金工聊测量 | 如何更好地测量扭矩

扭矩测量是汽车工业中许多测试的一个关键因素。人们对电机和汽车部件的要求越来越高：更高的能效、更低的消耗和更大的范围。这也意味着在研发过程中对精度的要求更高了，因此对测试设备的要求也更高。那么，如何更好地测量扭矩呢？

在应用中，人们倾向于仅使用一个扭矩传感器来覆盖多个测量范围。如果在测量过程中必须覆盖不同尺寸的测量范围，例如在发动机测试中，这一要求尤其苛刻。然后，扭矩传感器必须根据测试情况获得高扭矩和低扭矩，在整个测量范围内保持一致的精度。主要挑战是在测量精度和误差容限之间实现平衡。

比如制动测试，出现的峰值扭矩远远高于平均测量扭矩。传感器的标称（额定）测量范围大小适当，以确保传感器不会因峰值扭矩而过载、损坏甚至毁坏。峰值扭矩代表应用中的最大扭矩。然而，如果将传感器调到最大扭矩，它可能会在测量测试期间出现的其他扭矩时尺寸过大。尺寸过大的传感器有一个缺点：必须用于评估误差的重要数据表信息是指标称（额定）测量范围，而不是平均测量扭矩。

图1 具有两个不同测量体的双量程传感器，其中小测量体还必须接收较大测量范围的标称（额定）扭矩

图2 电气双量程传感器有一个弹性体，并以电气方式模拟第二个较小的测量范围

因此，相关的误差评估可能会产生不利的结果，因为数据表中指定的重要参数，例如温度响应TC0、非线性和迟滞以及寄生负载引起的影响，通常指的是传感器的标称（额定）测量范围。

双量程传感器的两种方法

在单个测试过程中记录多个测量范围的理想解决方案是不断调整传感器测量范围以适应相应的最大扭矩。然而，由于技术上的原因，这是不切实际的。所以就出现了许多不同的双量程传感器变体，它们能够覆盖大的和小的测量范围。

两种不同的原理作为双量程传感器的基础：带有两个弹性体的传感器，和只有一个连续弹性体，和两个单独测量通道的电气双量程传感器。

多个弹性体允许多个测量范围

双量程扭矩传感器在两个大小不同的扭矩范围内进行测量。为此，它们有两个尺寸不同、标称（额定）测量范围不同且串联或并联的弹性体或测量体。这些测量体中的每一个都带有一个连接到数据采集系统的特别配套的应变计桥。这样就可以确定测量体的材料应变，然后可以从中得出扭矩。这种类型的扭矩传感器称为“真”双量程传感器。弹性体串联的变体的缺点在于,它只适用于静态或准静态扭矩测量。

在动态应用中，较小弹性体的过载保护会导致信号重叠。由于较小的弹性体也记录较大弹性体的高扭矩，因此它配备了机械过载保护装置，当扭矩过高时，该保护装置会断开连接，从而将扭矩传递给较大的传感器。如果没有这种过载保护，较小的元件就有可能损坏。但是，如果过载保护确实起作用，则结果是一个不明确的信号。

这可能导致稍后评估测量结果时做出不准确的解释。第二个小测量范围在这种布置中通常也具有非常“软”的设计，以便能够在低扭矩下产生足够高的特性值。因此，小的测量范围对寄生负载（如轴向力）的响应非常敏感，这会导致扭矩的串扰，在极端情况下甚至会损坏或损毁传感器。

在另一种“真”双量程传感器中，不同尺寸的弹性体采用并联连接。这类传感器不需要过载保护，从而也避免了信号重叠固有的干扰。但在这种情况下，较小的弹性体也必须记录大扭矩。因此，较小的弹性体有过载的危险，从而导致塑性变形。为了防止这种情况，较小的弹性体设计成能够与较大的测量体一起支撑最大扭矩。然而，这导致第二个应变计桥的特征值太低。结果：分辨率不足，同时有很高的不精确性，包括实现温度响应。

图3 T12HP数字扭矩传感器

电气双量程传感器模拟小测量范围

T12HP扭矩传感器也不同于只有一个弹性体或测量体并模拟第二个弹性体的“非真”双量程传感器。

它包含一个附加测量放大器，该放大器连接到被设置为较小测量范围的传感器。这第二个测量放大器将输出信号放大，通常放大5倍或10倍。因此，有了第二个有用的信号，它也代表较小的扭矩负载。这种设计原理的缺点：第二个测量范围似乎只是为了提高精度。测量不确定度的关键参数是指标称（额定）测量范围，而不是放大的有用信号。由于“非真”双量程传感器中的第二个信号只是对信号进行电扩展，如果数据表中没有明确规定第二个量程的附加值，这些影响因素也会被放大，这会增加测量不确定度。

结论

在扭矩测量中，在两个测量范围内测量不同量的扭矩有多种可能性。由于设计的原因，大多数变体的精度都会降低，尤其是在较小的测量范围内。具有多个测量体的真双量程传感器并不真正适用于动态应用，因为需要过载停止。由于第二范围经常被设计成灵敏的以便其会产生大的有用信号，因此允许的极限负载相应地较低，并导致对扭矩信号的更多串扰，误差相对较大。

在只有一个测量体的电气双量程传感器中，传播测量信号会放大干扰特性，例如信号噪声、迟滞、零点温度响应TC0和寄生负载。除非数据表中另有说明，否则这不会增加第二个范围的测量精度。零点温度响应TC0以及信号噪声被放大，并且在从大测量范围变为小测量范围时可能出现不连续点。电气双量程传感器的原理还可以根据应用放大寄生负载影响。这些干扰影响在具有FlexRange功能的T12HP扭矩传感器中被最小化。