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使用角度傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)矩的新方法

時(shí)間:2018-08-31 16:33:38來(lái)源:Darran Kreit

導(dǎo)語(yǔ):?在一個(gè)連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的軸上測(cè)量轉(zhuǎn)矩比較困難,有幾種方式可以做到。最常用的方式是從轉(zhuǎn)動(dòng)軸所需要的能量來(lái)推導(dǎo)出轉(zhuǎn)矩。通常來(lái)說(shuō),這意味著要測(cè)量驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的電機(jī)的電流。雖然這很簡(jiǎn)單但是不精確,因?yàn)殡娏鞯南呐c其他因素有關(guān),比如速度、供電電壓、軸承狀況以及溫度。

在一個(gè)連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的軸上測(cè)量轉(zhuǎn)矩比較困難,有幾種方式可以做到。最常用的方式是從轉(zhuǎn)動(dòng)軸所需要的能量來(lái)推導(dǎo)出轉(zhuǎn)矩。通常來(lái)說(shuō),這意味著要測(cè)量驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的電機(jī)的電流。雖然這很簡(jiǎn)單但是不精確,因?yàn)殡娏鞯南呐c其他因素有關(guān),比如速度、供電電壓、軸承狀況以及溫度。

更加精確的方式是使用應(yīng)變計(jì)測(cè)量軸上面的扭轉(zhuǎn)變形,或者使用表面聲波(SAW)設(shè)備。盡管這種方法精確,不過(guò)它要么需要一個(gè)滑動(dòng)環(huán),要么需要用來(lái)將軸上的應(yīng)變計(jì)與外部世界進(jìn)行信號(hào)傳輸?shù)臒o(wú)線手段。

應(yīng)變計(jì)常常會(huì)有大的溫度系數(shù),而且有個(gè)不好的習(xí)慣,在惡劣狀況下容易松動(dòng)。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)用應(yīng)變計(jì)或SAW設(shè)備測(cè)量轉(zhuǎn)矩一般都沒(méi)問(wèn)題,但是對(duì)于很多工業(yè)應(yīng)用來(lái)說(shuō)并不適用。

引擎的轉(zhuǎn)矩是通過(guò)扭轉(zhuǎn)進(jìn)行測(cè)量的,因此軸上的轉(zhuǎn)矩是通過(guò)測(cè)量安裝在軸上的并與軸保持在一條直線上的兩臺(tái)“多速”旋轉(zhuǎn)變壓器之間的相位移而得出的。隨著軸的轉(zhuǎn)動(dòng),每個(gè)旋轉(zhuǎn)變壓器產(chǎn)生兩個(gè)信號(hào),一個(gè)信號(hào)按照正弦曲線變化,另一個(gè)按照余弦曲線變化。

如果所加載的轉(zhuǎn)矩是零,來(lái)自于兩臺(tái)旋轉(zhuǎn)變壓器的信號(hào)顯示相位移為零。隨著加載轉(zhuǎn)矩,看起來(lái)其中一個(gè)輸出信號(hào)的相位相對(duì)于另一個(gè)發(fā)生了位移。相位移和所加載的轉(zhuǎn)矩是直接成比例的。如果使用一個(gè)多速旋轉(zhuǎn)變壓器配上很大的周期數(shù),則只需要一個(gè)很小的扭轉(zhuǎn)就能產(chǎn)生明顯的相位移。

這使得這項(xiàng)技術(shù)很靈敏,適合用于測(cè)量扭轉(zhuǎn)在小于1度甚至是小于0.1度的情況??梢允褂脤iT(mén)的柔性軸或同心布置兩個(gè)旋轉(zhuǎn)變壓器(一臺(tái)位于另一臺(tái)的內(nèi)部),并且將軸的內(nèi)部和外部通過(guò)一個(gè)強(qiáng)度大的扭力彈簧連接在一起。

隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展,越來(lái)越多的旋轉(zhuǎn)變壓器將被更加現(xiàn)代的感應(yīng)式編碼器解決方案所替代。感應(yīng)式編碼器使用與旋轉(zhuǎn)變壓器相同的感應(yīng)原理進(jìn)行操作,不過(guò)它們使用印刷電路板而不是繞線式的變壓器結(jié)構(gòu)。這對(duì)于幫助最大限度地減少感應(yīng)式編碼器的體積、重量和成本,同時(shí)最大化其測(cè)量性能是非常重要的。此外,感應(yīng)式編碼器還提供了簡(jiǎn)單易用的電氣接口——直流電源輸入和串行數(shù)據(jù)輸出。

因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)上感應(yīng)式編碼器與旋轉(zhuǎn)變壓器采用了相同的基礎(chǔ)物理特性,所以它們具有相同的操作優(yōu)勢(shì)。它們是平的,中間有個(gè)大洞,如同旋轉(zhuǎn)變壓器一樣,無(wú)需使用滑動(dòng)環(huán)。使用感應(yīng)式編碼器可以測(cè)量轉(zhuǎn)矩和絕對(duì)角度。

因?yàn)楦袘?yīng)式編碼器的所有電子元件都已經(jīng)在其定子內(nèi),不需要單獨(dú)指定和提供電子元件。感應(yīng)式編碼器還可以提供每轉(zhuǎn)最高400萬(wàn)次計(jì)數(shù),因此一個(gè)很小角度的扭轉(zhuǎn)都足夠帶來(lái)很高解析度的轉(zhuǎn)矩測(cè)量。與應(yīng)變計(jì)布置所獲得的熱系數(shù)相比,感應(yīng)式編碼器的熱系數(shù)更小。任何由于軸的高角速度帶來(lái)的動(dòng)態(tài)失真效果在使用相同的時(shí)鐘信號(hào)來(lái)觸發(fā)兩個(gè)編碼器讀數(shù)的時(shí)候都可以消除掉。

使用感應(yīng)式編碼器進(jìn)行測(cè)量,在加載過(guò)度或沖擊轉(zhuǎn)矩的時(shí)候,都不會(huì)有設(shè)備損壞的危險(xiǎn)。這項(xiàng)技術(shù)也提供兩種測(cè)量——角度和轉(zhuǎn)矩,其費(fèi)用低于使用應(yīng)變計(jì)測(cè)量轉(zhuǎn)矩的費(fèi)用。使用角度傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)矩可能是一項(xiàng)老的技術(shù),不過(guò)有了現(xiàn)代的感應(yīng)式編碼器的加入,使得使用感應(yīng)物理學(xué)進(jìn)行角度測(cè)量煥發(fā)了青春,而這種方法對(duì)于轉(zhuǎn)矩和角度的感應(yīng)也是很有效的。

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