力学量检测技术-转矩

力学量检测技术----转矩的测量在生产、科研等各个领域中，压力、力和转矩是经常需要测量的重要参数。这些参数都是力的现象，因此在测量方法和所用仪器设备上有很多相同的地方。本章介绍转矩的测量方法、测量中所用的仪器设备及所用典型传感器的基本原理及结构。转矩测量转矩是各种工作机械传动轴的基本载荷形式，与动力机械的工作能力、能源消耗、效率、运转寿命及安全性能等因素紧密联系。转矩的测量对传动轴载荷的确定与控制、传动系统工作零件的强度设计以及原动机容量的选择等都具有重要的意义。转矩的概念1.转矩的定义及单位使机械元件转动的力矩或力偶称为转动力矩，简称转矩。机械元件在转矩作用下都会产生一定程度的扭转变形，故转矩有时又称为扭矩。在国际单位制(SI)中，转矩的计量单位为牛顿·米(N·m)，工程技术中也曾用过公斤力·米等作为转矩的计量单位。2.转矩的类型转矩可分为静态转矩和动态转矩。静态转矩是值不随时间变化或变化很小、很缓慢的转矩。静态转矩包括静止转矩、恒定转矩、缓变转矩和微脉动转矩。静止转矩的值为常数，传动轴不旋转；恒定转矩的值为常数，但传动轴以匀速旋转，如电机稳定工作时的转矩；缓变转矩的值随时间缓慢变化，但在短时间内可认为转矩值是不变的；微脉动转矩的瞬时值有幅度不大的脉动变化。动态转矩是值随时间变化很大的转矩。动态转矩包括振动转矩、过渡转矩和随机转矩三种。振动转矩的值是周期性波动的；过渡转矩是机械从一种工况转换到另一种工况时的转矩变化过程；随机转矩是一种不确定的、变化无规律的转矩。3.转矩的测量方法转矩的测量方法可以分为平衡力法、能量转换法和传递法。其中传递法涉及的转矩测量仪器种类最多，应用也最广泛。平衡力法能量转换法传递法(1)平衡力法及平衡力类转矩测量装置通过测量机体上的平衡力矩(实际上是测量力和力臂)来确定动力机械主轴上工作转矩的方法称为平衡力法。平衡力法直接从机体上测转矩，不存在从旋转件到静止件的转矩传递问题。但它仅适合测量匀速工作情况下的转矩，不能测动态转矩。(2)能量转换法依据能量守恒定律，通过测量其他形式能量如电能、热能参数来测量旋转机械的机械能，进而求得转矩的方法即能量转换法。从方法上讲，能量转换法实际上就是对功率和转速进行测量的方法。能量转换法测转矩一般只在电机和液机方面有较多的应用。(3)传递法传递法是指利用弹性元件在传递转矩时物理参数的变化与转矩的对应关系来测量转矩的一类方法。本节介绍基于传递法原理的几种转矩测量方法和仪器。3.3.2传递法转矩测量转矩测量仪器及装置很多，应根据使用环境、测量精度等要求来选择。1.应变式转矩测量应变式转矩测量仪通过测量由于转矩作用在转轴上产生的应变来测量转矩。根据材料力学的理论，转轴在转矩M的作用下，其横截面上最大剪应力τmax与轴截面系数W和转矩M之间的关系为:(3-20)(3-21)式中D为轴的外径；d为空心轴的内径。τmax无法用应变片来测量，但与转轴中心线成±45夹角方向上的正负主应力和的数值等于τmax，即(3-22)WMmax443116DdDW）（44max3116dDDM根据应力应变关系，应变为(3-23)(3-24)式中E为材料的弹性模量(Pa)；μ为材料的泊松比。这样就可沿正负主应力和的方向贴应变片，测出应变即可知其轴上所受的转矩M。应变片可以直接贴在需要测量转矩的转轴上，也可以贴在一根特制的轴上制成应变式转矩传感器，用于各种需要测量转矩的场合。4413111161dDEDMEEE4431331161dDEDMEEE图3-28为应变片式转矩传感器，在沿轴向±45方向上分别粘贴有四个应变片，感受轴的最大正、负应变，将其组成全桥电路，则可输出与转矩M成正比的电压信号。这种接法可以消除轴向力和弯曲力的干扰。图3-28应变片式转矩传感器应变式转矩传感器结构简单，精度较高。贴在转轴上的电阻应变片与测量电路一般通过集流环连接。集流环有电刷-滑环式、水银式和感应式等。集流环存在触点磨损和信号不稳定等问题，不适于测量高速转轴的转矩。近年来，巳研制出遥测应变式转矩仪，它在上述应变电桥后，将输出电压用无线发射的方式传输，有效地解决了上述问题。2.压磁式转矩传感器铁磁材料制成的转轴，具有压磁效应，在受转矩作用后，沿拉应力+方向磁阻减小，沿压应力-方向磁阻增大。图3-29压磁式转矩传感器在铁芯线圈A中通以50Hz的交流电，形成交变磁场。转轴未受转矩作用时，其各向磁阻相同，BB方向正好处于磁力线的等位中心线上，因而铁芯B上的绕组不会产生感应电势。当转轴受转矩作用时，其表面上出现各向异性磁阻特性，磁力线将重新分布，而不再对称，因此在铁芯B的线圈上产生感应电势。转矩愈大，感应电势愈大，在一定范围内，感应电势与转矩成线性关系。这样就可通过测量感应电势e来测定轴上转矩的大小。3.扭转角式转矩测量扭转角式转矩测量法是通过扭转角来测量转矩的。根据材料力学，在转矩M作用下，转轴上相距L的两横截面之间的相对转角为:(3-25)式中G为轴的剪切弹性模量。GdDML4432由(3-25)式可知，当转轴受转矩作用时，其上两截面间的相对扭转角与转矩成比例，因此可以通过测量扭转角来测量转矩。根据这一原理，可以制成光电式、相位差式、振弦式转矩传感器等。(1)光电式转矩传感器图3-30光电式转矩传感器光电式转矩传感器如图3-30所示。在转轴上安装两个光栅圆盘，两个光栅盘外侧设有光源和光敏元件。无转矩作用时，两光栅的明暗条纹相互错开，完全遮挡住光路，因此放置于光栅一侧的光敏元件接收不到来自光栅盘另一侧的光源的光信号，无电信号输出。当有转矩作用于转轴上时，由于轴的扭转变形，安装光栅处的两截面产生相对转角，两片光栅的暗条纹逐渐重合，部分光线透过两光栅而照射到光敏元件上，从而输出电信号。转矩越大，扭转角越大，照射到光敏元件上的光越多，因而输出电信号也越大。(2)相位差式转矩传感器图3-31所示是基于磁感应原理的磁电相位差式转矩传感器。图3-31相位差式转矩传感器它在被测转轴相距L的两端处各安装一个齿形转轮，靠近转轮沿径向各放置一个感应式脉冲发生器(在永久磁铁上绕一固定线圈而成)。当转轮的齿顶对准永久磁铁的磁极时，磁路气隙减小，磁阻减小，磁通增大；当转轮转过半个齿距时，齿谷对准磁极，气隙增大，磁通减小，变化的磁通在感应线圈中产生感应电势。无转矩作用时，转轴上安装转轮的两处无相对角位移，两个脉冲发生器的输出信号相位相同。当有转矩作用时，两转轮之间就产生相对角位移，两个脉冲发生器的输出感应电势出现与转矩成比例的相位差，设转轮齿数为N，则相位差:(3-26)代入(3-25)式，得:(3-27)可见只要测出相位差就可测得转矩。N的选取应使相位差满足：与光电式转矩传感器一样，相位差式转矩传感器也是非接触测量，结构简单，工作可靠，对环境条件要求不高，精度一般可达0.2％。NNLGdDM32)(442/(3)振弦式转矩传感器图3-32振弦式转矩传感器在被测轴上相隔距离的两个面上固定安装着两个测量环，两根振弦分别被夹紧在测量环的支架上。当轴受转矩作用时，两个测量环之间产生一相对转角，并使两根振弦中的一根张力增大，另一根张力减小，张力的改变将引起振弦自振频率的变化。自振频率与所受外力的平方根成正比，因此测出两振弦的振动频率差，就可知转矩大小。在安装振弦时必须使其有一定的预紧力。