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转矩转速传感器工作原理

作者:admin 时间:2019-09-28

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  转矩转速传感器安装于功率传动轴之间,是一种测量各种扭矩、转速及机械功率的精密测量仪器。

  转矩传感器主要由扭力轴、磁检测器,转筒及壳体等四部分组成。磁检测器包括配对的两组内、外齿轮,永久磁钢和感应线圈。外齿轮安装载扭力轴测量段的两端;内齿轮转筒内,和外齿轮相对,永久磁钢紧接内齿轮安装在转筒内。永久磁钢,内外齿轮构成环状闭合磁路,感应线圈固定在壳体的两端盖内。在驱动电机带动下,内齿轮随同转筒旋转。

  内外齿轮是变位齿轮,并不齿合,齿顶六由工作气隙,内外齿轮的齿顶相对时气隙最窄,齿顶和齿槽相对时,气隙最宽。内外齿轮在相对旋转运动时,齿顶与齿槽交替对,相对转动一个齿位时,工作气隙发生一个周期的变化,磁路的磁阻和磁通随之相应作周期变化,因此线圈中感应出近似正弦波的电压讯号,讯号电压瞬时值的变化和内外齿轮的相对位置的变化是一致的。

  如果两组检测器的齿轮的投影互相重合时、两组电压讯号的相位差为零。安装时,两只内齿轮的投影是重合的。而扭力轴上的两只外齿轮是按错动半个齿安装的。因此,两个电压讯号具有半个周期的相位差,即初始相位差为α0=180°。若齿轮为120齿,分度角为3°,相位差为180°时,相应外齿轮错动1.5°。

  当扭力轴受到扭矩作用时,产生扭角β,两只外齿轮的错位角变为1.5°±β两个电压讯号的相差角相应变为:α=120×(1.5°±β)=180°±120β。扭角和扭矩是成正比例的,因此扭角的变化和扭矩成正比,即相位差角的变化△α=α-α0=±120β=120K1M=KM式中K1为相位差角和扭矩的比例系数,K=±120K1,“±”另表示转动方向。设扭力轴测量段的直径为d,长度为L,扭力轴材料的剪切弹性模为G,则K1=32L/πdG。

  将传感器的两个电压讯号输入TR-1转矩转速功率测量仪,经过仪表将电压讯号进行放大、整形、检相、变换成计数脉冲,然后计数和显示,便可直接读出扭矩和转速的测量结果。由于采用磁电转换、相位差原理和数字显示的转矩转速测量方法,因此能进行稳定、可靠、快速、灵敏的高精度测量。

  转矩转速传感器的基本原理是:通过弹性轴、两组磁电信号发生器,把被测转矩、转速转换成具有相位差的两组交流电信号, 这两组交流电信号的频率相同且与轴的转速成正比,而其相位差的变化部分又与被测转矩成正比。

  在弹性轴的两端安装有两只信号齿轮, 在两齿轮的上方各装有一组信号线圈, 在信号线圈内均装有磁钢, 与信号齿轮组成磁电信号发生 器。 当信号齿轮随弹性轴转动时, 由于信号齿轮的齿顶及齿谷交替周期性的扫过磁钢的底部,使气隙磁导产生周期性的变化, 线圈内部的磁通量亦产生周期性变化, 使线圈中感生出近似 正弦波的交流电信号。 这两组交流电信号的频率相同且与轴的转速成正比, 因此可以用来测量转速。

  这两组交流电信号之间的相位与其安装的相对位置及弹性轴所传递扭矩的大小及方 向有关。当弹性轴不受扭时,两组交流电信号之间的相位差只与信号线圈及齿轮的安装相对位置有关,这一相位差一般称为初始相位差,在设计制造时,使其相差半个齿距左右,即两组交流电信号之间的初始相位差在 180 度左右。

  在弹性轴受扭时,将产生扭转变形, 使两组交流电信号之间的相位差发生变化,在弹性变形范围内, 相位差变化的绝对值与转 矩的大小成正比。把这两组交流电信号用专用屏蔽电缆线送入 NC 型扭矩测量仪或具有其功能的扭矩卡送入计算机,即可得到转矩、转速及功率的精确值。两端的信号发生器是由安装在弹性轴上的外齿轮、 安装在套筒内的内齿轮、 固定在机座内 的导磁环、磁钢、线圈及导磁支架组成封闭的磁路。

  其中,外齿轮、内齿轮是齿数相同互相脱开不相啮合的。 套筒的作用是当弹性轴的转速较低或者不转时, 通过传感器顶部的小电动机及齿轮或皮带传动链带动套筒,使内齿轮反向转动,提高了内、外齿轮之间的相对转速,保证了转矩测量精度。但是,此时输出信号的频率不能用来测量转速。解决的办法 是建议用户另外增加转速传感器(如 NJ0、NJ1D、NJ2 等)或者在传感器上增加一个转速 传感器(如 NJ3、NJ4 等) ,因为是磁电式传感器,在转速过低时仍然不能保证转速的正确测量。

  为此,又派生了 NJ*D 型低速系列转矩转速传感器产品。NJ*D 型低速转矩转速传感器的解决方法是增加了套筒测速头及安装在套筒上的测速齿轮,其测速头的信号送入 NC-2A 型扭矩测量仪进行数据处理,不论套筒是否转动,其输出的转速信号始终是弹性轴的实际转速,即使转速为零也是如此。

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