风轮转矩测量综述

张争争

摘要： 在机械传动系统中，转矩是最能反映系统性能的机械参数之一。转矩测量已成为现代化机械设计制造、功能检测、性能优化和故障排除时的关键技术。本文阐述了转矩测量的背景及意义和转矩测量常用的几种方法，介绍了国内外转矩测量技术的现状，同时展望了转矩测量传感器的未来发展趋势。对于了解转矩测量的发展历程及未来方向具有一定的指导意义。

Abstract： In the mechanical transmission system， the torque is one of the most mechanical parameters which can reflect the performance of the system. Torque measurement has become the key technology in the design and manufacture of modern machines， function testing， performance optimization and troubleshooting. In this paper， the background and significance of the torque measurement and the methods of measuring torque are introduced. The present situation of the domestic and foreign torque measurement technology is introduced. The present situation of the domestic and foreign torque measurement technology is introduced， and the future development trend of the torque measurement sensor is also presented， which has a certain guiding significance for understanding the development process and future direction of torque measurement.

关键词： 转矩测量意义；测量方法；发展趋势

Key words： torque measurement；measurement method；developing trend

中图分类号：TG806 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）04-0228-02

0 引言

随着现代科学的发展，转矩测量的应用越来越广，已经成为测试技术的重要组成部分[1]。转矩测量技术中要应用微机、机械和自动化等多方面知识[1]。随着集成电路技术，虚拟仪器，机械电子技术的发展，转矩测量仪器向智能化、微小化、一体化发展，广泛应用于工业、军事、科研等众多领域[2]。

1 转矩测量的背景及意义

机械元件转动的力矩称为转动力矩，机械元件在转矩作用下都会产生一定程度的扭转变形，故转矩有时又称为扭矩。转矩是反映旋转动力机械性能的重要参数之一，为了保证产品质量，必须对扭矩进行检测和控制，转矩测量已成为机械测量不可或缺的一部分。对很多旋转机械来说，能否对其动态转矩和静态转矩进行准确、方便、及时、可靠的测量，直接影响到动力机械的实时状态、运动规律的分析和研究。此外，转矩的测量还关系到设计理论的发展以及旋转机械性能的研究和提高。同時，转矩测试装置可以防止旋转机械转矩过大，起到转矩监测和自动控制的作用[2]。例如，当一批发动机制造出来后，通常通过测试其转矩来进行性能的检测，其次，在各种电机上通常要设定一个最大转矩值，以防止负载过大使电机损坏。

测量转矩的传感器、装置和仪器已经成为工厂、研究所对旋转机械进行研究和开发不可或缺的测试工具，同时也是组成计算机转矩控制系统的重要部分。微型测控系统以单片机为核心，充分利用数字技术，是目前应用最广泛的测试系统之一[3]。微型测控系统具有体积小、测量方便、高进度等优点。

2 转矩测量的国内外现状

2.1 转矩测量的国内现状 随着工业现代化的到来，国外先进技术的引进，我国转矩测量技术有了长足改进。在世界范围内达到一个较高的水平。电阻应变式和磁电式是目前国内应用最多的扭矩测量仪。从电阻应变式来看，洛阳工学院等单位研发的非接触式实时动态扭矩测量仪，精度高，可靠性高，并能在设备过载时起到保护作用[4]。北京冶金的李国林利用旋转变压器，将转矩转化为电压，实现了非接触式测量[5]。中国船舶工业总公司研制的卡环型电阻应变式转矩传感器，只需将卡环卡在轴上就可以直接测得转速、转矩和功率，广泛用于舰船、货船主机扭矩测量[6]。磁电式转速扭矩传感器和测量仪由上海电器科学研究所最早开发出来，在此基础上上海交通大学等单位研制了在国内目前被广泛应用的磁电式扭矩测力仪[7]。

2.2 转矩测量国外现状 近年来，随着现代化机械的发展，许多发达国家意识到扭矩测量技术的重要性，测量技术飞速发展，测量仪器不断更新。美国麻省理工学院研制了光纤传感器，具有很强的抗干扰性器。日本小野公司制造了实验室普遍使用的磁电式相位差扭矩测量仪，量程宽，精度高达0.5-1%.F.S.。历史悠久的德国马霍克公司，生产的振弦式扭矩测量仪闻名于世界，该仪器在传感器中加入钢弦，当被测轴扭转时，钢弦会拉紧或者放松以改变自身频率，这种频率变化通过滑环或者感应装置传输到数据处理机构从而完成转矩的测量[7]。霍尼韦尔提出了一种通过无线电传输转矩测试信号的新型扭矩传感器[8]。该传感器由敏感单元和控制单元组成，可以非接触地测量汽车变速箱和发动机所受转矩。endprint

3 转矩的定义

在机械传动系统中，转矩是最能反映系统性能的机械参数之一。扭矩测量已成为现代化机械设计制造，功能检测，性能优化和故障排除时的关键技术。利用合适的装置系统及仪器监测和控制转矩，对于整个系统的安全性，可靠性意义重大。转矩可分为静态转矩和动态转矩[9]。

3.1 静态转矩 静态转矩是指随时间变化不明显、数值基本无波动的转矩，包括恒定转矩、静止转矩、微脉动转矩和缓变转矩。其中恒定转矩是传动轴匀速转动，运行状态不变时的转矩，通常为定值；传动轴不旋转时，其转矩为常数，称为静止转矩；脉动转矩是指瞬时值有幅度不大都脉动变化的转矩；缓变转矩是指整体变化很慢，短时间内变化可忽略不计的转矩[10]。

3.2 动态转矩 动态转矩是指在不同时间有明显变化的转矩，包括振动转矩、随机转矩和过渡转矩三种[11]。其中振动转矩的值呈现周期性波动；随机转矩是一种随机产生，变化无法预测的转矩；过渡转矩则是机械转换工况过程中所产生的转矩。

从安装的角度来看：动态转矩是设计人员从技术角度给定的转矩值（范围）。在装配工具上安装一个动态转矩传感器，在拧紧螺栓的过程中，转矩传感器所测转矩最大值，即为动态转矩的测量值。静态转矩是使已处于拧紧状态螺栓刚好发生转动的力矩值，即为拧紧螺栓匀速转动时所需克服的阻力矩。

4 转矩测量方法

转矩的测量，按其基本原理可分为三种：传递法（扭轴法）、反力法（平衡力法）和能量转换法[12-13]。

4.1 传递法 传递法又叫做扭轴法，其基本原理是将测量转矩转化为测量传递转矩的弹性元件的物理参数变化量，例如，弹性元件所产生的变形、应变和应力与其所传递的转矩之间存在某种函数关系，这样就可以通过测量物理参数变化量来得到转矩值。通常采用旋转件来作为传递转矩的弹性元件，传感器的信号处理机构将弹性元件物理参数变化量转化为与转矩值成线性关系的信号，再把数据传送到转矩测量仪中。圆柱形扭轴安装方便，且能保证较高的精度，是目前使用最多的弹性元件。

4.2 反力法 处于稳态运行的旋转体，除提供动力的驱动力矩外，肯定存在着与驱动力矩大小相等、方向相反的平衡力矩。这样就可以通过测量旋转体的平衡力矩来得到其驱动力矩，这种方法成为反力法，又叫做平衡力法。采用平衡力法测量转矩，不存在转矩从旋转件到静止件的问题，可以通过类似弹簧测力计的测力仪器直接得到作用在力臂上的力值。只是这种方法只能用来测量静态转矩，不能测量动态转矩。

4.3 能量转换法 能量转换法，顾名思义，就是根据能量守恒定律，用其他参数来间接测量转矩的方法。例如，风轮输出功率计算公式为P0=Tω，这样就可以通过测量风轮的输出功率、角速度来间接得到风轮转矩。不过这种方法误差较大，一般为（5-10%），故很少采用，一般只有在无法直接测量转矩时使用。

参考文献：

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[3]郭占社.非接觸法在微电机力矩测试中的应用[J].仪器仪表学报，2006，33（4）：83-86.

[4]孟宗，刘彬.声表面波扭矩无线测量系统的研究[J].仪器仪表学报，2005，26（2）：80-81.

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[13]邱鑫，黄文新，杨建飞.一种基于转矩角的永磁同步电机直接转矩控制[J].电工技术学，2013，28（3）：56-62.endprint