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转矩转速传感器在测量使用中的动态精度分析

发布日期: 2020-06-05 02:22
 

  由于转矩转速传感器的结构不尽相同,故其在测量过程中的测量信号交换和输出存在差异,所以其在转矩转速和功率动态测量中的应用也随之产生不同精度的结果。故在不同的测量系统中应依据本身测量系统的特点和特征,合理选择与其相适宜的转矩转速测量系统。正确选用转矩转速传感器和数据处理系统,方可保证转矩、转速、功率等参数在动态中的最佳精度和结果。

  转矩转速传感器是集转矩、转速、功率为一体的高精度动态测量仪器。转矩转速传感器与转矩转速测量仪(二次仪表或电脑采集卡)配套使用而构成转矩转速测量装置。目前随着我国装备制造业的高速发展,尤其是在近几年中,我国大功率动力输送和动力转化(如风电等)设备制造领域的快速增长和发展,使转矩转速测量的需求在生产制造领域、产品检测领域和新产品设计、研发领域都呈现出广泛的应用和市场需求,因此合理正确地选择和使用转矩转速传感器及提高转矩、转速、功率等技术参数的动态测量精度意义重大。在20世纪60年代,国际上已经开始研制出转矩转速传感器,而且逐步将其应用于动态转矩转速的测量之中,但由于当时主导的设计理念的不同,形成了两种结构基本相同而测量信号生成不同转矩转速的传感器。

  当时我国参考日本小野株式会社的转矩转速传感器,研制出了利用磁电信号转换和相位差原理,将机械变形量转换成有一定相位差的电压信号的精密仪器而制成了磁电转换式转矩转速传感器。与此同时,美国和德国也研制出一种以应变电阻计感应式转矩转速传感器,这种传感器以弹性应变轴受扭力影响而产生变形后,应变电阻值产生变化,利用电桥原理将其电阻值的变化转变为电压信号而输出进行测量。由于转矩转速传感器的结构不尽相同,故其在测量过程中的测量信号交换和输出存在差异,所以其在转矩转速和功率动态测量中的应用也随之产生不同精度的结果。故在不同的测量系统中应依据本身测量系统的特点和特征,合理选择与其相适宜的转矩转速测量系统。正确选用转矩转速传感器和数据处理系统,方可保证转矩、转速、功率等参数在动态中的最佳精度和结果。

  JZ、 NJ型转矩转速传感器(简称“传感器”)是根据磁电转换和相位差原理,将转矩、转速机械量转换成两路有一定相位差电压信号的一种精密仪器,它与扭矩仪或扭矩卡配套使用,能直接测量各种动力机械的转矩、转速和机械功率,可以测量轴静止状态至额定转速范围的转矩。

  其工作原理如图1所示。在弹性轴的两端安装有信号齿轮,两齿轮的上方各装有一个信号线圈,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,使气隙磁场产生周期性的变化,线圈内部的磁通量亦产生周期性变化,使线圈中感应出近似正弦波的交流电信号。这两组交流电信号的频率相同且与轴的转速成正比,因此可以用来测量转速;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。当弹性轴不受扭力时,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,外齿轮与内齿轮齿数相同但不啮合,两齿轮相差半个齿距左右,即两组交流电信号之间的初始相位差在180°左右。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正比。把这两组交流电信号用专用屏蔽电缆线送入扭矩仪或通过扭矩卡送入计算机,即可测得转矩、转速及功率的精确值。

  为了提高测量精度及信号幅值,两端的信号发生器由安装在弹性轴上的外齿轮、安装在套筒内的内齿轮、固定在机座内的导磁环、磁钢、线圈及导磁支架组成封闭的磁路。套筒的作用是当弹性轴的转速较低或者不转时,通过传感器的小电机经皮带带动套筒,使内齿轮反向转动,提高内、外齿轮之间的相对转速,以增加输出信号幅度,保证转矩测量精度。

  扭矩传感器扭矩数值的测量采用应变电测原理,当应变轴受扭力影响产生微小变形后,粘贴在应变轴上的应变计阻值发生相应变化,我们将具有相同应变特性的应变计组成测量电桥,应变电阻的变化即可转变为电压信号的变化进行测量。扭矩测量的主要原理见图2。由于采用了能源与信号的无接触耦合,实现了旋转状态下扭矩(转矩)数值的测量。

  扭矩传感器的轴上装有测速码盘,当测速码盘连续旋转时,通过光电开关输出具有一定周期宽度的脉冲信号,根据码盘的齿数和输出信号的频率,即可计算出相应的转速。

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