使用橋式傳感器測量載荷與扭矩

1. 什么是力、載荷、扭矩？

力是物體之間的相互作用： 任意作用力必有與其大小相等、方向相反的作用力。 力可認(rèn)為是通過推、拉物體形成的， 它是一個矢量，有其大小跟方向。

載荷通常指施加于物體之上的力。 力或載荷的國際單位是牛頓(N)。測壓元件可直接測量力或重量。 傳感器通過測量物體受力后產(chǎn)生的形變，將機械力轉(zhuǎn)換成電信號。 這種傳感器的一個典型應(yīng)用是測量料斗中的干或濕物料。 通過測壓元件測得的重量，我們就可以算出料斗中物料的數(shù)量。

扭矩是使物體圍繞軸轉(zhuǎn)動的一種力矩。 正如力是推拉產(chǎn)生的，扭矩是通過扭轉(zhuǎn)物體產(chǎn)生的。 扭矩的國際單位是牛米(Nm)。 用一個簡單的公式來表示，扭矩等于力乘以力臂，順時針施加的扭力為正，逆時針為負(fù)。扭矩傳感器是貼在扭桿上的應(yīng)變計組成。 扭桿轉(zhuǎn)動時，應(yīng)變計會產(chǎn)生與扭矩成正比的剪切應(yīng)力。

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2. 測壓元件的工作原理

雖然不同類型的測壓元件以不同的方式工作，但最常用的測壓元件是應(yīng)變式測壓元件。 通常情況下，應(yīng)變式測壓元件是一個磁軛組件，其中應(yīng)變計按照惠斯通電橋配置排列，以測試對組件施加力后產(chǎn)生的應(yīng)變。 這些傳感器通常都經(jīng)過校準(zhǔn)，電阻變化可直接反映力的變化。 液壓和氣動測壓元件較不常見，這類傳感器可直接將力轉(zhuǎn)換成壓強。 當(dāng)力作用于活塞或傳感器膜片的一端時，膜片的另一端將產(chǎn)生一個與該力平衡的壓力（氣動或液壓），該壓力可通過傳感器測量出來。 白皮書的其余部分主要介紹了應(yīng)變式測壓元件或橋式測壓件。

結(jié)構(gòu)（彈性體）是測壓硬件/應(yīng)變計最重要的機械組件。 結(jié)構(gòu)會響應(yīng)所施加的載荷，并將該載荷轉(zhuǎn)換成獨立的均勻應(yīng)變場，應(yīng)變計放置在應(yīng)變場中就可以測量載荷。 測壓元件主要有以下三種結(jié)構(gòu)- 多彎梁結(jié)構(gòu)、多柱結(jié)構(gòu)和輪輻式，這三種結(jié)構(gòu)是所有可能測壓元件配置的基本構(gòu)建塊。

多彎梁測壓元件量程較?。?0-22K N），采用輪狀彈性體，可適應(yīng)低外形傳感器。 每個橋臂上裝有四個或四組有源應(yīng)變計， 每一對應(yīng)變計具有大小相等方向相反的應(yīng)力（即拉力跟張力）。

多柱式測壓元件采用多柱結(jié)構(gòu)，量程較大（110K-9M N）。 每個橋臂裝有四個有源應(yīng)變片，其中兩個沿應(yīng)變主軸對齊，另外兩個相互垂直，以補償泊松效應(yīng)。

輪輻式稱重傳感器量程適中(2K to 1M N)，采用直剪式輪狀徑向輻射彈性體。 每個橋臂裝有四個有源應(yīng)變計，應(yīng)變片貼在輻射體的兩側(cè)，與懸梁軸呈45°。

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3. 如何選擇合適的測壓元件？

測壓元件有兩種基本工作模式： 壓力模式，其中稱重斗放置在一個或多個測壓元件上；張力模式，其中稱重斗懸掛在一個或多個測壓元件上。 您可以使用前面介紹的任意測壓元件配置設(shè)計不同的測壓元件結(jié)構(gòu)來測量壓力或者是同時測量壓力和張力。

除了要考慮主要測量方法外，在選擇測壓元件時還應(yīng)重點考慮量程、精度 、物理安裝限制以及環(huán)保要求。 僅考慮一個因素是無法正確預(yù)測傳感器的性能， 我們需要綜合考慮傳感器的各項參數(shù)以及測壓元件的配置方式。 下表比較了不同測壓件的量程、精度、靈敏度以及價格。

量程。定義最大跟最小重量要求。 選擇測壓元件時，應(yīng)確保量程超過最大工作載荷，并確定外加載荷和力矩。載荷量程必須滿足下列需求：

• 稱重結(jié)構(gòu)的重量（靜載荷）
• 可施加的最大有效載荷（包括任意靜態(tài)過載）
• 由風(fēng)荷載、地震等外部因素導(dǎo)致的額外過載

測量頻率。測壓元件可以設(shè)計成通用型或疲勞額定型，可承受數(shù)百萬次載荷周期而不影響性能。 通用型測壓元件適用于靜態(tài)或低循環(huán)頻率載荷應(yīng)用。 根據(jù)載荷水平以及傳感器的材質(zhì)，通用型測壓元件可承受100萬次循環(huán)。 取決于載荷水平跟振幅，疲勞額定型測壓元件通?？沙惺?千萬-1億次完整的反向載荷循環(huán)。

物理及環(huán)境限制。測壓元件選擇過程中需考慮的一個重要因素是如何將測壓片集成到系統(tǒng)中。 我們需要確定所有限制元件尺寸（如長、寬、高等）的物理因素以及元件的安裝方式。 大部分拉力和壓力測壓元件在頂部及底端使用中心內(nèi)螺紋進(jìn)行固定，也有用外螺紋，或內(nèi)外螺紋混合使用的情況。 另外還需要充分考慮系統(tǒng)運行方式及極端運行條件—最寬的溫度區(qū)間、所需測量的最小重量變化、極端的自然環(huán)境（如洪水、暴風(fēng)雨、地震）以及最大過載條件。

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4. 扭矩傳感器的工作原理

靜態(tài)扭矩傳感器

靜態(tài)扭矩是電能在傳輸及及吸收過程中，設(shè)備的旋轉(zhuǎn)部分對固定部分所施加的一個轉(zhuǎn)力或扭矩。 當(dāng)驅(qū)動源施加旋轉(zhuǎn)動力而荷載源保持固定，此時檢測出的扭矩就是靜態(tài)扭矩。 靜態(tài)扭矩傳感器的傳感元件由于固定在外殼上而受到限制，無法旋轉(zhuǎn)360°，而且沒有線纜包裹。 此類傳感器多用于測量往復(fù)攪拌運動的扭矩。 由于靜態(tài)扭矩傳感器不使用軸承、滑環(huán)或其他旋轉(zhuǎn)元件，因此安裝和使用成本較低。

動態(tài)扭矩傳感器

動態(tài)扭矩傳感器的設(shè)計和應(yīng)用與靜態(tài)傳感器大致相同，不同的是動態(tài)扭矩傳感器的位置與待測設(shè)備成一直線。 由于動態(tài)扭矩傳感器的軸可以360度旋轉(zhuǎn)，可將旋轉(zhuǎn)體發(fā)出的信號傳輸?shù)焦潭ū砻妗?傳感器可以采用滑環(huán)、旋轉(zhuǎn)變壓器或遙測方法完成測量。

滑環(huán)法

滑環(huán)法就是將應(yīng)變橋連接到旋轉(zhuǎn)軸上的四個銀滑環(huán)。 銀石墨碳刷在滑環(huán)上摩擦，為橋激勵輸入和輸出信號提供電通路。 可使用交流或直流電源來激勵應(yīng)變橋。

旋轉(zhuǎn)變壓器

對于變壓器法，旋轉(zhuǎn)變壓器與傳統(tǒng)變壓器的差異就在于其主或次線圈可以旋轉(zhuǎn)。 一個變壓器將AC激勵電壓輸送到應(yīng)變橋，另一個變壓器將信號輸出傳送到傳感器中非旋轉(zhuǎn)部分。 這樣，兩個變壓器取代四個滑環(huán)，傳感器的旋轉(zhuǎn)元件和固定元件之間無需直接接觸。

數(shù)字遙測

數(shù)字遙測系統(tǒng)中沒有任何接觸點。 整個系統(tǒng)由收發(fā)器模塊、耦合模塊、信號處理模塊組成。 扭矩傳感器集成在發(fā)射器模塊中， 對傳感信號進(jìn)行放大，數(shù)字化并調(diào)制射頻載波，由卡尺耦合模塊（接收器）接收。 任何信號處理模塊將射頻載波恢復(fù)成數(shù)字測量數(shù)據(jù)。

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5. 如何選擇合適的扭矩傳感器？

與測壓元件一樣，扭矩傳感器的選擇主要取決于量程需求以及物理或環(huán)境因素。

量程。要正確選擇量程，就要先確定所需的最大和最小扭矩。 多余的扭矩和力矩會增加復(fù)合應(yīng)力，從而加速傳感器疲勞，影響精準(zhǔn)度和性能。 除了扭矩以外的任何載荷，如軸向載荷、徑向載荷、彎曲載荷都視為外載荷，應(yīng)予以事先確定。 如果安裝時不能將這些載荷的影響最小化，可以參照傳感器文件，判斷外載荷是否在傳感器的載荷范圍內(nèi)。

物理和環(huán)境要求。評估所有物理約束條件（如長度、直徑等）及扭矩傳感器在系統(tǒng)中的安裝方式。 充分考慮傳感器的運行環(huán)境，確保在較寬溫度范圍、濕度和污染物（油、污垢、灰塵）環(huán)境下的性能。

每分鐘轉(zhuǎn)速(rpm)。動態(tài)扭矩傳感器的轉(zhuǎn)速取決于傳感器的運行時間及速度。

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6. 載荷和扭矩傳感器的信號調(diào)理

載荷和扭矩傳感器可以具有調(diào)理功能，也可以不具有調(diào)理功能。 具有調(diào)理功能的傳感器可直接連接到DAQ設(shè)備，因為這類傳感器具有濾波、信號放大和激勵所需的組件以及測量所需的常規(guī)電路。 如果是不具備調(diào)理功能的傳感器，則在搭建高效的橋式載荷和扭矩測量系統(tǒng)時需要考慮多個信號調(diào)理元素。 您可能需要以下一個或多個調(diào)理功能：

• 激勵，為惠斯通橋電路供電
• 遠(yuǎn)程感測，以補償長導(dǎo)線的激勵電壓誤差
• 放大，以提高測量分辨率和信噪比
• 濾波，以除去外部高頻噪音
• 偏置歸零，當(dāng)未施加任何應(yīng)力時，可將橋輸出平衡至0 V
• 分流校準(zhǔn)，根據(jù)已知的預(yù)期值驗證橋的輸出