轉矩測量儀表

直接測量電動機、發動機和其他旋轉機械轉矩的機械量測量儀表。轉矩的測量是基於機器轉軸在承受轉矩時產生扭應力或扭轉角位移的原理，用電測技術測出扭應力或扭轉角位移以求出轉矩值。

基本介紹

• 中文名：轉矩測量儀表
• 作用：以扭應力和扭轉角測轉矩

簡介

轉矩測量儀表按工作原理可分為扭應力式（包括電阻應變式、磁彈性式等）和扭轉角位移式（包括相位差式、振弦式等）兩類。

類型

從不同的角度出發，轉矩測量儀器可以有各種分類方法。按照轉矩測量的基本原理轉矩測量儀大致可分為三大類。即傳遞類、平衡力類、能量轉換類。

傳遞類

遞類轉矩測量儀小巧輕便，套用面廣，它既可以串接到機器的傳動系統中去測量轉矩。又可以附裝到機器的傳動軸上去測量轉矩。測試時不需改變機器的結構。也不需移動機器的部件。便於現場測試。測量結果精確。能真實反映機械的實際情況。近年來。在信號傳輸方式上採用遙控非接觸型信號傳輸方式替代摩擦阻力大、工作壽命短、信號誤差大的接觸型信號傳輸方式。因此傳遞類轉矩測量儀在三大類轉矩測量儀中約占80．5%。

按照轉矩測量感測器彈性元件的變形幾何參數、物理參數及靜力學關係。傳遞類轉矩測量儀可進一步分為：

①變形型：利用扭軸產生的扭轉變形角及剪應變角設計而成的轉矩測量感測器。

②應力型：利用扭軸截面上的剪應力與轉矩成正比的關係。與磁性材料在機械應力作用下。其導磁性能發生對應的變化的原理設計而成的扭矩測量感測器。

③應變型：利用彈性扭軸表面產生與扭矩值對應的應變。在適當的位置貼置應變片、組成四臂電橋。應變片的阻值隨應變的變化而變化。由此設計而成的扭矩測量感測。

上述轉矩測量儀器可以從不同的角度進一步分類。

1.1.1按照扭矩測量感測器的信號產生方式

按照上述不同原理設計而成的扭矩測量感測器的信號產生方式。可區分如下幾類為：

1.1.2按照扭矩測量感測器的不同安裝方式

按照扭矩測量感測器的不同安裝方式，可分為：

①介入式：介入式扭矩測量感測器是一段類似於傳動軸的扭力棒。靠它兩端的聯軸節串接到被測的傳動系統部位中，敏感扭轉變形。顯然介入式感測器必須作為傳動軸的一部分才能測量扭矩，一般用於實驗室、台架測量；在實際工況下。因不允許斷開軸系。其套用受到限止。

②不介入式：不介入式扭矩測量感測器是採用兩組卡環緊固在被測傳動軸上。卡環之間安裝測力棒，敏感扭轉變形。為此無須斷開軸系。即可測得扭矩。故在工業設備中獲得廣泛應。

1.1.3按照其扭矩信號的傳輸方式

傳遞類扭矩測量儀還可以根據其扭矩信號的傳輸方式不同。分為接觸型和非接觸型兩類。各類扭矩信號的傳輸方式還可細分為：

平衡力類

平衡力類轉矩測量儀器，通常按照安裝在平衡支架上的機種分類。裝電機的叫電力測功機；裝水力制動器的叫水力測功機；裝電渦流制動器的叫電渦流測功機；還有裝空氣、磁粉、機械制動器的一些測功機。在上述各種測功機中，只有電力測功機，它的電機可在電動機工作情況下工作，作為原動機；也可以在發電機工作情況下工作，作為制動器。作為原動機時，可以用於測量各種工作機械，如油泵、空氣壓縮機的轉矩。作為制動器時，則可用於測量各種動力機械，如內燃機、電動機的轉矩。除了電力測功機以外的其它各種測功機，只能作為制動器，因此，它們只能用於測量動力機械的轉矩。

平衡力類轉矩測量裝置的測力機構有：砝碼式（馬達天平式）、氣動游碼式、電動游碼式、擺錘式、彈簧式、電阻應變式（電子稱式）、磁電式及氣動式等多種型式。

平衡力類轉矩測量裝置的主要缺點是機構比較龐大，價格比較昂貴；並且由於它本身慣性較大，不能測量動態轉矩；也不能在機械閉式功率回收試驗台上使用。但是，平衡力類轉矩測量裝置本身就是一台原動機，或制動器。在實驗室中，對動力機械或工作機械進行試驗時，就不需要另外去選配原動機，或載入機械。這就是水力測功機在許多內燃機製造廠得到廣泛使用的原因。

能量轉換類

能量轉換法只在電機和液機方面有較廣泛的套用。測量其它化學能量（即燃油的消耗量）熱能，來確定它輸出的機械能量的方法。因為影響因素太多，測定的誤差太大，這些方法很少套用。

今後，隨著高速機械的發展，採用不介入、非接觸型信號傳輸方式的傳遞類扭矩測量儀將越來越廣泛地獲得套用。

典型結構組成

電阻應變式轉矩儀

一般在扭轉軸上按與軸線成規定的方向貼上4片電阻應變片，組成應變電橋。當扭轉軸受轉矩而產生扭轉變形時，各應變片的阻值即隨之發生變化，電橋輸出的不平衡電壓與轉矩成比例。即轉軸在測量中是連續旋轉的，所以應變電橋的供電和信號輸出需要用滑環、電刷或旋轉變壓器、無接觸信號傳輸器等。這種儀表能測量靜態和動態轉矩，測量精確度可達±1～±0.2%，下圖是一種電阻應變式轉矩測量儀表的實物。

圖1 電阻應變轉矩儀

照電阻應變儀的工作頻率，可以分為：①靜態應變儀：工作頻率0赫，可專門量靜態轉矩；②靜動態應變儀：工作頻率0~200赫，可用於測量靜態或頻率低於200赫的動態轉矩，③動態應變儀：工作頻率0~1500赫，用於測量1500赫以下的動態轉矩，④超動態應變儀：工作頻率0~20000赫，專用於測量衝擊狀況的應力。

通過應變片的變形來測量扭力軸扭轉應變時，若軸不受扭，則電橋平衡，輸出信號為零；當軸受扭後，應變片阻值變化，破壞電橋的平衡，輸出大小與所受扭矩成比例的電信號。由於輸出信號很微弱，一般都要通過應變儀來測量。半橋電路可以消除因扭力軸安裝不善所產生的附加彎矩和軸向力的影響，全橋電路除可消除以上影響外，還可消除附加橫向剪下力的影響

集流環是應變式扭矩感測器的重要組成部分，它的作用是將應變片的引線或由應變片組成的電橋經結點從旋轉著扭力軸上引出，然後接到相應的電路上去。集流環的優劣直接影響測量精度，低質量的集流環所產生的電噪聲甚至可以淹沒扭矩信號，使測量無法進行。為保證引出信號的精度，集流環必須保持極為良好的接觸，接觸電阻應該恆定。而在實際中要保持接觸電阻恆定是較困難的，特別是對於高速轉動的軸更為困難，所以這種感測器只適宜於中、低轉速的場合。

光電式相位差轉矩儀

光電式相位差扭矩測量儀的敏感元件——感測器的原理是：利用彈性軸在扭矩的作用下產生彈性變形這一特性來對扭矩進行測量。

直射型光電式相位差扭矩感測器的結構如下圖所示。

圖2 光電式轉矩儀

在彈性軸1上相隔一定距離安放兩個帶孔（或槽）的分度盤2和6，在兩個分度盤的外面機殼8上各安裝一個光電管3和7，中間安裝一個光源4，它和光電管同在一條直線上。測試時，彈性軸帶著分度盤轉動，當分度盤上的孔（或槽）轉到和光源．光電管在一條直線上時，光線直射到光電管陰極上產生一個電脈衝。當分度盤將光線遮住時，光電信號即行消失。這樣彈性軸轉動一周時，光電管就產生兩列數目和分度盤孔數相等的電脈衝信號。在彈性軸空載時，兩列脈衝信號僅存在初始固定的相位差；當彈性軸承載時，兩列脈衝信號間產生相位變化，變化大小與扭矩成正比。

磁彈性轉矩儀

磁彈性扭矩測量儀由磁彈性扭矩感測器和測量電路組成，是利用鐵磁材料的磁彈性效應（壓磁效應）測量扭矩的儀表。由於測量元件不與轉軸接觸，不隨轉軸運動，因此信號的引出較方便，不用導電滑環。可靠性高，堅固耐用，且對溫度和干擾不敏感，輸出電壓高。可達10V。當扭軸的切應力設計在30MPa以下時，輸出電壓與扭矩呈線性關係（經非線性校正後的線性誤差<1%）。

2.3.1磁彈性效應與彈性靈敏度

磁性材料在機械應力的作用下，其材料的磁化率將發生改變，這種效應稱為磁彈性效應。當磁性材料在其內部磁場發生變化時，則材料便會產生機械變形或機械應力，稱為磁致伸縮。

在穩定的磁場強度下，當被測軸受機械應力作用時，軸材料磁化狀態的改變可看成是導磁率變化的結果。因此，軸上機械應力場分布特性以及軸上應力與相應的材料導磁率之間的函式關係，就決定了磁彈性扭矩感測器的作用原理和結構型式。

磁彈性扭矩感測器對扭軸的材料要求低，一般用低．中碳鋼即可。

2.3.2磁彈性扭矩感測器原理與結構

由鐵磁材料製成的扭軸，在受扭矩後將會出現磁的各向異性，即在正應力作用下磁阻減小；而在負應力作用下磁阻增大。如果利用兩個π形鐵心AB和CD互相垂直放置，如下圖所示。AB沿軸向、CD垂直軸向，在π形鐵心AB上繞有激磁線圈，在CD上繞有感應線圈。π形磁路開路端由被測軸（導磁）閉合。

圖3 磁致伸縮式轉矩儀

π形鐵心的開口距旋轉軸表面留有1～2mm的間隙，如果在激磁（鐵心AB上的）線圈中通以50Hz的交流激磁，在轉軸中無力矩時，CD方向正好處於磁力線的等位中心線上，鐵心CD上的次級繞組中不會有感應電勢；而當受有扭力矩後，軸表面出現各向異性的磁阻特性，磁力線將重新分布，不再是對稱的，即磁等位線的中心線不再是垂直的，這樣就有磁勢差存在於CD之間，繞在CD鐵心上的次級線圈中將會有感應電勢出現。根據感應電勢的大小，可以測量扭矩的大小。