磁电式扭矩测量仪的设计与误差分析.

传感器原理及工程应用设计（论文）磁电式扭矩测量仪的设计与误差分析学生姓名：学号：所在学院：信息技术学院专业：电气工程及其自动化中国·大庆2011 年12 月黑龙江八一农垦大学摘要船艇主动力装置的转速、扭矩测量对于把握其工作状态．进行优化控制具有重要意义，当前转速的测量技术已十分成熟，但现有的扭矩测量装置在可靠性、精度或价格方面存在的问题以及船艇恶劣的工作环境，使得扭矩的实时测量远未达到令人满意的程度。

本文研究是舰艇非接触式转矩转速仪研制项目的一部分。

通过对各种扭矩仪的特性比较，认为磁电相差式扭矩仪属于非接触式测量，不需要结构复杂、容易带来不可靠因素的信号引出装置，结构简单可靠，无需外加电源而有较强的输出信号，对工作环境要求不高，不易受到干扰，能在较宽的环境温度范围下正常工作，且精度高，转速范围大，较为符合船艇的实际工作环境，因而选择了磁电相差式扭矩仪作为研究方向。

本文根据磁电相差式扭矩仪的原理和特点，分析其误差产生的主要原因，提出减小误差的措施，完成测量系统的总体方案设计和技术设计。

关键词：扭矩测量仪磁电式设计误差分析目录摘要 (2)前言 (5)1 系统总设计 (6)1．1转矩测量设备发展概况 (6)1．1．1 转矩测量设备的基本类型和主要特征 (6)1．1．2国内外转矩测量设备发展现状 (7)1．2非接触式转矩仪方案论证 (7)1．2．1方案论证遵循的基本原则 (7)1．2．2系统方案论证 (8)2 执行器部分 (9)2．1转矩仪转速特性的基本知识 (9)2．2减小转速特性误差的途径 (9)3 信号采样部分 (11)3．1 波形的模拟计算 (11)3．1．1影响传感器输出波形及信噪比的因素 (11)3．2 测量系统的总体设计 (11)3．3信号采集和处理部分的设计 (12)3．3．1硬件 (12)3．3．2软件 (13)4 应用的传感器 (17)4．1 传感器概述 (17)4．1．1引文 (17)4．1．2分类 (17)4．1．3定义 (17)4．1．4原理 (17)4．1．5总结 (18)5 试验及结果分析 (19)5．1试验设计 (19)5．1．1台架试验的目的 (19)5．1．2试验设计 (19)6 结论 (22)参考文献 (23)前言前言转矩、转速、功率测量的意义动力系统是船艇的心脏，是直接关系到船艇能否安全运行的关键，其状态监测已越来越为人们所重视。

近年来，动力系统的检测技术取得了长足进步，已由原始的机械式监测仪表逐步走向电子式、计算机综合检测，所测参数的范围也有了很大发展，部分参数已逐步成为在线监测参数。

当前船艇的动力大多由柴油机提供，其转速、转矩、功率是反映船艇动力性能的重要特征参数，综合反映主机的工作状态和工作质量，因而这些参数的测量具有重要意义。

转矩赢接反映主机的负荷，动力系统的转速和负荷是描述系统工况的两个基本参数，从主机的冷却水温度、滑油温度和压力、爆炸压力及排气温度也可间接反映主机的负荷，但都不如转矩来得直接、全面。

获知主机输出转矩后，根据螺旋桨特性曲线可了解螺旋桨的效率以及轴系的工作可靠性。

转速分为循环平均转速和瞬时转速，循环平均转速反映了柴油机的运转平稳性和调速性能。

柴油机是往复式工作机械，一个运行周期分为进气、压缩、做功、排气四个阶段，各阶段的转速有所不同，且船用主机多为多缸机，各缸按一定的顺序相继发火，使得瞬时转速曲线在一个循环内出现与发动机缸数相等波，这一波动情况可反映工作循环内柴油机各缸的工作细节，为主机某些故障的判断提供了有效的信息。

通过分析转速的波动情况，可以监测气缸的气密性和工作气缸的动力性能，评判各缸的工作均匀性。

对转速、转矩等参数进行实时监测，能够及时掌握主机的运行状态，对船艇动力系统的实时控制和早期故障诊断具有重要作用。

当前，转速的测量技术已十分成熟，在实船上的应用也很普遍，转矩的测量在实验室中出现了多种方法，但在工作现场测量还远未达到令人满意的程度。

课题来源和本文所做的主要工作课题来源于海军装备部下达的“舰艇非接触式转矩仪的研制”科研项目，该项目针对当前转矩仪存在的问题，研制适合于船艇实际工作环境的在线转矩测试仪。

本文所做的工作有以下几个方面：1．综合比较各种不同工作原理的转矩转速仪的特点，选择了较为符合舰艇实际工作环境的磁电相位差式转矩仪。

2．从磁电相位差式转矩仪的原理着手，分析了影响转矩仪精度的主要因素——转速特性误差的产生原因和减小这一误差的途径。

3．对不同齿轮产生的波形进行了模拟计算，并由此分析了影响波形的主要因素。

4．确定了系统的设计原则，结合舰艇实际工作环境完成了系统方案设计。

5．在6—135zc柴油机台架上完成了系统技术设计，并对系统的转速、转矩测量情况进行了试验研究。

1 系统总设计1．1转矩测量设备发展概况转矩测量设备作为旋转轴系测功、测力设备，在确定被测装置性能、对装置实施状态监测和故障诊断及实现优化控制等方面有着广泛的用途，因此，开发可靠性高、测量精确的在线转矩测量设备具有重要的实际意义。

1．1．1 转矩测量设备的基本类型和主要特征按照转矩测量方法的基本原理，主要的转矩测量设备可以分为以下三种类型：平衡类、传递类和能量转换类。

1．平衡力类：平衡力类测量转矩设备通常称为测功器，其原理是通过吸收发动机的功来测量转矩，主要由主机、平衡支承和平衡力测量机构三部分组成。

平衡力矩可由水流、电流、电涡流、磁粉、空气等提供，最为常见的两种测功器是水力测功器、电力测功器，分别通过水的摩擦力、电磁力矩来平衡发动机输出轴转矩，并传输给外部测力机构，测出输出转矩。

2．传递类：传递类测量转矩设备通常称为转矩仪，其测量转矩的原理是通过测量发动机输出轴在转矩作用下的变形、应力或应变，并进一步转换成轴的转矩。

由于被测轴是旋转的，因此被测轴的变形或变换的输出较为困难，并且也影响其测量的准确性、稳定性及设备的可靠性。

3．能量转换类：能量转换类测量转矩和功率是基于测量发动机消耗燃料的化学能以及发动机进行能量转换的效率来『白J接获取发动机功率的方法，由于影响发动机的效率的因素复杂多变，因此，此类设备通常较难具有通用性，且精度较低。

关于柴油机功率的测量，美国的报道有通过测量发动机排气管压力波动情况来确定发动机功率的设备，但实际应用中局限性很大。

在三类转矩测量设备中，能量转换类通常在电机类和液压机械类转矩测量中应用，在其它能量转化场合很少应用：平衡类转矩测量装置没有从旋转轴到显示部分的转矩信号传输问题，其本身就是一台工作机或制动器，在实验室和内燃机制造厂家，对动力机械或工作机械进行试验时，就不需要另外再去选配负载机械，因而，平衡类转矩测量设备在实验室和内燃机制造厂家中有广泛应用，但该类转矩测量装置体积庞大，价格较贵，仅可测量稳定转速工作情况下的转矩，不能测量动态转矩，且在测功时测功器消耗发动机输出功，不能输出转矩，因而不能用于工作现场测量；传递类即转矩仪具有不影响原动机功率输出的优点，可以在现场测量，因而应用最为广泛。

1．1．2国内外转矩测量设备发展现状（一）国外转矩测试设备研制情况随着电阻应变测量技术的发展和电子技术水平的提高，转矩仪的研究得到了迅速的发展。

按美国1973年的统计。

现代实验工作中采用转矩仪测量转矩的占60．40%，采用测功器测量的占26．8%，其他方法占10．4%，而且转矩仪所占的比例有明显增加的趋势。

用于船艇的转矩实时测量技术在国外起步较早，1972年美国海军首先在一艘以燃气轮机为主动力的DD一963级驱逐舰上安装使用了ACURX型船用转矩仪，实时监测船艇航行时主机的转矩、转速、功率，对主机进行科学管理，同时保护轴系。

此后，英、日、德等西方发达国家普遍在船艇、钻井机械、轧钢设备上配置转矩传感器，对设备进行科学管理。

传感器的精度在不断提高，磁电式转矩传感器的静校精度已不低T±0．1%，同本生产的转矩遥测仪精度可达I%。

数字式显示仪表出现后，其不易受到于扰,测量精度高，测量结果便于自动记录或输入计算机进行处理的优点使得其在转矩测量中应用同益广泛。

测量转矩不仅在技术上朝着多样化、方便、高精度等方向发展，而且测量范围也不断扩大。

（二）国内转矩测试设备研制情况我国转矩仪的应用始于六十年代，到八十年代以较广泛用于内燃机、泵、电机、齿轮箱等方面。

造船部门为验交船舶，在试航工作中使用转矩仪测量转矩、功率，作为交船依据，但作为船用主机的固定配套设备却少有应用，其原因一方面是对转矩仪保障船艇技术性能的重要性认识不足：另一方面，那时的转矩仪操作较困难。

有的需要改变轴系布置，可靠性较低，信号传输方面存在一些难以解决的问题。

直NA．十年代末，七零四所研制成功RTM．MC功率遥测仪，才丌始逐渐在主要船艇上配置使用。

1．2非接触式转矩仪方案论证1．2．1方案论证遵循的基本原则根据转矩仪研制的用途为工程在线检测，因此，确定了如下的基本原则：(1)在可靠的基础上求先进工程检测设备，尤其是在线检测设备，其可靠性好坏、寿命长短是其最关键的因素，因此，在方案论证时必须充分重视系统的可靠性，可靠性和寿命是维系系统功能发挥的基础，在此基础上系统的先进性能彳‘能得以实现并发挥其效益。

在重视可靠性的同时，应兼顾其性能的先进性，满足工程测试的基本要求。

(2)精度与稳定性相结合动态测量及稳态测量精度与灵敏度往往形成矛盾，灵敏度优越的系统可能稳定性较差，尤其是来自外界的干扰，在动态响应好的系统上往往产生很大的影响，因此必须重视系统的抗干扰能力。

(3)性能与价格并重充分考虑系统性能，尤其是其可扩展性与造价的关系，力争在系统形成后，针对柴油机等热机，具有在热力性能等方面扩展其测量范围的可能性，追求较高的性能价格比。

1．2．2系统方案论证本文的研究是结合“舰用非接触式转矩转速传感器的研制”课题进行的，课题研究适用于舰艇动力装噩的输出转矩实时测量的测量设备，被测转矩范围比较大，设备在机舱中工作，环境比较恶劣。

根据课题要求，综合比较各种转矩测试设备的特点后，认为相位差式转矩仪较为符合课题的要求。

整个测量系统由传感器部分和信号处理部分组成1.传感器部分的选型相位差式转矩仪的传感器一般可采用电涡流式、光电式和磁电式三种形式。

西安交通大学曾使用清华大学精密仪器与机械学系传感器研究室研制生产的电涡流传感器进行实验，发现电涡流传感器有响应速度慢的致命弱点，不能满足实时性的要求。

光电式响应速度快，信号强度不受转速的影响，结构简单。

但其缺点是抗污染能力较弱，需配置外加电源，光源需经常更换，可靠性较差，不能测起动和低转速转矩，静标困难。

磁电式传感器基于磁感应原理，测量精度高，转速范围大，结构简单、可靠，无需外加电源丽有较强的输出信号，对工作环境要求不高，不易受到干扰，能在一20℃～60℃的环境温度下J下常工作。