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)線圈，在信號(hào)線圈內(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，線圈內(nèi)部的磁通量亦產(chǎn)生周期性變化，使線圈中感應(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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　　3、 磁電轉(zhuǎn)換式與應(yīng)變電阻計(jì)傳感器的特點(diǎn)

　　(1)磁電轉(zhuǎn)換式轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器的特點(diǎn)

　　磁電轉(zhuǎn)換式轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

　　1)轉(zhuǎn)矩測(cè)量范圍寬，其轉(zhuǎn)矩測(cè)量范圍為0.2N·m～50000N·m， (超過(guò)50000N·m仍可訂做);

　　2)過(guò)載能力大，其超載能力為額定轉(zhuǎn)矩的120%～150%，短時(shí)沖擊轉(zhuǎn)矩可達(dá)額定轉(zhuǎn)矩的300%;

　　3)測(cè)量精度高，該類(lèi)傳感器的精度范圍一般為0.1級(jí)和0.2級(jí)，即在全量程范圍內(nèi)的測(cè)量誤差不大于0.1%和0.2%，另外，在超載或沖擊載荷卸載后，其零點(diǎn)讀數(shù)的誤差也不大于0.1%和0.2%。在其全量程的動(dòng)態(tài)測(cè)量過(guò)程中數(shù)據(jù)波動(dòng)小，測(cè)量誤差小;

　　4)測(cè)量轉(zhuǎn)速范圍寬：可在(0～6000) r/min范圍內(nèi)的任意一點(diǎn)進(jìn)行零點(diǎn)調(diào)整(轉(zhuǎn)矩為零時(shí))，調(diào)整點(diǎn)為在測(cè)量前消除一切外因造成的初始扭矩誤差，但在其測(cè)量轉(zhuǎn)速低于600r/min時(shí)應(yīng)打開(kāi)傳感器自帶電機(jī)，以提高信號(hào)齒輪間的相對(duì)轉(zhuǎn)速，保證其轉(zhuǎn)矩的測(cè)量精度;

　　5)數(shù)據(jù)采集處理便捷。由于該類(lèi)傳感器在測(cè)量使用前進(jìn)行了先期零點(diǎn)調(diào)整，其動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)測(cè)出的數(shù)值基本與準(zhǔn)確值無(wú)偏差，故便于與計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)量的真值顯示。保證了動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)顯示的準(zhǔn)確狀態(tài)和數(shù)據(jù)處理結(jié)果;

　　6)便于恢復(fù)初始精度。很多測(cè)量用儀器和儀表使用一段時(shí)間后，在檢定時(shí)會(huì)出現(xiàn)誤差，一般需要調(diào)修或以誤差數(shù)據(jù)修正的辦法來(lái)恢復(fù)其精度。而該種傳感器只需在檢定時(shí)調(diào)整其零點(diǎn)系數(shù)(檢定時(shí)可確定變化后的系數(shù))即可恢復(fù)其正常工作的精度;

　　7)體積較大，重量略重。由于該類(lèi)傳感器的磁電轉(zhuǎn)換部件的結(jié)構(gòu)和材料的要求，故其體積略大、重量略重。近幾年一些制造廠家曾試圖用其他輕質(zhì)材料代替了一部分磁電轉(zhuǎn)換部件的材料，但經(jīng)使用發(fā)現(xiàn)其精度下降許多，不能滿足其測(cè)量精度的要求，目前該方法已不采用。

　　(2)應(yīng)變電阻式傳感器的特點(diǎn)

　　1)轉(zhuǎn)矩測(cè)量范 圍 略 窄 于 前 者：一 般為50N·m～20000N·m;

　　2)超載能力：超載能力為50%的額定載荷，對(duì)300%的沖擊載荷無(wú)該項(xiàng)功能;

　　3)精度等級(jí)：一般該類(lèi)傳感器的出廠明示精度為0.5級(jí)，即其測(cè)量誤差不大于0.5%；

　　4)轉(zhuǎn)速測(cè)量范 圍廣：轉(zhuǎn)速測(cè) 量范圍 為(0～6000) r/min，但可在任意轉(zhuǎn)速下直接測(cè)量無(wú)需做零點(diǎn)調(diào)整，由于該傳感器用光電盤(pán)的測(cè)量原理，使轉(zhuǎn)速測(cè)量簡(jiǎn)單便捷;

　　5)數(shù)據(jù)處理需修正：由于該類(lèi)傳感器為應(yīng)變電阻式電橋電壓輸出，故在其使用一般時(shí)間后檢定時(shí)，按檢定規(guī)程規(guī)定的數(shù)據(jù)分檔測(cè)出每檔誤差值，在測(cè)量使用時(shí)需用每一數(shù)據(jù)檔的誤差去修正讀數(shù)，以保證測(cè)量精度;

　　6)初始精度恢復(fù)：由于只可采用檢定誤差的修正法保證其精度再現(xiàn)，故難以恢復(fù)初始精度;

　　7)重量輕、體積小：由于該傳感器擺脫了磁電轉(zhuǎn)換過(guò)程所需的結(jié)構(gòu)和材料，故減輕了重量、縮小了結(jié)構(gòu)。

　　4、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器在動(dòng)態(tài)測(cè)量中怎樣提高其測(cè)量精度

　　(1)合理選擇傳感器精度

　　在實(shí)際測(cè)量和檢測(cè)工作中，一般是根據(jù)檢測(cè)和測(cè)量工作的區(qū)別和要求，合理選擇所用儀器儀表的精度。一般來(lái)講，儀器的精度越高其價(jià)格越貴，使用條件越嚴(yán)格，故檢驗(yàn)成本越高。即選擇傳感器的精度應(yīng)滿足被檢測(cè)項(xiàng)目或工作要求的精度，該項(xiàng)要求是我們開(kāi)展檢測(cè)工作前選用轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)。

　　速傳感器精度配置的關(guān)鍵。當(dāng)確定了檢測(cè)工作所需要的精度和水平后再合理地選擇轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器的精度，是保證測(cè)試系統(tǒng)整體測(cè)量精度的條件之一。所以根據(jù)檢驗(yàn)工作的性質(zhì)不同，選擇適宜精度的傳感器是較經(jīng)濟(jì)且合理的選擇。當(dāng)然，精度是相對(duì)而言，如果要想盡量提高測(cè)試精度，只選擇最高精度的儀器和設(shè)備是不夠的，還要保證測(cè)試系統(tǒng)整體安裝的精度，同時(shí)還要保證在動(dòng)態(tài)測(cè)試中控制條件可能的穩(wěn)定，減少系統(tǒng)的波動(dòng)，才能保證較高精度的測(cè)試結(jié)果。另外，由于轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器在測(cè)量中還要與顯示儀表配套使用，從而構(gòu)成轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速的測(cè)量閉環(huán)，可顯示儀表沒(méi)有精度等級(jí)的分級(jí)，只可調(diào)整其小數(shù)點(diǎn)的位置，所以在儀表(一般儀表顯示為六位)保證最大數(shù)位為平均測(cè)試的最大數(shù)值位，由于儀表顯示為一秒鐘一次，讀數(shù)時(shí)應(yīng)讀出儀表顯示數(shù)較多次，且相對(duì)平均數(shù)據(jù)，為測(cè)量記錄數(shù)據(jù)。這些是提高在動(dòng)態(tài)測(cè)量中精度的有效手段。

　　(2)選擇合理的量程范圍是提高測(cè)量精度的關(guān)鍵

　　一般的儀器和儀表是在其量程范圍的30%～100%時(shí)精度較高，但考慮到轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器的超載能力和精度范圍，故選用所測(cè)參數(shù)范圍在所用傳感器量程范圍30%～120%最好。例如：假若此次測(cè)量的額定轉(zhuǎn)矩為550N·m，我們可選用500N·m或1000N·m兩種轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器。選用500N·m傳感器是考慮到500N·m傳感器可以超載到600N·m，且仍能保證其測(cè)量精度，選用1000N·m是因?yàn)?50N·m測(cè)量精度超過(guò)了1000N·m轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器30%的量程下限，故可以選用。這樣既保證充分使用了傳感器能力，又保證了測(cè)量精度。

　　(3)測(cè)量用傳感器的安裝精度不容忽視

　　由于傳感器多用于動(dòng)態(tài)測(cè)量中，故該儀器在測(cè)量系統(tǒng)中與被測(cè)設(shè)備連接安裝的同軸度要求較高。一般其規(guī)定的傳感器與被測(cè)機(jī)聯(lián)軸器的同軸度誤差不大于0.05mm。同時(shí)如果同軸度誤差較大時(shí)，儀器在其測(cè)量初期就會(huì)有一個(gè)初始的彎曲扭矩，而該彎曲扭矩就會(huì)相對(duì)于測(cè)量過(guò)程中與其他轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器來(lái)說(shuō)，更為突出的主要原因是該類(lèi)型傳感器沒(méi)有測(cè)量前的動(dòng)態(tài)調(diào)零功能。假如轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器與被測(cè)樣機(jī)聯(lián)軸器安裝時(shí)間同軸度誤差較大，在測(cè)試過(guò)程中，首先會(huì)發(fā)生零點(diǎn)數(shù)據(jù)波動(dòng)(跳動(dòng))較大，這樣可造成測(cè)量過(guò)程中的測(cè)出數(shù)據(jù)波動(dòng)較大，而后還會(huì)發(fā)生測(cè)試完成后的原初始零點(diǎn)飄移現(xiàn)象，從而造成測(cè)量精度下降，如不加以糾正，還可造成轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器的失準(zhǔn)甚至損壞，所以我們?cè)谙到y(tǒng)中做動(dòng)態(tài)測(cè)量使用轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器時(shí)，應(yīng)盡量采用柔性或彈性連接系統(tǒng)，如必須使用鋼性連接，就應(yīng)盡量保證其安裝時(shí)的同軸度，誤差不大于0.05mm。這樣能保證數(shù)據(jù)盡可能準(zhǔn)確。

　　5、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器的發(fā)展方向

  隨著動(dòng)力傳動(dòng)設(shè)備的發(fā)展要求，其動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)正在向大功率、多轉(zhuǎn)速的方向發(fā)展。隨著變頻調(diào)速設(shè)備應(yīng)用的范圍越來(lái)越廣，而變頻控制系統(tǒng)和輸送電能的電線電纜，都會(huì)對(duì)目前靠電磁及電壓信號(hào)傳輸測(cè)量數(shù)據(jù)的儀器儀表造成干擾，所以需要不斷提高測(cè)量?jī)x器儀表的抗干擾能力。近幾年，我國(guó)相繼把抗干擾能力的檢測(cè)列入到許多家用電器和高精尖的儀器儀表的檢驗(yàn)項(xiàng)目中，抗干擾試驗(yàn)室也先后在蘇州和上海建立，今后的許多檢測(cè)用儀器和儀表將會(huì)不斷地提高其抗干擾能力，以保證在測(cè)量過(guò)程中的穩(wěn)定性和精度。隨著光電技術(shù)的發(fā)展，很多測(cè)量信號(hào)可由光電信號(hào)輸出這樣即保證了測(cè)量信號(hào)的穩(wěn)定性，同時(shí)又提高了其抗干擾的能力，不斷提高我國(guó)動(dòng)力傳輸設(shè)備的測(cè)量技術(shù)和測(cè)量水平。