使用橋式傳感器測量載荷與扭矩

1. 什么是力、載荷、扭矩？

力是物體之間的相互作用： 任意作用力必有與其大小相等、方向相反的作用力。 力可認(rèn)為是通過推、拉物體形成的， 它是一個(gè)矢量，有其大小跟方向。

載荷通常指施加于物體之上的力。 力或載荷的國際單位是牛頓(N)。測壓元件可直接測量力或重量。 傳感器通過測量物體受力后產(chǎn)生的形變，將機(jī)械力轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。 這種傳感器的一個(gè)典型應(yīng)用是測量料斗中的干或濕物料。 通過測壓元件測得的重量，我們就可以算出料斗中物料的數(shù)量。

扭矩是使物體圍繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)的一種力矩。 正如力是推拉產(chǎn)生的，扭矩是通過扭轉(zhuǎn)物體產(chǎn)生的。 扭矩的國際單位是牛米(Nm)。 用一個(gè)簡單的公式來表示，扭矩等于力乘以力臂，順時(shí)針施加的扭力為正，逆時(shí)針為負(fù)。扭矩傳感器是貼在扭桿上的應(yīng)變計(jì)組成。 扭桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，應(yīng)變計(jì)會(huì)產(chǎn)生與扭矩成正比的剪切應(yīng)力。

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2. 測壓元件的工作原理

雖然不同類型的測壓元件以不同的方式工作，但最常用的測壓元件是應(yīng)變式測壓元件。 通常情況下，應(yīng)變式測壓元件是一個(gè)磁軛組件，其中應(yīng)變計(jì)按照惠斯通電橋配置排列，以測試對組件施加力后產(chǎn)生的應(yīng)變。 這些傳感器通常都經(jīng)過校準(zhǔn)，電阻變化可直接反映力的變化。 液壓和氣動(dòng)測壓元件較不常見，這類傳感器可直接將力轉(zhuǎn)換成壓強(qiáng)。 當(dāng)力作用于活塞或傳感器膜片的一端時(shí)，膜片的另一端將產(chǎn)生一個(gè)與該力平衡的壓力（氣動(dòng)或液壓），該壓力可通過傳感器測量出來。 白皮書的其余部分主要介紹了應(yīng)變式測壓元件或橋式測壓件。

結(jié)構(gòu)（彈性體）是測壓硬件/應(yīng)變計(jì)最重要的機(jī)械組件。 結(jié)構(gòu)會(huì)響應(yīng)所施加的載荷，并將該載荷轉(zhuǎn)換成獨(dú)立的均勻應(yīng)變場，應(yīng)變計(jì)放置在應(yīng)變場中就可以測量載荷。 測壓元件主要有以下三種結(jié)構(gòu)- 多彎梁結(jié)構(gòu)、多柱結(jié)構(gòu)和輪輻式，這三種結(jié)構(gòu)是所有可能測壓元件配置的基本構(gòu)建塊。

多彎梁測壓元件量程較小（20-22K N），采用輪狀彈性體，可適應(yīng)低外形傳感器。 每個(gè)橋臂上裝有四個(gè)或四組有源應(yīng)變計(jì)， 每一對應(yīng)變計(jì)具有大小相等方向相反的應(yīng)力（即拉力跟張力）。

多柱式測壓元件采用多柱結(jié)構(gòu)，量程較大（110K-9M N）。 每個(gè)橋臂裝有四個(gè)有源應(yīng)變片，其中兩個(gè)沿應(yīng)變主軸對齊，另外兩個(gè)相互垂直，以補(bǔ)償泊松效應(yīng)。

輪輻式稱重傳感器量程適中(2K to 1M N)，采用直剪式輪狀徑向輻射彈性體。 每個(gè)橋臂裝有四個(gè)有源應(yīng)變計(jì)，應(yīng)變片貼在輻射體的兩側(cè)，與懸梁軸呈45°。

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3. 如何選擇合適的測壓元件？

測壓元件有兩種基本工作模式： 壓力模式，其中稱重斗放置在一個(gè)或多個(gè)測壓元件上；張力模式，其中稱重斗懸掛在一個(gè)或多個(gè)測壓元件上。 您可以使用前面介紹的任意測壓元件配置設(shè)計(jì)不同的測壓元件結(jié)構(gòu)來測量壓力或者是同時(shí)測量壓力和張力。

除了要考慮主要測量方法外，在選擇測壓元件時(shí)還應(yīng)重點(diǎn)考慮量程、精度 、物理安裝限制以及環(huán)保要求。 僅考慮一個(gè)因素是無法正確預(yù)測傳感器的性能， 我們需要綜合考慮傳感器的各項(xiàng)參數(shù)以及測壓元件的配置方式。 下表比較了不同測壓件的量程、精度、靈敏度以及價(jià)格。

測壓元件 價(jià)格 重量范圍 精準(zhǔn)度 靈敏度 比較 梁式傳感器 低 10 – 5k lb 高 中等

• 儲(chǔ)料罐、臺(tái)秤
• 適用于線性力測量
• 應(yīng)變計(jì)外置，需要保護(hù)

S型梁式測壓元件 低 10 – 5k lb 高 中等

• 儲(chǔ)料罐、臺(tái)秤
• 耐側(cè)向高載荷
• 偏心載荷
• 密封和保護(hù)較好

筒式傳感器 中等 高達(dá)500k lb 中等 高

• 卡車、儲(chǔ)料罐和料斗稱
• 允許載荷移動(dòng)
• 無水平載荷保護(hù)

輪輻/低外形 低 5 – 500k lb 中等 中等

• 全不銹鋼材質(zhì)
• 儲(chǔ)罐、貨柜、天平
• 不允許載荷移動(dòng)

按鈕和墊片式 低

0 – 50k lb或

0 – 200k lb

低 中等

• 載荷必須居中
• 不允許載荷移動(dòng)

量程。定義最大跟最小重量要求。 選擇測壓元件時(shí)，應(yīng)確保量程超過最大工作載荷，并確定外加載荷和力矩。載荷量程必須滿足下列需求：

• 稱重結(jié)構(gòu)的重量（靜載荷）
• 可施加的最大有效載荷（包括任意靜態(tài)過載）
• 由風(fēng)荷載、地震等外部因素導(dǎo)致的額外過載

測量頻率。測壓元件可以設(shè)計(jì)成通用型或疲勞額定型，可承受數(shù)百萬次載荷周期而不影響性能。 通用型測壓元件適用于靜態(tài)或低循環(huán)頻率載荷應(yīng)用。 根據(jù)載荷水平以及傳感器的材質(zhì)，通用型測壓元件可承受100萬次循環(huán)。 取決于載荷水平跟振幅，疲勞額定型測壓元件通?？沙惺?千萬-1億次完整的反向載荷循環(huán)。

物理及環(huán)境限制。測壓元件選擇過程中需考慮的一個(gè)重要因素是如何將測壓片集成到系統(tǒng)中。 我們需要確定所有限制元件尺寸（如長、寬、高等）的物理因素以及元件的安裝方式。 大部分拉力和壓力測壓元件在頂部及底端使用中心內(nèi)螺紋進(jìn)行固定，也有用外螺紋，或內(nèi)外螺紋混合使用的情況。 另外還需要充分考慮系統(tǒng)運(yùn)行方式及極端運(yùn)行條件—最寬的溫度區(qū)間、所需測量的最小重量變化、極端的自然環(huán)境（如洪水、暴風(fēng)雨、地震）以及最大過載條件。

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4. 扭矩傳感器的工作原理

靜態(tài)扭矩傳感器

靜態(tài)扭矩是電能在傳輸及及吸收過程中，設(shè)備的旋轉(zhuǎn)部分對固定部分所施加的一個(gè)轉(zhuǎn)力或扭矩。 當(dāng)驅(qū)動(dòng)源施加旋轉(zhuǎn)動(dòng)力而荷載源保持固定，此時(shí)檢測出的扭矩就是靜態(tài)扭矩。 靜態(tài)扭矩傳感器的傳感元件由于固定在外殼上而受到限制，無法旋轉(zhuǎn)360°，而且沒有線纜包裹。 此類傳感器多用于測量往復(fù)攪拌運(yùn)動(dòng)的扭矩。 由于靜態(tài)扭矩傳感器不使用軸承、滑環(huán)或其他旋轉(zhuǎn)元件，因此安裝和使用成本較低。

動(dòng)態(tài)扭矩傳感器

動(dòng)態(tài)扭矩傳感器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用與靜態(tài)傳感器大致相同，不同的是動(dòng)態(tài)扭矩傳感器的位置與待測設(shè)備成一直線。 由于動(dòng)態(tài)扭矩傳感器的軸可以360度旋轉(zhuǎn)，可將旋轉(zhuǎn)體發(fā)出的信號(hào)傳輸?shù)焦潭ū砻妗?傳感器可以采用滑環(huán)、旋轉(zhuǎn)變壓器或遙測方法完成測量。

滑環(huán)法

滑環(huán)法就是將應(yīng)變橋連接到旋轉(zhuǎn)軸上的四個(gè)銀滑環(huán)。 銀石墨碳刷在滑環(huán)上摩擦，為橋激勵(lì)輸入和輸出信號(hào)提供電通路。 可使用交流或直流電源來激勵(lì)應(yīng)變橋。

旋轉(zhuǎn)變壓器

對于變壓器法，旋轉(zhuǎn)變壓器與傳統(tǒng)變壓器的差異就在于其主或次線圈可以旋轉(zhuǎn)。 一個(gè)變壓器將AC激勵(lì)電壓輸送到應(yīng)變橋，另一個(gè)變壓器將信號(hào)輸出傳送到傳感器中非旋轉(zhuǎn)部分。 這樣，兩個(gè)變壓器取代四個(gè)滑環(huán)，傳感器的旋轉(zhuǎn)元件和固定元件之間無需直接接觸。

數(shù)字遙測

數(shù)字遙測系統(tǒng)中沒有任何接觸點(diǎn)。 整個(gè)系統(tǒng)由收發(fā)器模塊、耦合模塊、信號(hào)處理模塊組成。 扭矩傳感器集成在發(fā)射器模塊中， 對傳感信號(hào)進(jìn)行放大，數(shù)字化并調(diào)制射頻載波，由卡尺耦合模塊（接收器）接收。 任何信號(hào)處理模塊將射頻載波恢復(fù)成數(shù)字測量數(shù)據(jù)。

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5. 如何選擇合適的扭矩傳感器？

與測壓元件一樣，扭矩傳感器的選擇主要取決于量程需求以及物理或環(huán)境因素。

量程。要正確選擇量程，就要先確定所需的最大和最小扭矩。 多余的扭矩和力矩會(huì)增加復(fù)合應(yīng)力，從而加速傳感器疲勞，影響精準(zhǔn)度和性能。 除了扭矩以外的任何載荷，如軸向載荷、徑向載荷、彎曲載荷都視為外載荷，應(yīng)予以事先確定。 如果安裝時(shí)不能將這些載荷的影響最小化，可以參照傳感器文件，判斷外載荷是否在傳感器的載荷范圍內(nèi)。

物理和環(huán)境要求。評(píng)估所有物理約束條件（如長度、直徑等）及扭矩傳感器在系統(tǒng)中的安裝方式。 充分考慮傳感器的運(yùn)行環(huán)境，確保在較寬溫度范圍、濕度和污染物（油、污垢、灰塵）環(huán)境下的性能。

每分鐘轉(zhuǎn)速(rpm)。動(dòng)態(tài)扭矩傳感器的轉(zhuǎn)速取決于傳感器的運(yùn)行時(shí)間及速度。

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6. 載荷和扭矩傳感器的信號(hào)調(diào)理

載荷和扭矩傳感器可以具有調(diào)理功能，也可以不具有調(diào)理功能。 具有調(diào)理功能的傳感器可直接連接到DAQ設(shè)備，因?yàn)檫@類傳感器具有濾波、信號(hào)放大和激勵(lì)所需的組件以及測量所需的常規(guī)電路。 如果是不具備調(diào)理功能的傳感器，則在搭建高效的橋式載荷和扭矩測量系統(tǒng)時(shí)需要考慮多個(gè)信號(hào)調(diào)理元素。 您可能需要以下一個(gè)或多個(gè)調(diào)理功能：

• 激勵(lì)，為惠斯通橋電路供電
• 遠(yuǎn)程感測，以補(bǔ)償長導(dǎo)線的激勵(lì)電壓誤差
• 放大，以提高測量分辨率和信噪比
• 濾波，以除去外部高頻噪音
• 偏置歸零，當(dāng)未施加任何應(yīng)力時(shí)，可將橋輸出平衡至0 V
• 分流校準(zhǔn)，根據(jù)已知的預(yù)期值驗(yàn)證橋的輸出