进行必要的监视和故障报警。2.1.1从原理划分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。目前，国内外研制和开发的转矩传感器种类很多，从原理上划分，主要分为三大类，即传递类、平衡类及能量转换类。传递类转矩测量仪小巧轻便，既可以串接到被测设备的传动系统中去测量转矩，也可以附加在被测设备传动系统的传动轴上来测量转矩，测试时不需要改变被测设备传动系统的结构，也不需要移动被测设备，便于进行现场测试，测量准确度高，能够真实有效的反映机械的实际情况。平衡类转矩测量仪仅能够测量静态或匀速工作情况下的转矩，不能测量动态转矩。能量转换类转矩测量仪的测量为间接测量方式，测量误差比较大，常达±（10～15）%，所以只有在无法进行直接测量的场合下，才采用这种方法。2.1.2从转矩量程大小划分对应国际转矩计量界的习惯做法，我国工业系统转矩计量专业对转矩量程的大小划分为：超大量程转矩（50kN·m～2.5MN·m）大量程转矩（5～50kN·m）中量程转矩（10N·m～5kN·m）小量程转矩（5mN·m～10N·m）微小量程转矩（5μN·m～5mN·m）2.2传递类转矩测量仪的分类传递类转矩测量仪应用面广，测量结果准确，在3大类转矩测量仪中约占80%，因此选型时对其它2类转矩测量仪不予考虑。传递类转矩测量仪可以分为：光学式光电式磁电式电容式振弦式机械式磁弹式光弹式应变型电阻应变片式按照转矩测量仪的不同安装方式，可分为：1）介入式。介入式转矩测量仪必须作为传动轴的一部分才能够测量转矩，一般用于试验室、台架试验；在被测试设备实际运行情况下，应不允许断开轴系，其应用受到限制。2）不介入式。不介入式测量仪是采用两组卡环紧固在被测传动轴上，卡环之间安装测力棒，敏感转转变形，因此无需断开轴系即可测得转矩。变形型应力型传递类转矩测量仪根据其转矩信号的传输方式不同，还可以分为接触式和非接触式两类，其中：接触式有机械式、导电滑环式等几种，非接触式有光波式、磁场式、电场式、无线电波式等多种形式。机械式液压式气动式导电滑环式光波式磁场式电场式无线电波式放射线式微波式3转矩测量装置选择3.1选型要求某大型电力推进系统试验室需要配备一台转矩测量仪，以便在新型推进电机的试验中精确测量输出转矩和功率，计算电机效率，检验是否达到设计指标。要求的转矩测量范围是1～2MN·m,其量程已经达到超大量程的上限；另外，测试现场存在强的电磁干扰，该转矩测量仪要在不利的环境条件下，满足测量的数据可靠性以及高的转矩测量精度要求。3.2选型原则转矩测量仪的选择，要根据被测对象转矩的类型、使用场合的工况条件、被测对象的结构特点及测试部位、被测对象的转速情况及额定转矩值等进行选型。1）如果测量对象是动态转矩，例如测量电机的起动曲线、停止曲线以及各种工况的变化过程情况，应选择具有模拟量输出口，可以输出模拟量的测量仪。2）在试验室场合使用，尽量选用精度较高的转矩仪，精度等级不应该低于0.5级或1级；如果使用场合是工业现场，则必须选用可靠性高、结构简单的转矩仪，而精度不要求太高，精确度等级一般为1级、2级、3级即可。3）尽量使用不介入式传感器，在测量场合可以不断开轴系。如果使用介入式传感器，必须断开轴系，弹性轴作为机器的一个部件介入整个传动系统中，使用不方便。4）尽量使用非接触式信号传输方式。接触式传输使用较多的滑环式，滑环容易磨损、需要接触式非接触式经常清洗、安装困难、信号测量准确性不高，而且测量旋转转矩时允许的测量速度受到很大限制。测量对象转速较高时，必须使用无接触式转矩仪。5）转矩传感器量程的选择方面，考虑到传感器的精确度是按满量程计算的，因此传感器的量程对于被测的额定转矩而言，既不能太大，以免实际测量时测量误差太大。另一方面，传感器的量程对被测对象而言，必须有充足的裕度。因此，如果被测转矩有弦振现象，即在稳态转矩上叠加弦振转矩幅值，则传感器的量程不大于被测转矩的1.5倍；若测量的是动态转矩，所选的传感器量程一般应是额定转矩的2倍以上。6）安装使用方便。不同类型的传感器有不同的安装要求，例如磁电式转矩传感器的安装必须严格对中，否则将使得传感器弹性轴发生弯曲，产生附加误差，而且安装时水平安装轴系没有对中、会使得传感器安装不当，3.3各类转矩传感器比较3.3.1现代转矩传感器的要求随着各种系统的自动化程度和复杂性的提高，需要获取的信息越来越多。转矩传感器不仅在精度、可靠性和响应速度有更高的需求，还要有标准输出形式以便和系统连接。世界各个国家和厂家的转矩传感器产品争奇斗艳，各具特色。现代转矩测量技术的发展方向是：能够动态在线检测；直接测量应力或转矩，以提高测量精度；传感器应为不介入式，使得实际工况测量方便；信号的传输，采用非接触式传输；测量装置的数字化、智能化和网络化；需要多功能，包括自动补偿、自动修正、自适应、自适应、信息的存储和记忆等。现在使用上，电阻应变式转矩仪和磁电式转矩仪最为普遍，也有代表着世界新潮流的磁弹式转矩仪。3.3.2磁弹式转矩仪磁弹式转矩传感器是非接触式传感器，安装使用方便，且不需要占用较大的空间。磁弹式转矩传感器是利用铁磁材料的磁弹性效应（压磁效应）测量转矩的仪表。由于测量元件不与转轴接触，不随转轴运动，因此信号的引出较方便，不用导电滑环，可靠性高，坚固耐用，安装使用方便，且对温度和干扰不敏感。磁弹性转矩传感器对转轴的材料要求低，一般用低、中碳钢即可。铁磁材料的磁导率是一个结构应力敏感参数，磁性材料在机械应力的作用下，其材料的磁导率将发生变化，这种效应称为磁弹性效应。转轴中的应力变化将引起磁导率的相应变化，而磁导率的变化又导致传感器磁路磁阻变化，最终转化成检验线圈中磁通的变化。其信息变换过程如下：T→△δ→△μ→△Rm→△V式中：T为转矩；△δ为被测轴表面最大正应力变化量；△μ为被测轴磁导率的变化量；△Rm为被测轴磁阻的变化量；△V为传感器输出电压的变化量。可以看出，传感器的测量转轴为非理想的弹性材料，在材料的弹性模量以及磁性和磁弹性特性方面会引起难以计算的误差。这些是值得进一步研究的问题，影响了磁弹性传感器的应用。3.3.3磁电式转矩仪磁电式转矩仪问世早、应用面广、数量多，是利用具有机械弹性的被测轴在转矩作用下产生弹性变形来测量转矩的仪表。磁电式传感器由转子和定子两部份组成，转子是固定在转轴上的一对由磁性材料制造的齿轮，定子是基座上安装的一对由磁钢、磁极、线圈等组成的磁感应器。因此，其原理就是变磁阻感应发电式传感器。当弹性轴不受转矩作用时，由于两个齿轮安装的差别，它们的齿之间存在一个初始角度θ，两个线圈的感应电动势有一个起始相位差Zθ＝δ。当弹性轴受到转矩作用而产生弹性变形时，两个齿轮齿的对应位置又变化了一个角度△θ，两个线圈的感应电动势e1与e2间的相位差也随之变化了一个角度△δ：△δ＝Z·△θ＝Z·T·l/(G·Ip)由此式可见，两电动势之间的相位差△δ与转矩T成正比。通过测量转换电路，就可以将△δ转换成与转矩成正比的电信号。由上述可见，两个齿轮的相对运动是使得传感器产生信号的必要条件，因此传感器适用于测量高转速，且可以实现非接触测量，但是在低转速情况下精度会受影响。另外，磁感应器是传感器的磁路，容易受到测量环境中强电磁场的干扰，影响转矩测量的精确度和可靠性。3.3.4电阻应变式转矩仪电阻应变式转矩测量法，是在整个传动系统轴系的适当部位粘贴应变片，敏感由于构件受力产生的表面应变，致使电阻应变片的相对电阻发生变化，通过全桥方式连接而成的惠斯登电桥，准确的转换为电信号。这种测量仪应用广泛，既可以应用于试验室，也可用于环境条件复杂的现场测试。其优点是：具有良好的温度补偿性能；能够消除弯曲应力、轴向应力的影响；无需断开轴系。这种传感器的主要缺点是应变片的粘贴工艺对测量有很大影响。应变片的粘贴部位是否准确，粘合剂的选用、粘贴方法是否正确等，对于传感器的工作特性，如蠕变、滞后、灵敏系数、线性等，都有较大影响。3.4转矩传感器的选择世界各个国家和厂家的转矩传感器产品争奇斗艳，各具特色。对比各种转矩传感器的特点，认为电阻应变式传感器的技术成熟，在超大量程转矩测量方面可靠性较好，技术风险低。针对此型传感器测量精度上的缺点，选用对转矩传感器进行改进后的产品，如对应变式传感器改进为密封型挠曲传感器，以及测量轴与测量应变片一体化设计。德国HBM公司生产的电阻应变式转矩测量仪，其测量应变片和测量轴成一体化设计，组成转矩传感器，最大限度消除不合理的应变片粘贴工艺质量对测量精度影响；美国Acurex公司的一个分公司WDC公司，生产卡环式应变传感器，其使用的密封型挠曲传感器是专利产品，传感杆按照已知量移动和挠曲，消除了应变片粘贴工艺质量对测量精度影响；上海704研究所生产卡环式应变传感器，敏感被测轴的扭转变形角，变形量与转矩成正比。对以上3个公司的产品进行具体性能对比如表1所示。表1转矩测量仪性能对比性能指标厂家德国HBM公司美国WDC公司704研究所传感器测量精度±0.1%————测量装置的系统测量精度——±1%±1%线性度±0.05%±0.01%±0.05%迟滞量±0.05%±0.05%±0.05%重复性±0.03%±0.05%±0.05%允许过载120%150%150%温度补偿自动温度补偿，补偿范围10℃～60℃自动温度补偿，补偿范围5℃～60℃自动温度补偿，补偿范围5℃～60℃信号传输方式非接触非接触，感应式非接触，感应式；供电为电刷滑环式是否介入式是否否衡量测量性能好坏的指标，除了精度以外，线性度、迟滞、重复性指标也很重要。转矩传感器中的弹性元件、信息交换元件及测量系统中的放大元件、指示器等都可能造成误差。转矩测量装置的选择应综合考虑各方面的因素。德国HBM公司产品的测量精度高于其它两家公司的产品，但是这个产品属于介入式的传感器，必须作为整个传动轴系的一部分才能使用，而且需要加装高性能的弹性联轴器以消除对测量精度的影响，在使用中造成不便；美国WDC公司的产品为卡环式传感器，属于不介入式传感器，使用时无须断开轴系，给实际工况测量转矩带来很大的方便，在精度要求不是太高时可以选用，但是售后服务支持和使用期间的计量检定方面有不足；上海704研究所的产品是不介入式传感器，虽然其接触式滑环供电方式易磨损、需要定期清洗电刷和更换电刷、安装困难、容易引入干扰信号，在使用和维护方面有诸多不便之处，但同时也应注意到，作为国内产品其在售后服务以及使用期间的计量检定方面有较大优势。在