扭矩是電機(jī)試驗(yàn)中一個(gè)重要的參數(shù)，尤其是在電機(jī)效率評測中扭矩更是一個(gè)不可或缺的被測量，扭矩測量的準(zhǔn)確性直接關(guān)系到電機(jī)效率的評測的正確性。目前使用的扭矩測量方法按照測量原理可分為平衡力法、傳遞法和能量轉(zhuǎn)換法。

一平衡力法扭矩測量

　　處于勻速工作狀態(tài)的傳動(dòng)機(jī)械構(gòu)件，其主軸和機(jī)體上一定同時(shí)存在一對扭矩 T 和 T′，并且二者大小相等、方向相反。通過測量機(jī)體上的 T′來測量主軸上 T 的方法稱為平衡力法。設(shè) F 為力臂上的作用力，L 為力臂長度，則 T′=LF。通過測量作用力F和力臂L即可得出 T′和 T。平衡力法的優(yōu)點(diǎn)是不存在傳遞扭矩信號(hào)的問題，力臂上的作用力 F容易測得；缺點(diǎn)是測量范圍僅局限為勻速工作狀態(tài)，無法完成動(dòng)態(tài)扭矩的測量。

二傳遞法扭矩測量

　　傳遞法利用傳遞扭矩時(shí)彈性元件的物理參數(shù)會(huì)發(fā)生某種程度的變化。利用這種變化與扭矩的對應(yīng)關(guān)系來測量扭矩。按照不同的物理參數(shù)，可將傳遞法進(jìn)一步劃分為磁彈性式、應(yīng)變式、振弦式、光電式等，目前傳遞法在扭矩測量領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛。

圖1 傳遞法分類

01光電式扭矩測量法

　　將開孔數(shù)完全相同的兩片圓盤形光柵固定在轉(zhuǎn)軸上，并將光電元件和固定光源分別固定在光柵兩側(cè)，轉(zhuǎn)軸無扭矩作用時(shí)兩片光柵的明暗條紋錯(cuò)開，完全遮擋光路，無光線照到光敏元件上不輸出電信號(hào);有扭矩作用時(shí)兩個(gè)圓盤形光柵的截面產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)角，明暗條紋部分重合，部分光線透過光柵照到光敏元件上，輸出電信號(hào)。扭矩值越大扭轉(zhuǎn)角越大，照到光敏元件上的光線強(qiáng)度越大，輸出電信號(hào)也就越大，通過測量輸出的電信號(hào)能夠測得外加扭矩的大小。

圖2 光電式扭矩測量原理

　　該方法的優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)速度快，能實(shí)現(xiàn)扭矩的實(shí)時(shí)監(jiān)測;其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、靜標(biāo)困難、可靠性較差、抗干擾能力差，測量精度受溫度變化的影響較大。該方法不適用于剛啟動(dòng)和低轉(zhuǎn)速軸的扭矩測量。

02磁電式扭矩測量法

　　在彈性軸上安裝兩個(gè)相同的齒輪，磁芯和線圈組成信號(hào)采集系統(tǒng)，齒頂與磁芯之間預(yù)留出微小間隙，當(dāng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，兩個(gè)線圈中分別感應(yīng)出兩個(gè)交變電動(dòng)勢，而且交變電動(dòng)勢僅與兩個(gè)齒輪的磁芯相對位置和相交位置有關(guān)，通過檢測電動(dòng)勢的大小即可得到相應(yīng)的扭矩值。

圖3 磁電式扭矩測量原理

　　該方法優(yōu)點(diǎn)是精度高，成本較低，性能可靠，其為非接觸測量，即不需要電源和中間傳輸環(huán)節(jié);其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，頻響有限，難以制造，響應(yīng)時(shí)間較長，相應(yīng)的傳感器尺寸和質(zhì)量較大，低速時(shí)信號(hào)小而高速時(shí)動(dòng)平衡困難。磁電式扭矩測量法適用于測量能夠產(chǎn)生較大轉(zhuǎn)角位移的扭矩，能夠測量啟動(dòng)和低速轉(zhuǎn)矩。由于其動(dòng)態(tài)特性不好，所以不適于高速轉(zhuǎn)動(dòng)軸的扭矩測量。

03振弦式扭矩測量法

　　利用振動(dòng)弦固有頻率與張力間的函數(shù)關(guān)系，將力轉(zhuǎn)換成電量，先測出電量值轉(zhuǎn)換成力的大小，再計(jì)算出相應(yīng)扭矩值。

圖4 振弦式扭矩測量原理圖

　　優(yōu)點(diǎn)是可以直接利用傳動(dòng)軸作為扭軸進(jìn)行測量;采用頻率信號(hào)傳輸方式，抗干擾性能好;傳感器部分與測力軸分開，便于在船舶或車輛上進(jìn)行測量;其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、靈敏度較低、測量準(zhǔn)確度較低、對彈性軸的彈性變形要求高。該法適用于大型轉(zhuǎn)軸的扭矩測量而不適用于高速轉(zhuǎn)軸的測量。

04磁彈式扭矩測量法

　　磁彈性式扭矩測量法是指利用鐵磁材料及其他合金材料的磁彈性效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)扭矩測量的一種方法，在磁場中對鐵磁材質(zhì)的彈性軸施加扭矩，磁導(dǎo)率的變化將反映出鐵磁材料磁化強(qiáng)度的變化，因此可以通過測量磁導(dǎo)率的變化來獲得扭矩信號(hào)。

　　該方法優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高、穩(wěn)定性好、非接觸測量、輸出功率大、響應(yīng)速度快、過載能力好、安裝使用方便、抗干擾能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)與電路簡單、能在惡劣環(huán)境下工作。缺點(diǎn)是存在“圓弧調(diào)制”誤差，使其應(yīng)用受到限制;沿扭軸圓周分布的磁導(dǎo)率存在固有偏差，其測量準(zhǔn)確度比較低，測得的只是磁致伸縮層材料的應(yīng)力值，與所需扭矩值尚存在誤差。磁彈性式扭矩測量法被廣泛應(yīng)用于船舶動(dòng)力裝置、軋鋼、石油鉆機(jī)及數(shù)控機(jī)車等領(lǐng)域。

05應(yīng)變式扭矩測量法

　　扭矩會(huì)使傳動(dòng)軸產(chǎn)生一定的應(yīng)變，而且這種應(yīng)變與扭矩的大小存在著比例關(guān)系，因此可以通過電阻應(yīng)變片來檢測相應(yīng)扭矩的大小。當(dāng)傳動(dòng)軸受到扭矩作用時(shí)會(huì)發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，最大剪應(yīng)變產(chǎn)生在與軸線成 45°角的方向上，在此方向上粘貼電阻應(yīng)變片能夠檢測到傳動(dòng)軸所受扭矩的大小。工作原理如下圖所示：

圖5 應(yīng)變式扭矩測量原理

　　應(yīng)變式扭矩測量法的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、適應(yīng)性強(qiáng)、成本低廉、操作簡便、技術(shù)成熟、應(yīng)用范圍廣、測量精度高、響應(yīng)速度快、性能穩(wěn)定可靠、溫度補(bǔ)償性能好、能適應(yīng)惡劣環(huán)境;其缺點(diǎn)是濕度、溫度、粘結(jié)劑等因素都會(huì)影響到測量的準(zhǔn)確度，而且抗干擾能力差，這種方法不適用于高速轉(zhuǎn)軸的扭矩測量。

三能量轉(zhuǎn)換法扭矩測量

　　能量轉(zhuǎn)換法是指根據(jù)能量守恒定律通過測量熱能、電能等其它參數(shù)來間接測量扭矩，目前銀河電氣推出的TN4000電子式扭矩儀就是該原理測量電機(jī)扭矩。TN4000電子式扭矩儀利用能量守恒定律通過對電參數(shù)、溫度、轉(zhuǎn)速等參數(shù)的高精度測量來測量扭矩，TN4000電子式扭矩儀是一個(gè)綜合的儀器，不但可以便捷的測量扭矩，而且對電機(jī)的電壓、電流、功率、轉(zhuǎn)速等參數(shù)都能準(zhǔn)確測量，并且扭矩測量時(shí)不需要額外的聯(lián)軸器，降低了現(xiàn)場操作難度。

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