扭矩測量的不確定性能降低嗎，怎么降低

在很多應用中，例如大功率渦輪機或是藥罐的螺緊力測量中，扭矩都是最重要的測量。原理上講，扭矩是力和力臂的乘積，但是對于高精度扭矩測量來說，尤其是旋轉(zhuǎn)應用中，需要高精度扭矩傳感器來實現(xiàn)。

本文的應用著重于大型渦輪發(fā)動機的扭矩測試，尤其是噴氣發(fā)動機。該項目是希望創(chuàng)建一個測試臺，通過獲得的扭矩數(shù)據(jù)，來對 渦輪發(fā)動機進行優(yōu)化，以提高燃油效率。因此獲得精確的扭矩測量數(shù)據(jù)是本項目的重要組成部分。

測試需要量程為 200 N.m, 1 kN.m, 2 kN.m, 和 130 kN.m 的扭矩傳感器。三個小量程的扭矩傳感器具有相同的幾何尺寸，轉(zhuǎn)速高達 22,000 RPM。最大的扭矩傳感器的轉(zhuǎn)速為 4,000 RPM。和測試臺的其他部分相同，扭矩傳感器需要極為可靠且耐用。因為其往往會運行數(shù)個月之久。防止出現(xiàn)某個輸出失敗，每個傳感器都帶有兩個獨立扭矩輸出，并進行備份。

之前，測試臺采用非旋轉(zhuǎn)扭矩測量技術(shù) - 一個力傳感器和一個杠桿臂, 通過力與杠桿臂的乘積計算出扭矩。這是已經(jīng)存在了半個世紀的測試技術(shù)，其有自己的優(yōu)勢。例如，校準簡單，過載保護相對容易。但有一個最大的缺點：就是由于力傳感器不在旋轉(zhuǎn)軸上，無法實現(xiàn)準確對準，有較大的測量誤差。

這種方式還有另外一個缺點，就是 低動態(tài)響應 (只有 20Hz)，這是因為測力計的質(zhì)量會作為一個低通濾波器，會增加扭矩測量的不確定性。另外，測力計必須要安裝在軸承上，轉(zhuǎn)動會對軸承造成摩擦，需要定期維護。而現(xiàn)在測量技術(shù)只需安裝扭矩傳感器 即可，扭矩傳感器由轉(zhuǎn)子和定子組成，通過 無線遙測技術(shù)進行供電和數(shù)字化信號傳輸，并且由于采用無接觸測量技術(shù)，因此是免維護的。

采用在線扭矩傳感器有以下幾個優(yōu)點。例如，高動態(tài) - 其 響應頻率高達 6kHz，可以測量真實動態(tài)扭矩。而傳統(tǒng)的杠桿技術(shù)的響應頻率僅有 20Hz。另外，無需考慮軸承摩擦和維護的問題。在線傳感器提供 更高的動態(tài)響應精度。下圖顯示的是動態(tài)扭矩和扭矩平均值的比較。在線扭矩傳感器也有自己的缺點，一個是對中比較困難，另外一個是防止過載。尤其在需要對系統(tǒng)進行標定時，需要修改旋轉(zhuǎn)軸或是移除扭矩傳感器。

對于類似的應用在設(shè)計和開發(fā)階段需要更多地考慮。如果傳感器的轉(zhuǎn)子采用 鈦金屬 而不是不銹鋼，由于 更低的慣性矩，旋轉(zhuǎn)扭矩傳感器將更有優(yōu)勢。更輕的鈦金屬以及更短的長度將使驅(qū)動系的整體重量更輕。能夠更簡單地避免旋轉(zhuǎn)軸在測試過程中的 “臨界速度” 問題。臨界速度（轉(zhuǎn)速）是一個會使旋轉(zhuǎn)軸變得不穩(wěn)定的點，會產(chǎn)生 諧波振動。更短，剛度更高，更輕的重量 是為了避免不必要的振動和跳動，其會加大測量的不確定性，并增大系統(tǒng)失效的可能性。在線扭矩傳感器一般都采用 交流激勵 以提高傳感器的 抗干擾能力。這將會提高扭矩測量的精度，尤其在非常低的轉(zhuǎn)速下。

為滿足客戶不同的測試要求，HBM 可以為客戶定制扭矩傳感器。包括更高的精度，雙輸出，長度以及非螺栓式等。

無軸承的設(shè)計能夠降低客戶的維護費用。兩個應變橋路能夠獲得更高的測量精度。鈦金屬轉(zhuǎn)子可以減少傳感器重量并提升轉(zhuǎn)速等級。定制化長度和非螺栓安裝方式可以將臨界速度排除在測量范圍之外。這些方式都可以降低測量的不確定性并提高精度。讓客戶獲取更可靠的數(shù)據(jù)來提高產(chǎn)品效率。最近，我們已經(jīng)將定制傳感器的方案進行了標準化，能夠滿足客戶更高精度，更高轉(zhuǎn)速的多方面要求。

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