使用桥式传感器测量扭矩

什么是扭矩？ 

力是物体之间相互作用的度量：每一个作用力都有一个大小相等、方向相反的反作用力。力可认为是通过推、拉物体形成的。它是一个矢量，有其大小跟方向。 

扭矩是使物体围绕轴转动的一种力矩。正如力是推拉产生的，扭矩是通过扭转物体产生的。扭矩的国际单位是牛米(Nm)。用一个简单的公式来表示，扭矩等于力乘以力臂，顺时针施加的扭力为正，逆时针为负。扭矩传感器由贴附在扭力杆上的应变计组成。当杆转动时，应变计会响应杆的剪应力，此力与扭矩成正比。

测量扭矩

测量扭矩有两种常用的方法：静态扭矩传感器和动态扭矩传感器 - 主要区别在于传感器是否可以随着待测设备旋转。

静态扭矩传感器

静态扭矩是指在通电情况下，设备的旋转部分对固定部分所施加的一个转力或力矩。当驱动源施加旋转动力而荷载源保持固定，此时检测出的扭矩就是静态扭矩。静态扭矩传感器的传感元件由于固定在外壳上而受到限制，无法旋转360°，而且没有线缆包裹。此类传感器多用于测量往复搅拌运动的扭矩。由于静态扭矩传感器不使用轴承、滑环或其他旋转元件，因此安装和使用成本较低。

动态扭矩传感器

动态扭矩传感器的设计和应用与静态扭矩传感器大致相同，不同的是动态扭矩传感器的位置与待测设备成一直线。由于动态扭矩传感器的轴可以360度旋转，可将来自旋转体的信号传输到固定表面。

这种传感器有三种常见的安装方法：滑环、旋转变压器或遥测。

滑环法：

 

滑环法就是将应变桥连接到旋转轴上的四个银滑环。银石墨碳刷在滑环上摩擦，为桥激励输入和输出信号提供电通路。可使用交流或直流电源来激励应变桥。

旋转变压器法：

对于变压器法，旋转变压器与传统变压器的差异就在于其主或次线圈可以旋转。一个变压器将交流激励电压输送到应变桥，另一个变压器将信号输出传送到换能器中的非旋转部分。这样，两个变压器取代四个滑环，换能器的旋转元件和固定元件之间无需直接接触。

数字遥测法：

数字遥测系统中没有任何接触点。整个系统由收发器模块、耦合模块、信号处理模块组成。发射器模块集成在扭矩传感器中，对传感器信号进行放大，数字化并调制射频载波，由卡尺耦合模块（接收器）接收。随后由信号处理模块恢复数字测量数据。

选择合适的扭矩传感器

扭矩传感器的选择主要取决于量程需求以及物理或环境因素。

量程 - 要正确选择量程，就要先确定所需的最大和最小扭矩。多余的扭矩和力矩会增加复合应力，从而加速传感器疲劳，影响精准度和性能。除了扭矩以外的任何载荷，如轴向载荷、径向载荷、弯曲载荷都视为外载荷，应予以事先确定。如果安装时不能将这些载荷的影响最小化，可查看传感器文档，判断外载荷是否在传感器的载荷范围内。

物理和环境需求 - 评估所有物理约束条件（如长度、直径等）及扭矩传感器在系统中的安装方式。充分考虑传感器的运行环境，确保在较宽温度范围、湿度和污染物（油、污垢、灰尘）环境下的性能。

每分钟转速(rpm) - 对于动态扭矩传感器，需要理解的是动态扭矩传感器的RPM取决于传感器的运行时间及速度。

扭矩传感器适用的信号调理

扭矩传感器可以具有调理功能，也可以不具有调理功能。具有调理功能的传感器可直接连接到DAQ设备，因为这类传感器具有滤波、信号放大和激励导线所需的组件以及测量所需的常规电路。如果是不具备调理功能的传感器，则在搭建高效的桥式扭矩测量系统时需要考虑多个信号调理元素。您可能需要进行以下一项或多项操作：

• 激励，为惠斯通电桥供电 - 查看应变测量资源，了解更多信息
• 遥感探测，用于补偿长导线的激励电压误差
• 放大，可提高测量精度和信噪比
• 滤波，可去除外部高频噪声
• 偏置归零，当未施加任何应力时，可将桥输出平衡至0 V
• 分流校准，根据已知的预期值验证桥的输出

如需了解如何补偿这些误差以及桥式扭矩测量的其他硬件考量因素，请下载精确传感器测量工程师指南。

将扭矩传感器连接至NI硬件

在了解了传感器或测试需求后，就需要决定采集数据所需的硬件。采集硬件的质量决定了所采集数据的质量。 

NI提供一系列力和桥测量硬件来采集扭矩数据，且与各种桥式扭矩传感器兼容。