使用桥式传感器测量载荷与扭矩

需要确定所有限制元件尺寸（如长、宽、高等）的物理因素以及元件的安装方式。 大部分拉力和压力测压元件在顶部及底端使用中心内螺纹进行固定，也有用外螺纹，或内外螺纹混合使用的情况。 另外还需要充分考虑系统运行方式及极端运行条件—最宽的温度区间、所需测量的最小重量变化、极端的自然环境（如洪水、暴风雨、地震）以及最大过载条件。

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4. 扭矩传感器的工作原理

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。 当驱动源施加旋转动力而荷载源保持固定，此时检测出的扭矩就是静态扭矩。 静态扭矩传感器的传感元件由于固定在外壳上而受到限制，无法旋转360°，而且没有线缆包裹。 此类传感器多用于测量往复搅拌运动的扭矩。 由于静态扭矩传感器不使用轴承、滑环或其他旋转元件，因此安装和使用成本较低。

动态扭矩传感器

动态扭矩传感器的设计和应用与静态传感器大致相同，不同的是动态扭矩传感器的位置与待测设备成一直线。 由于动态扭矩传感器的轴可以360度旋转，可将旋转体发出的信号传输到固定表面。 传感器可以采用滑环、旋转变压器或遥测方法完成测量。

滑环法

滑环法就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摩擦，为桥激励输入和输出信号提供电通路。 可使用交流或直流电源来激励应变桥。

图4.滑环为激励以及桥测量信号提供电通路。 [1]

旋转变压器

对于变压器法，旋转变压器与传统变压器的差异就在于其主或次线圈可以旋转。 一个变压器将AC激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，两个变压器取代四个滑环，传感器的旋转元件和固定元件之间无需直接接触。

图4.两个变压器—一个传输激励信号，另一个传输电桥输出信号 [1]

数字遥测

数字遥测系统中没有任何接触点。 整个系统由收发器模块、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， 对传感信号进行放大，数字化并调制射频载波，由卡尺耦合模块（接收器）接收。 任何信号处理模块将射频载波恢复成数字测量数据。

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5. 如何选择合适的扭矩传感器？

与测压元件一样，扭矩传感器的选择主要取决于量程需求以及物理或环境因素。

量程。要正确选择量程，就要先确定所需的最大和最小扭矩。 多余的扭矩和力矩会增加复合应力，从而加速传感器疲劳，影响精准度和性能。 除了扭矩以外的任何载荷，如轴向载荷、径向载荷、弯曲载荷都视为外载荷，应予以事先确定。 如果安装时不能将这些载荷的影响最小化，可以参照传感器文件，判断外载荷是否在传感器的载荷范围内。

物理和环境要求。评估所有物理约束条件（如长度、直径等）及扭矩传感器在系统中的安装方式。 充分考虑传感器的运行环境，确保在较宽温度范围、湿度和污染物（油、污垢、灰尘）环境下的性能。

每分钟转速(rpm)。动态扭矩传感器的转速取决于传感器的运行时间及速度。

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6. 载荷和扭矩传感器的信号调理

载荷和扭矩传感器可以具有调理功能，也可以不具有调理功能。 具有调理功能的传感器可直接连接到DAQ设备，因为这类传感器具有滤波、信号放大和激励所需的组件以及测量所需的常规电路。 如果是不具备调理功能的传感器，则在搭建高效的桥式载荷和扭矩测量系统时需要考虑多个信号调理元素。 您可能需要以下一个或多个调理功能：

• 激励，为惠斯通桥电路供电
• 远程感测，以补偿长导线的激励电压误差
• 放大，以提高测量分辨率和信噪比
• 滤波，以除去外部高频噪音
• 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，根据已知的预期值验证桥的输出