扭矩測量是汽車工業(yè)中許多測試的一個(gè)關(guān)鍵因素。人們對(duì)電機(jī)和汽車部件的要求越來越高：更高的能效、更低的消耗和更大的范圍。這也意味著在研發(fā)過程中對(duì)精度的要求更高了，因此對(duì)測試設(shè)備的要求也更高。那么，如何更好地測量扭矩呢？

在應(yīng)用中，人們傾向于僅使用一個(gè)扭矩傳感器來覆蓋多個(gè)測量范圍。如果在測量過程中必須覆蓋不同尺寸的測量范圍，例如在發(fā)動(dòng)機(jī)測試中，這一要求尤其苛刻。然后，扭矩傳感器必須根據(jù)測試情況獲得高扭矩和低扭矩，在整個(gè)測量范圍內(nèi)保持一致的精度。主要挑戰(zhàn)是在測量精度和誤差容限之間實(shí)現(xiàn)平衡。

比如制動(dòng)測試，出現(xiàn)的峰值扭矩遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于平均測量扭矩。傳感器的標(biāo)稱（額定）測量范圍大小適當(dāng)，以確保傳感器不會(huì)因峰值扭矩而過載、損壞甚至毀壞。峰值扭矩代表應(yīng)用中的最大扭矩。然而，如果將傳感器調(diào)到最大扭矩，它可能會(huì)在測量測試期間出現(xiàn)的其他扭矩時(shí)尺寸過大。尺寸過大的傳感器有一個(gè)缺點(diǎn)：必須用于評(píng)估誤差的重要數(shù)據(jù)表信息是指標(biāo)稱（額定）測量范圍，而不是平均測量扭矩。

圖1 具有兩個(gè)不同測量體的雙量程傳感器，其中小測量體還必須接收較大測量范圍的標(biāo)稱（額定）扭矩

圖2 電氣雙量程傳感器有一個(gè)彈性體，并以電氣方式模擬第二個(gè)較小的測量范圍

因此，相關(guān)的誤差評(píng)估可能會(huì)產(chǎn)生不利的結(jié)果，因?yàn)閿?shù)據(jù)表中指定的重要參數(shù)，例如溫度響應(yīng)TC0、非線性和遲滯以及寄生負(fù)載引起的影響，通常指的是傳感器的標(biāo)稱（額定）測量范圍。

雙量程傳感器的兩種方法

在單個(gè)測試過程中記錄多個(gè)測量范圍的理想解決方案是不斷調(diào)整傳感器測量范圍以適應(yīng)相應(yīng)的最大扭矩。然而，由于技術(shù)上的原因，這是不切實(shí)際的。所以就出現(xiàn)了許多不同的雙量程傳感器變體，它們能夠覆蓋大的和小的測量范圍。

兩種不同的原理作為雙量程傳感器的基礎(chǔ)：帶有兩個(gè)彈性體的傳感器，和只有一個(gè)連續(xù)彈性體，和兩個(gè)單獨(dú)測量通道的電氣雙量程傳感器。

多個(gè)彈性體允許多個(gè)測量范圍

雙量程扭矩傳感器在兩個(gè)大小不同的扭矩范圍內(nèi)進(jìn)行測量。為此，它們有兩個(gè)尺寸不同、標(biāo)稱（額定）測量范圍不同且串聯(lián)或并聯(lián)的彈性體或測量體。這些測量體中的每一個(gè)都帶有一個(gè)連接到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的特別配套的應(yīng)變計(jì)橋。這樣就可以確定測量體的材料應(yīng)變，然后可以從中得出扭矩。這種類型的扭矩傳感器稱為“真”雙量程傳感器。彈性體串聯(lián)的變體的缺點(diǎn)在于,它只適用于靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)扭矩測量。

在動(dòng)態(tài)應(yīng)用中，較小彈性體的過載保護(hù)會(huì)導(dǎo)致信號(hào)重疊。由于較小的彈性體也記錄較大彈性體的高扭矩，因此它配備了機(jī)械過載保護(hù)裝置，當(dāng)扭矩過高時(shí)，該保護(hù)裝置會(huì)斷開連接，從而將扭矩傳遞給較大的傳感器。如果沒有這種過載保護(hù)，較小的元件就有可能損壞。但是，如果過載保護(hù)確實(shí)起作用，則結(jié)果是一個(gè)不明確的信號(hào)。

這可能導(dǎo)致稍后評(píng)估測量結(jié)果時(shí)做出不準(zhǔn)確的解釋。第二個(gè)小測量范圍在這種布置中通常也具有非?！败洝钡脑O(shè)計(jì)，以便能夠在低扭矩下產(chǎn)生足夠高的特性值。因此，小的測量范圍對(duì)寄生負(fù)載（如軸向力）的響應(yīng)非常敏感，這會(huì)導(dǎo)致扭矩的串?dāng)_，在極端情況下甚至?xí)p壞或損毀傳感器。

在另一種“真”雙量程傳感器中，不同尺寸的彈性體采用并聯(lián)連接。這類傳感器不需要過載保護(hù)，從而也避免了信號(hào)重疊固有的干擾。但在這種情況下，較小的彈性體也必須記錄大扭矩。因此，較小的彈性體有過載的危險(xiǎn)，從而導(dǎo)致塑性變形。為了防止這種情況，較小的彈性體設(shè)計(jì)成能夠與較大的測量體一起支撐最大扭矩。然而，這導(dǎo)致第二個(gè)應(yīng)變計(jì)橋的特征值太低。結(jié)果：分辨率不足，同時(shí)有很高的不精確性，包括實(shí)現(xiàn)溫度響應(yīng)。

圖3 T12HP數(shù)字扭矩傳感器

電氣雙量程傳感器模擬小測量范圍

T12HP扭矩傳感器也不同于只有一個(gè)彈性體或測量體并模擬第二個(gè)彈性體的“非真”雙量程傳感器。

它包含一個(gè)附加測量放大器，該放大器連接到被設(shè)置為較小測量范圍的傳感器。這第二個(gè)測量放大器將輸出信號(hào)放大，通常放大5倍或10倍。因此，有了第二個(gè)有用的信號(hào)，它也代表較小的扭矩負(fù)載。這種設(shè)計(jì)原理的缺點(diǎn)：第二個(gè)測量范圍似乎只是為了提高精度。測量不確定度的關(guān)鍵參數(shù)是指標(biāo)稱（額定）測量范圍，而不是放大的有用信號(hào)。由于“非真”雙量程傳感器中的第二個(gè)信號(hào)只是對(duì)信號(hào)進(jìn)行電擴(kuò)展，如果數(shù)據(jù)表中沒有明確規(guī)定第二個(gè)量程的附加值，這些影響因素也會(huì)被放大，這會(huì)增加測量不確定度。

結(jié)論

在扭矩測量中，在兩個(gè)測量范圍內(nèi)測量不同量的扭矩有多種可能性。由于設(shè)計(jì)的原因，大多數(shù)變體的精度都會(huì)降低，尤其是在較小的測量范圍內(nèi)。具有多個(gè)測量體的真雙量程傳感器并不真正適用于動(dòng)態(tài)應(yīng)用，因?yàn)?/span>需要過載停止。由于第二范圍經(jīng)常被設(shè)計(jì)成靈敏的以便其會(huì)產(chǎn)生大的有用信號(hào)，因此允許的極限負(fù)載相應(yīng)地較低，并導(dǎo)致對(duì)扭矩信號(hào)的更多串?dāng)_，誤差相對(duì)較大。

在只有一個(gè)測量體的電氣雙量程傳感器中，傳播測量信號(hào)會(huì)放大干擾特性，例如信號(hào)噪聲、遲滯、零點(diǎn)溫度響應(yīng)TC0和寄生負(fù)載。除非數(shù)據(jù)表中另有說明，否則這不會(huì)增加第二個(gè)范圍的測量精度。零點(diǎn)溫度響應(yīng)TC0以及信號(hào)噪聲被放大，并且在從大測量范圍變?yōu)樾y量范圍時(shí)可能出現(xiàn)不連續(xù)點(diǎn)。電氣雙量程傳感器的原理還可以根據(jù)應(yīng)用放大寄生負(fù)載影響。這些干擾影響在具有FlexRange功能的T12HP扭矩傳感器中被最小化。