1、前言
轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器是集轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、功率為一體的高精度動(dòng)態(tài)測(cè)量?jī)x器。轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器與轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x(二次儀表或電腦采集卡)配套使用而構(gòu)成轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置。目前隨著我國(guó)裝備制造業(yè)的高速發(fā)展，尤其是在近幾年中，我國(guó)大功率動(dòng)力輸送和動(dòng)力轉(zhuǎn)化(如風(fēng)電等)設(shè)備制造領(lǐng)域的快速增長(zhǎng)和發(fā)展，使轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測(cè)量的需求在生產(chǎn)制造領(lǐng)域、產(chǎn)品檢測(cè)領(lǐng)域和新產(chǎn)品設(shè)計(jì)、研發(fā)領(lǐng)域都呈現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用和市場(chǎng)需求，因此合理正確地選擇和使用轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器及提高轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、功率等技術(shù)參數(shù)的動(dòng)態(tài)測(cè)量精度意義重大。在20世紀(jì)60年代，國(guó)際上已經(jīng)開(kāi)始研制出轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器，而且逐步將其應(yīng)用于動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速的測(cè)量之中，但由于當(dāng)時(shí)主導(dǎo)的設(shè)計(jì)理念的不同，形成了兩種結(jié)構(gòu)基本相同而測(cè)量信號(hào)生成不同轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速的傳感器。
當(dāng)時(shí)我國(guó)參考日本小野株式會(huì)社的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器，研制出了利用磁電信號(hào)轉(zhuǎn)換和相位差原理，將機(jī)械變形量轉(zhuǎn)換成有一定相位差的電壓信號(hào)的精密儀器而制成了磁電轉(zhuǎn)換式轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器。與此同時(shí)，美國(guó)和德國(guó)也研制出一種以應(yīng)變電阻計(jì)感應(yīng)式轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器，這種傳感器以彈性應(yīng)變軸受扭力影響而產(chǎn)生變形后，應(yīng)變電阻值產(chǎn)生變化，利用電橋原理將其電阻值的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)而輸出進(jìn)行測(cè)量。由于轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)不盡相同，故其在測(cè)量過(guò)程中的測(cè)量信號(hào)交換和輸出存在差異，所以其在轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速和功率動(dòng)態(tài)測(cè)量中的應(yīng)用也隨之產(chǎn)生不同精度的結(jié)果。故在不同的測(cè)量系統(tǒng)中應(yīng)依據(jù)本身測(cè)量系統(tǒng)的特點(diǎn)和特征，合理選擇與其相適宜的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)。正確選用轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，方可保證轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、功率等參數(shù)在動(dòng)態(tài)中的最佳精度和結(jié)果。
2、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)特征和工作原理
(1) JZ型和NJ型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器結(jié)構(gòu)特征和工作原理
JZ、 NJ型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器(簡(jiǎn)稱(chēng)“傳感器”)是根據(jù)磁電轉(zhuǎn)換和相位差原理，將轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速機(jī)械量轉(zhuǎn)換成兩路有一定相位差電壓信號(hào)的一種精密儀器，它與扭矩儀或扭矩卡配套使用，能直接測(cè)量各種動(dòng)力機(jī)械的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和機(jī)械功率，可以測(cè)量軸靜止?fàn)顟B(tài)至額定轉(zhuǎn)速范圍的轉(zhuǎn)矩。
其工作原理如圖1所示。在彈性軸的兩端安裝有信號(hào)齒輪，兩齒輪的上方各裝有一個(gè)信號(hào)線(xiàn)圈，在信號(hào)線(xiàn)圈內(nèi)均裝有磁鋼，與信號(hào)齒輪組成磁電信號(hào)發(fā)生器。當(dāng)信號(hào)齒輪隨彈性軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于信號(hào)齒輪的齒頂及齒谷交替周期性的掃過(guò)磁鋼的底部，使氣隙磁場(chǎng)產(chǎn)生周期性的變化，線(xiàn)圈內(nèi)部的磁通量亦產(chǎn)生周期性變化，使線(xiàn)圈中感應(yīng)出近似正弦波的交流電信號(hào)。這兩組交流電信號(hào)的頻率相同且與軸的轉(zhuǎn)速成正比，因此可以用來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)速;這兩組交流電信號(hào)之間的相位差與其安裝的相對(duì)位置及彈性軸所傳遞扭矩的大小及方向有關(guān)。當(dāng)彈性軸不受扭力時(shí)，兩組交流電信號(hào)之間。
的相位差只與信號(hào)線(xiàn)圈及齒輪的安裝相對(duì)位置有關(guān)，這一相位差一般稱(chēng)為初始相位差。在設(shè)計(jì)制造時(shí)，外齒輪與內(nèi)齒輪齒數(shù)相同但不嚙合，兩齒輪相差半個(gè)齒距左右，即兩組交流電信號(hào)之間的初始相位差在180°左右。彈性軸受扭時(shí)，將產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，使兩組交流電信號(hào)之間的相位差發(fā)生變化，在彈性變形范圍內(nèi)，相位差變化的絕對(duì)值與轉(zhuǎn)矩的大小成正比。把這兩組交流電信號(hào)用專(zhuān)用屏蔽電纜線(xiàn)送入扭矩儀或通過(guò)扭矩卡送入計(jì)算機(jī)，即可測(cè)得轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速及功率的精確值。
為了提高測(cè)量精度及信號(hào)幅值，兩端的信號(hào)發(fā)生器由安裝在彈性軸上的外齒輪、安裝在套筒內(nèi)的內(nèi)齒輪、固定在機(jī)座內(nèi)的導(dǎo)磁環(huán)、磁鋼、線(xiàn)圈及導(dǎo)磁支架組成封閉的磁路。套筒的作用是當(dāng)彈性軸的轉(zhuǎn)速較低或者不轉(zhuǎn)時(shí)，通過(guò)傳感器的小電機(jī)經(jīng)皮帶帶動(dòng)套筒，使內(nèi)齒輪反向轉(zhuǎn)動(dòng)，提高內(nèi)、外齒輪之間的相對(duì)轉(zhuǎn)速，以增加輸出信號(hào)幅度，保證轉(zhuǎn)矩測(cè)量精度。
(2) JN和TQ系列扭矩傳感器的結(jié)構(gòu)特征和工作原理
扭矩傳感器扭矩?cái)?shù)值的測(cè)量采用應(yīng)變電測(cè)原理，當(dāng)應(yīng)變軸受扭力影響產(chǎn)生微小變形后，粘貼在應(yīng)變軸上的應(yīng)變計(jì)阻值發(fā)生相應(yīng)變化，我們將具有相同應(yīng)變特性的應(yīng)變計(jì)組成測(cè)量電橋，應(yīng)變電阻的變化即可轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)的變化進(jìn)行測(cè)量。扭矩測(cè)量的主要原理見(jiàn)圖2。由于采用了能源與信號(hào)的無(wú)接觸耦合，實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下扭矩(轉(zhuǎn)矩)數(shù)值的測(cè)量。
扭矩傳感器的軸上裝有測(cè)速碼盤(pán)，當(dāng)測(cè)速碼盤(pán)連續(xù)旋轉(zhuǎn)時(shí)，通過(guò)光電開(kāi)關(guān)輸出具有一定周期寬度的脈沖信號(hào)，根據(jù)碼盤(pán)的齒數(shù)和輸出信號(hào)的頻率，即可計(jì)算出相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。
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