运用桥式传感器丈量载荷与扭矩

1. 什么是力、载荷、扭矩？

力是物体之间的彼此作用： 恣意作用力必有与其巨细持平、方向相反的作用力。 力可认为是通过推、拉物体构成的， 它是一个矢量，有其巨细跟方向。

载荷一般指施加于物体之上的力。 力或载荷的国际单位是牛顿(N)。测压元件可直接丈量力或分量。 传感器通过丈量物体受力后发生的形变，将机械力转换成电信号。 这种传感器的一个典型运用是丈量料斗中的干或湿物料。 通过测压元件测得的分量，咱们就能够算出料斗中物料的数量。

扭矩是使物体环绕轴滚动的一种力矩。 正如力是推拉发生的，扭矩是通过改变物体发生的。 扭矩的国际单位是牛米(Nm)。 用一个简略的公式来表明，扭矩等于力乘以力臂，顺时针施加的扭力为正，逆时针为负。扭矩传感器是贴在扭杆上的应变计组成。 扭杆滚动时，应变计会发生与扭矩成正比的剪切应力。

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2. 测压元件的作业原理

尽管不同类型的测压元件以不同的办法作业，但最常用的测压元件是应变式测压元件。 一般状况下，应变式测压元件是一个磁轭组件，其间应变计依照惠斯通电桥装备摆放，以测验对组件施加力后发生的应变。 这些传感器一般都通过校准，电阻改变可直接反映力的改变。 液压和气动测压元件较不常见，这类传感器可直接将力转换成压强。 当力作用于活塞或传感器膜片的一端时，膜片的另一端将发生一个与该力平衡的压力（气动或液压），该压力可通过传感器丈量出来。 白皮书的其余部分首要介绍了应变式测压元件或桥式测压件。

结构（弹性体）是测压硬件/应变计最重要的机械组件。 结构会呼应所施加的载荷，并将该载荷转换成独立的均匀应变场，应变计放置在应变场中就能够丈量载荷。 测压元件首要有以下三种结构- 多弯梁结构、多柱结构和轮辐式，这三种结构是一切或许测压元件装备的根本构建块。

多弯梁测压元件量程较小（20-22K N），选用轮状弹性体，可习惯低外形传感器。 每个桥臂上装有四个或四组有源应变计， 每一对应变计具有巨细持平方向相反的应力（即拉力跟张力）。

多柱式测压元件选用多柱结构，量程较大（110K-9M N）。 每个桥臂装有四个有源应变片，其间两个沿应变主轴对齐，别的两个彼此笔直，以补偿泊松效应。

轮辐式称重传感器量程适中(2K to 1M N)，选用直剪式轮状径向辐射弹性体。 每个桥臂装有四个有源应变计，应变片贴在辐射体的两边，与悬梁轴呈45°。

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3. 怎么挑选适宜的测压元件？

测压元件有两种根本作业形式： 压力形式，其间称重斗放置在一个或多个测压元件上；张力形式，其间称重斗悬挂在一个或多个测压元件上。 您能够运用前面介绍的恣意测压元件装备规划不同的测压元件结构来丈量压力或者是一起丈量压力和张力。

除了要考虑首要丈量办法外，在挑选测压元件时还应要点考虑量程、精度 、物理装置约束以及环保要求。 仅考虑一个要素是无法正确猜测传感器的功用， 咱们需求归纳考虑传感器的各项参数以及测压元件的装备办法。 下表比较了不同测压件的量程、精度、灵敏度以及价格。

量程。界说最大跟最小分量要求。 挑选测压元件时，应保证量程超越最大作业载荷，并确认外加载荷和力矩。载荷量程有必要满意下列需求：

• 称重结构的分量（静载荷）
• 可施加的最大有效载荷（包含恣意静态过载）
• 由风荷载、地震等外部要素导致的额定过载

丈量频率。测压元件能够规划成通用型或疲惫额定型，可接受数百万次载荷周期而不影响功用。 通用型测压元件适用于静态或低循环频率载荷运用。 依据载荷水平以及传感器的原料，通用型测压元件可接受100万次循环。 取决于载荷水平跟振幅，疲惫额定型测压元件一般可接受5千万-1亿次完好的反向载荷循环。

物理及环境约束。测压元件挑选过程中需考虑的一个重要要素是怎么将测压片集成到体系中。 咱们需求确认一切约束元件尺度（如长、宽、高级）的物理要素以及元件的装置办法。 大部分拉力和压力测压元件在顶部及底端运用中心内螺纹进行固定，也有用外螺纹，或表里螺纹混合运用的状况。 别的还需求充分考虑体系运转办法及极点运转条件—最宽的温度区间、所需丈量的最小分量改变、极点的自然环境（如洪水、暴风雨、地震）以及最大过载条件。

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4. 扭矩传感器的作业原理

静态扭矩传感器

静态扭矩是电能在传输及及吸收过程中，设备的旋转部分对固定部分所施加的一个转力或扭矩。 当驱动源施加旋滚动力而荷载源坚持固定，此刻检测出的扭矩便是静态扭矩。 静态扭矩传感器的传感元件由于固定在外壳上而受到约束，无法旋转360°，并且没有线缆包裹。 此类传感器多用于丈量往复拌和运动的扭矩。 由于静态扭矩传感器不运用轴承、滑环或其他旋转元件，因而装置和运用本钱较低。

动态扭矩传感器

动态扭矩传感器的规划和运用与静态传感器大致相同，不同的是动态扭矩传感器的方位与待测设备成一直线。 由于动态扭矩传感器的轴能够360度旋转，可将旋转体宣布的信号传输到固定外表。 传感器能够选用滑环、旋转变压器或遥测办法完结丈量。

滑环法

滑环法便是将应变桥连接到旋转轴上的四个银滑环。 银石墨碳刷在滑环上冲突，为桥鼓励输入和输出信号提供电通路。 可运用沟通或直流电源来鼓励应变桥。

旋转变压器

关于变压器法，旋转变压器与传统变压器的差异就在于其主或次线圈能够旋转。 一个变压器将AC鼓励电压输送到应变桥，另一个变压器将信号输出传送到传感器中非旋转部分。 这样，两个变压器替代四个滑环，传感器的旋转元件和固定元件之间无需直接触摸。

数字遥测

数字遥测体系中没有任何触摸点。 整个体系由收发器模块、耦合模块、信号处理模块组成。 扭矩传感器集成在发射器模块中， 对传感信号进行扩大，数字化并调制射频载波，由卡尺耦合模块（接纳器）接纳。 任何信号处理模块将射频载波康复成数字丈量数据。

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5. 怎么挑选适宜的扭矩传感器？

与测压元件相同，扭矩传感器的挑选首要取决于量程需求以及物理或环境要素。

量程。要正确挑选量程，就要先确认所需的最大和最小扭矩。 剩余的扭矩和力矩会添加复合应力，然后加快传感器疲惫，影响精准度和功用。 除了扭矩以外的任何载荷，如轴向载荷、径向载荷、曲折载荷都视为外载荷，应予以事前确认。 假如装置时不能将这些载荷的影响最小化，能够参照传感器文件，判别外载荷是否在传感器的载荷规模内。

物理和环境要求。评价一切物理约束条件（如长度、直径等）及扭矩传感器在体系中的装置办法。 充分考虑传感器的运转环境，保证在较宽温度规模、湿度和污染物（油、尘垢、尘埃）环境下的功用。

每分钟转速(rpm)。动态扭矩传感器的转速取决于传感器的运转时刻及速度。

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6. 载荷和扭矩传感器的信号调度

载荷和扭矩传感器能够具有调度功用，也能够不具有调度功用。 具有调度功用的传感器可直接连接到DAQ设备，由于这类传感器具有滤波、信号扩大和鼓励所需的组件以及丈量所需的惯例电路。 假如是不具备调度功用的传感器，则在建立高效的桥式载荷和扭矩丈量体系时需求考虑多个信号调度元素。 您或许需求以下一个或多个调度功用：

• 鼓励，为惠斯通桥电路供电
• 长途感测，以补偿长导线的鼓励电压差错
• 扩大，以进步丈量分辨率和信噪比
• 滤波，以除掉外部高频噪音
• 偏置归零，当未施加任何应力时，可将桥输出平衡至0 V
• 分流校准，依据已知的预期值验证桥的输出