转矩转速传感器在测量使用中的动态精度分析

1、前言　

　　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。

　　2、转矩转速传感器的结构特征和工作原理

　　(1) JZ型和NJ型转矩转速传感器结构特征和工作原理

　　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。

　　(2) JN和TQ系列扭矩传感器的结构特征和工作原理

　　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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　　3、 磁电转换式与应变电阻计传感器的特点

　　(1)磁电转换式转矩转速传感器的特点

　　磁电转换式转矩转速传感器具有以下几个特点：

　　1)转矩测量范围宽，其转矩测量范围为0.2N·m～50000N·m， (超过50000N·m仍可订做);

　　2)过载能力大，其超载能力为额定转矩的120%～150%，短时冲击转矩可达额定转矩的300%;

　　3)测量精度高，该类传感器的精度范围一般为0.1级和0.2级，即在全量程范围内的测量误差不大于0.1%和0.2%，另外，在超载或冲击载荷卸载后，其零点读数的误差也不大于0.1%和0.2%。在其全量程的动态测量过程中数据波动小，测量误差小;

　　4)测量转速范围宽：可在(0～6000) r/min范围内的任意一点进行零点调整(转矩为零时)，调整点为在测量前消除一切外因造成的初始扭矩误差，但在其测量转速低于600r/min时应打开传感器自带电机，以提高信号齿轮间的相对转速，保证其转矩的测量精度;

　　5)数据采集处理便捷。由于该类传感器在测量使用前进行了先期零点调整，其动态测量时测出的数值基本与准确值无偏差，故便于与计算机联机实现动态测量的真值显示。保证了动态数据显示的准确状态和数据处理结果;

　　6)便于恢复初始精度。很多测量用仪器和仪表使用一段时间后，在检定时会出现误差，一般需要调修或以误差数据修正的办法来恢复其精度。而该种传感器只需在检定时调整其零点系数(检定时可确定变化后的系数)即可恢复其正常工作的精度;

　　7)体积较大，重量略重。由于该类传感器的磁电转换部件的结构和材料的要求，故其体积略大、重量略重。近几年一些制造厂家曾试图用其他轻质材料代替了一部分磁电转换部件的材料，但经使用发现其精度下降许多，不能满足其测量精度的要求，目前该方法已不采用。

　　(2)应变电阻式传感器的特点

　　1)转矩测量范 围 略 窄 于 前 者：一 般为50N·m～20000N·m;

　　2)超载能力：超载能力为50%的额定载荷，对300%的冲击载荷无该项功能;

　　3)精度等级：一般该类传感器的出厂明示精度为0.5级，即其测量误差不大于0.5%；

　　4)转速测量范 围广：转速测 量范围 为(0～6000) r/min，但可在任意转速下直接测量无需做零点调整，由于该传感器用光电盘的测量原理，使转速测量简单便捷;

　　5)数据处理需修正：由于该类传感器为应变电阻式电桥电压输出，故在其使用一般时间后检定时，按检定规程规定的数据分档测出每档误差值，在测量使用时需用每一数据档的误差去修正读数，以保证测量精度;

　　6)初始精度恢复：由于只可采用检定误差的修正法保证其精度再现，故难以恢复初始精度;

　　7)重量轻、体积小：由于该传感器摆脱了磁电转换过程所需的结构和材料，故减轻了重量、缩小了结构。

　　4、转矩转速传感器在动态测量中怎样提高其测量精度

　　(1)合理选择传感器精度

　　在实际测量和检测工作中，一般是根据检测和测量工作的区别和要求，合理选择所用仪器仪表的精度。一般来讲，仪器的精度越高其价格越贵，使用条件越严格，故检验成本越高。即选择传感器的精度应满足被检测项目或工作要求的精度，该项要求是我们开展检测工作前选用转矩转。

　　速传感器精度配置的关键。当确定了检测工作所需要的精度和水平后再合理地选择转矩转速传感器的精度，是保证测试系统整体测量精度的条件之一。所以根据检验工作的性质不同，选择适宜精度的传感器是较经济且合理的选择。当然，精度是相对而言，如果要想尽量提高测试精度，只选择最高精度的仪器和设备是不够的，还要保证测试系统整体安装的精度，同时还要保证在动态测试中控制条件可能的稳定，减少系统的波动，才能保证较高精度的测试结果。另外，由于转矩转速传感器在测量中还要与显示仪表配套使用，从而构成转矩转速的测量闭环，可显示仪表没有精度等级的分级，只可调整其小数点的位置，所以在仪表(一般仪表显示为六位)保证最大数位为平均测试的最大数值位，由于仪表显示为一秒钟一次，读数时应读出仪表显示数较多次，且相对平均数据，为测量记录数据。这些是提高在动态测量中精度的有效手段。

　　(2)选择合理的量程范围是提高测量精度的关键

　　一般的仪器和仪表是在其量程范围的30%～100%时精度较高，但考虑到转矩转速传感器的超载能力和精度范围，故选用所测参数范围在所用传感器量程范围30%～120%最好。例如：假若此次测量的额定转矩为550N·m，我们可选用500N·m或1000N·m两种转矩转速传感器。选用500N·m传感器是考虑到500N·m传感器可以超载到600N·m，且仍能保证其测量精度，选用1000N·m是因为550N·m测量精度超过了1000N·m转矩转速传感器30%的量程下限，故可以选用。这样既保证充分使用了传感器能力，又保证了测量精度。

　　(3)测量用传感器的安装精度不容忽视

　　由于传感器多用于动态测量中，故该仪器在测量系统中与被测设备连接安装的同轴度要求较高。一般其规定的传感器与被测机联轴器的同轴度误差不大于0.05mm。同时如果同轴度误差较大时，仪器在其测量初期就会有一个初始的弯曲扭矩，而该弯曲扭矩就会相对于测量过程中与其他转矩转速传感器来说，更为突出的主要原因是该类型传感器没有测量前的动态调零功能。假如转矩转速传感器与被测样机联轴器安装时间同轴度误差较大，在测试过程中，首先会发生零点数据波动(跳动)较大，这样可造成测量过程中的测出数据波动较大，而后还会发生测试完成后的原初始零点飘移现象，从而造成测量精度下降，如不加以纠正，还可造成转矩转速传感器的失准甚至损坏，所以我们在系统中做动态测量使用转矩转速传感器时，应尽量采用柔性或弹性连接系统，如必须使用钢性连接，就应尽量保证其安装时的同轴度，误差不大于0.05mm。这样能保证数据尽可能准确。

　　5、转矩转速传感器的发展方向

  随着动力传动设备的发展要求，其动态测量系统正在向大功率、多转速的方向发展。随着变频调速设备应用的范围越来越广，而变频控制系统和输送电能的电线电缆，都会对目前靠电磁及电压信号传输测量数据的仪器仪表造成干扰，所以需要不断提高测量仪器仪表的抗干扰能力。近几年，我国相继把抗干扰能力的检测列入到许多家用电器和高精尖的仪器仪表的检验项目中，抗干扰试验室也先后在苏州和上海建立，今后的许多检测用仪器和仪表将会不断地提高其抗干扰能力，以保证在测量过程中的稳定性和精度。随着光电技术的发展，很多测量信号可由光电信号输出这样即保证了测量信号的稳定性，同时又提高了其抗干扰的能力，不断提高我国动力传输设备的测量技术和测量水平。