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如何降低扭矩测量的不确定性

如何降低扭矩测量的不确定性

         
         在很多应用中,例如大功率涡轮机或是药罐的螺紧力测量中,扭矩都是最重要的测量量。原理上讲,扭矩是力和力臂的乘积,但是对于高精度扭矩测量来说,尤其是旋转应用中,需要高精度扭矩传感器来实现。
        本文的应用着重于大型涡轮发动机的扭矩测试,尤其是喷气发动机。该项目是希望创建一个测试台,通过获得的扭矩数据,来对 涡轮发动机进行优化,以提高燃油效率。因此获得精确的扭矩测量数据是本项目的重要组成部分。
        测试需要量程为 200 N.m, 1 kN.m, 2 kN.m, 和 130 kN.m 的扭矩传感器。三个小量程的扭矩传感器具有相同的几何尺寸,转速高达 22,000 RPM。最大的扭矩传感器的转速为 4,000 RPM。和测试台的其他部分相同,扭矩传感器需要极为可靠且耐用。因为其往往会运行数个月之久。防止出现某个输出失败,每个传感器都带有两个独立扭矩输出,并进行备份。
        之前,测试台采用非旋转扭矩测量技术 - 一个力传感器和一个杠杆臂, 通过力与杠杆臂的乘积计算出扭矩。这是已经存在了半个世纪的测试技术,其有自己的优势。例如,校准简单,过载保护相对容易。但有一个最大的缺点:就是由于力传感器不在旋转轴上,无法实现准确对准,


有 较大的测量误差。

        这种方式还有另外一个缺点,就是 低动态响应 (只有 20Hz),这是因为测力计的质量会作为一个低通滤波器,会增加扭矩测量的不确定性。另外,测力计必须要安装在轴承上,转动会对轴承造成摩擦,需要定期维护。
 
       而现在测量技术只需安装扭矩传感器 即可,扭矩传感器由转子和定子组成,通过 无线遥测技术进行供电和数字化信号传输,并且由于采用无接触测量技术,因此是免维护的。
       采用在线扭矩传感器有以下几个优点。例如,高动态 - 其 响应频率高达 6kHz,可以测量真实动态扭矩。而传统的杠杆技术的响应频率仅有 20Hz。
       另外,无需考虑轴承摩擦和维护的问题。在线传感器提供 更高的动态响应精度。下图显示的是动态扭矩和扭矩平均值的比较。

在线扭矩传感器也有自己的缺点,一个是对中比较困难,另外一个是防止过载。尤其在需要对系统进行标定时,需要修改旋转轴或是移除扭矩传感器。
对于类似的应用在设计和开发阶段需要更多地考虑。如果传感器的转子采用 钛金属 而不是不锈钢,由于 更低的惯性矩,旋转扭矩传感器将更有优势。更轻的钛金属以及更短的长度将使驱动系的整体重量更轻。能够更简单地避免旋转轴在测试过程中的 “临界速度” 问题。临界速度(转速)是一个会使旋转轴变得不稳定的点,会产生 谐波振动。更短,刚度更高,更轻的重量 是为了避免不必要的振动和跳动,其会加大测量的不确定性,并增大系统失效的可能性。在线扭矩传感器一般都采用 交流激励 以提高传感器的 抗干扰能力。这将会提高扭矩测量的精度,尤其在非常低的转速下。
为满足客户不同的测试要求,HBM 可以为客户定制扭矩传感器。包括更高的精度,双输出,长度以及非螺栓式等。

无轴承的设计能够降低客户的维护费用。两个应变桥路能够获得更高的测量精度。钛金属转子可以减少传感器重量并提升转速等级。定制化长度和非螺栓安装方式可以将临界速度排除在测量范围之外。这些方式都可以降低测量的不确定性并提高精度。让客户获取更可靠的数据来提高产品效率。最近,我们已经将定制传感器的方案进行了标准化,能够满足客户更高精度,更高转速的多方面要求。


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