扭矩測量
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扭矩由力和力臂的乘積來(lái)定義，單位是Nm。扭矩的測量以測量轉軸應變和
測量轉軸兩橫截面相對扭轉角的方法最常用。
10.2.1應變式扭矩測量
由材料力學(xué)知，當受扭矩作用時(shí)，軸表面有最大剪應力τmax。軸表面的單
元體為純剪應力狀態(tài)，在與軸線(xiàn)成45度的方向上有最大正應力σ1和σ2，
其值為｜σ1｜=｜σ2｜=τmax。相應的變形為ε1和ε2，當測得應變后，
便可算出τmax。測量時(shí)應變片沿與軸線(xiàn)成45°的方向粘貼。
若測得沿45°方向的應變ε1，則相應的剪應變?yōu)?/FONT>
(10.19) |
式中：
E—材料的彈性模量；
μ—材料的泊松比；
于是，軸的扭矩為
(10.20) |
式中：
Wn—材料的抗扭模量。
對于實(shí)心圓軸
(10.21) |
測扭時(shí)，電阻應變計須沿主應變ε1及ε2的方向(與軸線(xiàn)成45°及135°夾角)。應變計的布置及組橋方式應考慮靈敏度、溫度補償及抵消拉、壓及彎曲等非測量因素干擾的要求
扭矩測量信號的傳輸
1. 扭矩測量的集電裝置
旋轉件如轉軸的應變測量，需要解決信號傳送的問(wèn)題。粘貼在旋轉件上的應變片和電橋導線(xiàn)隨旋轉件轉動(dòng)，而應變儀等測量記錄儀器是固定的。除采用遙測方式以外，需要有集電裝置。
集電裝置由兩部份組成：與應變片相連，隨旋轉件轉動(dòng)的集流環(huán)（滑環(huán)）和與外部測量?jì)x器相連，壓靠在滑環(huán)上的電刷（拉線(xiàn)）。集流裝置應準確可靠地傳遞應變信號，防止干擾減少測量誤差。集流環(huán)與電刷之間接觸電阻的變化是產(chǎn)生干擾，影響正常測量的主要因素(對集電裝置的一般要求)。
集電裝置種類(lèi)、形式很多，其原理、結構與電機的集電裝置相同。常用的集電裝置有
拉線(xiàn)式和電刷式兩種形式
2. 無(wú)線(xiàn)傳輸方式
無(wú)線(xiàn)傳輸方式可以克服有線(xiàn)傳輸的缺點(diǎn)，得到越來(lái)越多的應用。它分為電波收發(fā)方式和光電脈沖傳輸方式。這兩種方式從使用的角度來(lái)看都取消了中間接觸環(huán)節，導線(xiàn)和專(zhuān)門(mén)的集流裝置。電波收發(fā)方式測量系統要求可靠的發(fā)射、接收和遙測裝置，且其信號容易受到干擾；而光電脈沖測量抗干擾能力較強，它是把測試數據數字化后以光信號的形式從轉動(dòng)的測量盤(pán)傳送到固定的接收器上，然后經(jīng)解碼器后還原為所需的信號。
扭矩的測量 （二）
拉線(xiàn)式集電裝置
拉線(xiàn)式集電裝置的結構如左圖（ 拉線(xiàn)式集電裝置）,將兩個(gè)半圓形尼龍滑環(huán)4用螺栓9固定在轉軸上?；h(huán)的外圓加工有4條溝槽，槽內嵌有黃銅或鈹青銅帶5。兩個(gè)半圓形滑環(huán)上的4條銅帶端部對頭焊接，并將轉軸上粘貼的應變片電橋端點(diǎn)引線(xiàn)焊接至該處。拉線(xiàn)6置于滑環(huán)之上，并經(jīng)絕緣子7用彈簧8拉緊固定，在拉線(xiàn)6上焊接引線(xiàn)連至測量?jì)x。拉線(xiàn)6多采用裸鋼絲編織扁線(xiàn)(從屏蔽電纜線(xiàn)上剝離下的屏蔽網(wǎng))。（安裝拉線(xiàn)式集電裝置的注意事項 ）
安裝拉線(xiàn)式集電裝置的注意事項
(1) 固緊滑環(huán)，不得有任何松動(dòng)，滑環(huán)的四個(gè)滑道特別是端頭焊點(diǎn)應光滑平整，滑環(huán)平面與轉軸嚴格垂直。
(2) 若拉線(xiàn)在轉軸上的包角太小，轉軸會(huì )有徑向跳動(dòng)而脫離接觸，包角太大會(huì )加劇磨損，一般應使包角在30°～90°之間。
(3) 拉線(xiàn)彈簧張力太小，則接觸電阻加大甚至接觸不好；張力太大，則磨損過(guò)快。要適當調整彈簧張力。
(4) 為減少磨損，常在滑道上加入少量凡士林或與石墨碳刷粉末混合物。
(5) 拉線(xiàn)固定方式應視現場(chǎng)條件而定。對于高速轉軸或正反換向轉軸應雙端固定。
電刷式集電裝置
電刷式集電裝置的結構如左圖(電刷式集電裝置)所示。為了保證電刷與滑環(huán)接觸良好，減少接觸電阻,在每條滑道上應對稱(chēng)配置多個(gè)并接在一起的電刷，且使各電刷用彈簧壓緊滑道。其壓緊力應適當，一般應在0.2～0.6MPa。電刷材料多用含銀石墨，也可用鈹青銅片。
其它扭矩測量方法
1. 壓磁式扭矩傳感器(壓磁式扭矩測量的原理)
壓磁式扭矩傳感器結構如下圖，它是利用軸受扭時(shí)材料導磁率的變化測量扭矩。其特點(diǎn)是可以非接觸測量，使用方便，但要求旋轉過(guò)程不出現徑向跳動(dòng)，否則鐵芯與轉軸間隙改變，會(huì )造成測量誤差甚至破壞測量設備。
2. 磁電感應式扭矩傳感器(磁電感應式扭矩傳感器的原理)
磁電感應式扭矩傳感器結構如下圖，它是在轉軸上固定兩個(gè)齒輪，通過(guò)其所在橫截面之間相對扭轉角來(lái)測量扭矩。
3. 光電式扭矩傳感器(光電式扭矩測量的原理)
光電式扭矩傳感器結構如下圖，它是在轉軸上固定兩只圓盤(pán)光柵，通過(guò)兩光柵之間相對扭轉角來(lái)測量扭矩。
光電式扭矩傳感器
如左圖(光電式扭矩傳感器)所示，在轉軸4上固定兩只圓盤(pán)光柵3，在不承受扭矩時(shí)，兩光柵的明暗區正好互相遮擋，光源1的光線(xiàn)沒(méi)有透過(guò)光柵照射到光敏元件2，無(wú)輸出信號。當轉軸受扭矩后，轉軸變形將使兩光柵出現相對轉角，部份光線(xiàn)透過(guò)光柵照射到光敏元件上產(chǎn)生輸出信號。扭矩愈大，扭轉角愈大，穿過(guò)光柵的光通量愈大，,輸出信號愈大，從而可實(shí)現扭矩測量。
磁電感應式扭矩傳感器
如左圖( 磁電感應式扭矩傳感器)所示，在轉軸上固定兩個(gè)齒輪1和2，它們的材質(zhì)、尺寸、齒形和齒數均相同。永久磁鐵和線(xiàn)圈組成的磁電式檢測頭3和4對著(zhù)齒頂安裝。當轉軸不受扭矩時(shí)，兩線(xiàn)圈輸出信號相同，相位差為零。轉軸承受扭矩后，相位差不為零，且隨兩齒輪所在橫截面之間相對扭轉角的增加而加大，其大小與相對扭轉角、扭矩成正比。
鐵磁材料的轉軸受扭矩作用時(shí)，導磁率發(fā)生變化。上圖( 壓磁式扭矩傳感器)中，分別繞有線(xiàn)圈A和B，其中A-A沿軸線(xiàn)，B-B沿垂直于軸線(xiàn)放置，彼此互相垂直。兩個(gè)鐵芯的開(kāi)口端與轉軸表面保持1-2mm空隙，當A-A線(xiàn)圈通入交流電，形成通過(guò)轉軸的交變磁場(chǎng)。
當轉軸不受扭矩時(shí)，磁力線(xiàn)和B-B線(xiàn)圈不交鏈；轉軸受扭矩作用時(shí)，轉軸材料導磁率變化，沿正應力方向磁阻減小，沿負應力方向磁阻增大，從而使磁力線(xiàn)分布改變，使部分磁力線(xiàn)與B-B線(xiàn)圈交鏈，并在B-B線(xiàn)圈產(chǎn)生感應電勢。感應電勢隨扭矩增大而增大，并在一定范圍內成線(xiàn)性關(guān)系。
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