扭矩測(cè)量的不確定性能降低嗎，怎么降低

在很多應(yīng)用中，例如大功率渦輪機(jī)或是藥罐的螺緊力測(cè)量中，扭矩都是最重要的測(cè)量。原理上講，扭矩是力和力臂的乘積，但是對(duì)于高精度扭矩測(cè)量來(lái)說(shuō)，尤其是旋轉(zhuǎn)應(yīng)用中，需要高精度扭矩傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)。

本文的應(yīng)用著重于大型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩測(cè)試，尤其是噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)。該項(xiàng)目是希望創(chuàng)建一個(gè)測(cè)試臺(tái)，通過(guò)獲得的扭矩?cái)?shù)據(jù)，來(lái)對(duì) 渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行優(yōu)化，以提高燃油效率。因此獲得精確的扭矩測(cè)量數(shù)據(jù)是本項(xiàng)目的重要組成部分。

測(cè)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(gè)小量程的扭矩傳感器具有相同的幾何尺寸，轉(zhuǎn)速高達(dá) 22,000 RPM。最大的扭矩傳感器的轉(zhuǎn)速為 4,000 RPM。和測(cè)試臺(tái)的其他部分相同，扭矩傳感器需要極為可靠且耐用。因?yàn)槠渫鶗?huì)運(yùn)行數(shù)個(gè)月之久。防止出現(xiàn)某個(gè)輸出失敗，每個(gè)傳感器都帶有兩個(gè)獨(dú)立扭矩輸出，并進(jìn)行備份。

之前，測(cè)試臺(tái)采用非旋轉(zhuǎn)扭矩測(cè)量技術(shù) - 一個(gè)力傳感器和一個(gè)杠桿臂, 通過(guò)力與杠桿臂的乘積計(jì)算出扭矩。這是已經(jīng)存在了半個(gè)世紀(jì)的測(cè)試技術(shù)，其有自己的優(yōu)勢(shì)。例如，校準(zhǔn)簡(jiǎn)單，過(guò)載保護(hù)相對(duì)容易。但有一個(gè)最大的缺點(diǎn)：就是由于力傳感器不在旋轉(zhuǎn)軸上，無(wú)法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確對(duì)準(zhǔn)，有較大的測(cè)量誤差。

這種方式還有另外一個(gè)缺點(diǎn)，就是 低動(dòng)態(tài)響應(yīng) (只有 20Hz)，這是因?yàn)闇y(cè)力計(jì)的質(zhì)量會(huì)作為一個(gè)低通濾波器，會(huì)增加扭矩測(cè)量的不確定性。另外，測(cè)力計(jì)必須要安裝在軸承上，轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)對(duì)軸承造成摩擦，需要定期維護(hù)。而現(xiàn)在測(cè)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(guò) 無(wú)線(xiàn)遙測(cè)技術(shù)進(jìn)行供電和數(shù)字化信號(hào)傳輸，并且由于采用無(wú)接觸測(cè)量技術(shù)，因此是免維護(hù)的。

采用在線(xiàn)扭矩傳感器有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。例如，高動(dòng)態(tài) - 其 響應(yīng)頻率高達(dá) 6kHz，可以測(cè)量真實(shí)動(dòng)態(tài)扭矩。而傳統(tǒng)的杠桿技術(shù)的響應(yīng)頻率僅有 20Hz。另外，無(wú)需考慮軸承摩擦和維護(hù)的問(wèn)題。在線(xiàn)傳感器提供 更高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)精度。下圖顯示的是動(dòng)態(tài)扭矩和扭矩平均值的比較。在線(xiàn)扭矩傳感器也有自己的缺點(diǎn)，一個(gè)是對(duì)中比較困難，另外一個(gè)是防止過(guò)載。尤其在需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定時(shí)，需要修改旋轉(zhuǎn)軸或是移除扭矩傳感器。

對(duì)于類(lèi)似的應(yīng)用在設(shè)計(jì)和開(kāi)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(shì)。更輕的鈦金屬以及更短的長(zhǎng)度將使驅(qū)動(dòng)系的整體重量更輕。能夠更簡(jiǎn)單地避免旋轉(zhuǎn)軸在測(cè)試過(guò)程中的 “臨界速度” 問(wèn)題。臨界速度（轉(zhuǎn)速）是一個(gè)會(huì)使旋轉(zhuǎn)軸變得不穩(wěn)定的點(diǎn)，會(huì)產(chǎn)生 諧波振動(dòng)。更短，剛度更高，更輕的重量 是為了避免不必要的振動(dòng)和跳動(dòng)，其會(huì)加大測(cè)量的不確定性，并增大系統(tǒng)失效的可能性。在線(xiàn)扭矩傳感器一般都采用 交流激勵(lì) 以提高傳感器的 抗干擾能力。這將會(huì)提高扭矩測(cè)量的精度，尤其在非常低的轉(zhuǎn)速下。

為滿(mǎn)足客戶(hù)不同的測(cè)試要求，HBM 可以為客戶(hù)定制扭矩傳感器。包括更高的精度，雙輸出，長(zhǎng)度以及非螺栓式等。

無(wú)軸承的設(shè)計(jì)能夠降低客戶(hù)的維護(hù)費(fèi)用。兩個(gè)應(yīng)變橋路能夠獲得更高的測(cè)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(jí)。定制化長(zhǎng)度和非螺栓安裝方式可以將臨界速度排除在測(cè)量范圍之外。這些方式都可以降低測(cè)量的不確定性并提高精度。讓客戶(hù)獲取更可靠的數(shù)據(jù)來(lái)提高產(chǎn)品效率。最近，我們已經(jīng)將定制傳感器的方案進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，能夠滿(mǎn)足客戶(hù)更高精度，更高轉(zhuǎn)速的多方面要求。

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