扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，簡(jiǎn)稱為扭振，不同于我們所說的常規(guī)振動(dòng)。除了常規(guī)的振動(dòng)之外，扭振是結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)行為的另一種表現(xiàn)形式，通常與其他振動(dòng)荷載同時(shí)出現(xiàn)，也就是說結(jié)構(gòu)發(fā)生振動(dòng)時(shí)，除了常規(guī)的振動(dòng)之外，還有可能存在扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。扭振會(huì)引起結(jié)構(gòu)疲勞，同時(shí)也會(huì)引起振動(dòng)、噪聲、舒適性等方面問題。對(duì)于自由的剛體而言，共有6個(gè)自由度，即三個(gè)平動(dòng)自由度和三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。因此，我們可以把運(yùn)動(dòng)自由度分為平動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)兩類。如果用牛頓第二定律來描述，那么，平動(dòng)對(duì)應(yīng)的是三個(gè)加速度，轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)應(yīng)的是三個(gè)角加速度。平動(dòng)對(duì)應(yīng)的載荷是力，轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)應(yīng)的載荷是力矩。從此，旋轉(zhuǎn)機(jī)械的設(shè)計(jì)、運(yùn)行進(jìn)入了一個(gè)新時(shí)期，效率高、重量輕的高速轉(zhuǎn)子日益普遍。

      測(cè)轉(zhuǎn)角測(cè)扭矩是一種特別適合細(xì)長(zhǎng)旋轉(zhuǎn)軸的扭矩測(cè)量方案。該方案多是在旋轉(zhuǎn)軸的同軸方向上加裝柔性扭桿,通過測(cè)量扭桿旋轉(zhuǎn)的相對(duì)角度測(cè)量扭矩。已有的測(cè)轉(zhuǎn)角測(cè)扭矩的方案有:電磁式測(cè)轉(zhuǎn)角測(cè)扭矩、光電式測(cè)轉(zhuǎn)角測(cè)扭矩、激光式測(cè)轉(zhuǎn)角測(cè)扭矩、電容式測(cè)轉(zhuǎn)角測(cè)扭矩等。扭振測(cè)量基本原理將磁電式傳感器對(duì)正齒輪安裝,當(dāng)軸旋轉(zhuǎn)時(shí),傳感器上感應(yīng)出與齒形有關(guān)的脈沖信號(hào)。

      測(cè)反作用力測(cè)扭矩是通過測(cè)量制動(dòng)扭矩(為阻止電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)而施加的反扭矩,該扭矩就叫做制動(dòng)扭矩)測(cè)扭矩的一種扭矩測(cè)量方案,這種方法有一定的局限性,只能測(cè)靜態(tài)力矩。采用這種方案的扭矩測(cè)量案例有:扭力扳手、靜態(tài)扭矩實(shí)驗(yàn)測(cè)量裝置等。

非接觸測(cè)量可以滿足對(duì)于扭矩測(cè)量的眾多需求:

1)長(zhǎng)期不間斷、高可靠性扭矩測(cè)量。一般性扭矩傳感器一旦失效,不僅會(huì)造成扭矩傳感器自身的損壞,更嚴(yán)重的是會(huì)造成被測(cè)量設(shè)備的重大機(jī)械損壞。例如:應(yīng)變式扭矩測(cè)量裝置中應(yīng)變計(jì)的引線需要靠滑環(huán)(見圖1)引出,長(zhǎng)時(shí)間工作后,滑環(huán)極易發(fā)熱老化,甚至斷裂脫落,所以出于可靠性的考慮,該方案多用于低速旋轉(zhuǎn)軸的短期扭矩測(cè)量。如果選擇非接觸式扭矩傳感器測(cè)量扭矩,它與旋轉(zhuǎn)軸沒有力的相互作用,工作過程中不受軸向負(fù)載和彎曲載荷,所以零件損耗小,工作壽命長(zhǎng),可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期不間斷、可靠性測(cè)量扭矩。從介紹一般性扭矩測(cè)量入手,在分析了非接觸扭矩測(cè)量的應(yīng)用需求后,發(fā)現(xiàn)非接觸扭矩測(cè)量技術(shù)的突破性發(fā)展為實(shí)現(xiàn)不間斷、高可靠性、高動(dòng)態(tài)性扭矩測(cè)量提供了關(guān)鍵性的解決方案,時(shí)極大的提高了對(duì)被測(cè)裝置控制的準(zhǔn)確性。

2)高動(dòng)態(tài)性精磚扭矩測(cè)量。傳感器自身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是影響扭矩測(cè)量精度和動(dòng)態(tài)性的重要問題,因?yàn)閭鞲衅魇怯兄亓康?安裝在旋轉(zhuǎn)軸上后就相當(dāng)于增加了一個(gè)“額外質(zhì)量”,這一質(zhì)量在旋轉(zhuǎn)軸較輕或者轉(zhuǎn)速較慢的情況下是不能忽略的,那便會(huì)導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速明顯下降,測(cè)量得到的扭矩大小將受到嚴(yán)重影響。如果采用非接觸式扭矩測(cè)量,傳感器對(duì)旋轉(zhuǎn)軸無附加外力,這可以從根本上提高測(cè)量的動(dòng)態(tài)性和精準(zhǔn)性,同時(shí)有助于提高系統(tǒng)的分辨率。無線傳輸近年來在非接觸式扭矩測(cè)量系統(tǒng)得到了應(yīng)用，該系統(tǒng)的組成見圖4。

3)準(zhǔn)確控制被測(cè)裝置。因?yàn)橐话阈耘ぞ販y(cè)量裝置的體積大,并且要與旋轉(zhuǎn)軸直接接觸,所以存在著一個(gè)不可避免的問題,即由于安裝位置不當(dāng),或者接觸測(cè)量時(shí)產(chǎn)生的干擾力或扭矩而改變旋轉(zhuǎn)軸的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),這類干擾是隨機(jī)的,很難評(píng)估和定量,而扭矩測(cè)量往往又是作為控制單元的反饋信號(hào)。這樣就會(huì)直接導(dǎo)致控制的準(zhǔn)確性難以保證。采取非接觸式扭矩測(cè)量,從源頭上消除傳感器施加在旋轉(zhuǎn)軸上的附加力,末端控制的高準(zhǔn)確性才有可能實(shí)現(xiàn)。該方案多是在旋轉(zhuǎn)軸的同軸方向上加裝柔性扭桿,通過測(cè)量扭桿旋轉(zhuǎn)的相對(duì)角度測(cè)量扭矩。

實(shí)現(xiàn)非接觸式扭矩測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù)

扭矩的非接觸式測(cè)量是在接觸式測(cè)量的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。它綜合利用了已有的扭矩測(cè)量技術(shù)和方法,通過技術(shù)改進(jìn)和升級(jí)實(shí)現(xiàn)非接觸的扭矩測(cè)量目標(biāo)。工程中,實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量的關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)非接觸的扭矩信號(hào)傳遞?，F(xiàn)階段,可以實(shí)現(xiàn)非接觸扭矩信號(hào)傳遞的關(guān)鍵技術(shù)有如下兩種。對(duì)于自由的剛體而言，共有6個(gè)自由度，即三個(gè)平動(dòng)自由度和三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。

基于無線信號(hào)傳輸模塊的非接觸扭矩測(cè)量方案

基于一般性扭矩測(cè)量方案,即測(cè)應(yīng)變測(cè)扭矩、測(cè)轉(zhuǎn)矩測(cè)扭矩、測(cè)反作用力測(cè)扭矩,這一方案是指增添無線信號(hào)傳輸?shù)墓δ軉卧獙?shí)現(xiàn)非接觸扭矩信號(hào)傳遞。這是一種改良方案,通過技術(shù)改進(jìn)實(shí)現(xiàn)從有線接觸式扭矩測(cè)量到非接觸無線扭矩測(cè)量的升級(jí)。