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扭矩传感器名词和表达式

扭矩传感器名词和表达式

时间:2019-06-05 14:39 来源: 作者:广州南创 点击:

扭矩测量专有名词深度解读(一)

精度等级 vs. 整体精度

精度等级为产品分类提供了实用指南,在实际应用中,精度等级不可被认为是整体精度。因为其同时还会受到其他因素影响。

案例:

我们来看T10F扭矩传感器的两个不同版本,"S"(标准版本)以及"G"(即减小包括滞后的线性误差),量程为100N·m到10kN·m。

在技术参数表中,"S"版本:温度对零点的影响(TK0)精度为:0.05%, 温度对灵敏度影响为(TKC)为0.1% , 包括滞后的线性误差 (dlh). 为±0.1%,由于后两个值,所以精度等级所以为0.1。而版本"G"对包括滞后的线性偏差(dlh)进行了改进,其值仅有 0.05%。

但温度对灵敏度的影响(TKC) 仍然是0.1%。因此,版本“G”的精度等级仍然为0.1。

显然, 版本"G"没有对精度等级产生任何影响。但是不同的是:但仅TKC.这个值会对测量产生较大影响,但对某些应用来说,例如在部分负载范围内进行测量时,其影响要小得多。

灵敏度C

额定扭矩和零扭矩下输出信号值之间的跨度。通常,HBM扭矩传感器规定了两个单独的灵敏度,一个用于顺时针扭矩,另一个用于逆时针扭矩。


图1:额定扭矩灵敏度

灵敏度C被表示为特性曲线的斜率。特性曲线为连接未加载的扭矩传感器的输出信号SM0和额定扭矩输出信号Sn之间的直线。简单表达式为

C = Sn − SM0

灵敏度和额定扭矩形成一对已知值,将扭矩和输出信号对应在一起。如果给出两对这样的值,即可用来设置放大器。通常,第二对值是零扭矩和零输出信号跨度(即输出信号=初始扭矩信号)。

标称灵敏度

传感器灵敏度的标称值。通常顺时针和逆时针扭矩相等。但是,传感器的标称灵敏度仅在规定的公差范围有效。

灵敏度误差

实际灵敏度与标称灵敏度的允许偏差。其是相对于标称灵敏度的百分比。

 

对于HBM扭矩传感器,在交付前测定了每个传感器的实际灵敏度。该值记录在测试证书或校准证书中。因此,在确定精度等级时,不考虑灵敏度公差。

温度对灵敏度的影响

温度对灵敏度的影响是实际输出信号的变化,也就是在额定扭矩下,温度变化10K对输出信号产生的最大影响量。

温度对灵敏度的影响(也称为温度灵敏度系数)是传感器施加负载时,温度变化对输出信号的影响。输出信号必须通过减去相应温度下的初始扭矩信号来进行校正。

有效温度是指传感器温度。HBM定义的传感器静态温度是指15分钟内的传感器最大温度变化不超过0.1K。偏差量以实际输出信号的百分比表示。

温度对灵敏度的影响会导致特性曲线的斜率变化(见图2)。当传感器在明显不同于参考温度下运行时,这一点尤为重要。但是,对于部分量程,它的影响很小,因为产生的偏差是实际输出信号的百分比。

请注意,通常温度对灵敏度的影响和温度对零点的影响(TK0) 是相互叠加的。

举例:

一个额定扭矩为1kN⋅m的扭矩传感器,温度对灵敏度的影响TKC≤0.1%,参考温度为23°C,额定温度范围为+10°C至+60°C。

如果传感器在33°C(或13°C)的温度下工作,温度变化引起的灵敏度偏差可能高达0.1%。

对于1kNm的扭矩(额定扭矩),这相当于1N⋅m。但是,对于200Nm的扭矩,偏差仅为0.2N⋅m,因为TKC始终是指实际输出信号的百分比偏差,这是因为灵敏度基于的是直线斜率。在43°C(与额定温度相差20K)下使用相同的传感器,在最坏的情况下,可能导致最大偏差高达0.2%。并且不适用于在3°C下使用,因为该温度不在额定温度范围内。

温度对零点信号的影响

温度对零点信号的影响是指传感器在10K温度变化情况下,传感器空载输出信号与额定灵敏度的相对变化量。参数表中的规定值是指额定温度范围内可能的最大值。

温度对零点信号的影响(也称为零点信号的温度系数)是指在静止温度状态下,测量温度变化10K导致的零扭矩(传感器空载)实际输出信号的变化。这里的温度是传感器温度。HBM定义的静止温度状态是指15分钟内的最大温度变化不超过0.1K。

图2:温度对灵敏度的影响TKC 

 

温度对零点的影响TK0.

温度对零点信号的影响会导致特性曲线平移(见图2)。当传感器不在参考温度下运行时,这一点尤为重要。在工作温度下通过去皮或调零,可以消除由温度对零点信号影响而产生的测量误差。

请注意,通常温度对零点的影响和温度对灵敏度的影响 (TKC) 是相互叠加的。

例子:

一个额定扭矩为1kN⋅m的扭矩传感器,温度对零点的影响TK0 ≤0.05%, 参考温度为23°C,额定温度范围为+10°C至+60°C。

如果传感器在33°C(或13°C)的温度下工作,零点信号偏差可能高达标称灵敏度的0.05%,对应于0.5Nm的偏差。该偏差与传感器加载的扭矩无关。在43°C(与额定温度相差20K)下使用相同的传感器,在最坏的情况下,可能导致最大偏差高达0.1%。其不适用于在3°C下使用,因为该温度不在标称温度范围内。

线性误差

扭矩传感器特性曲线最大偏差的绝对值,特性曲线近似为一条直线。其被表示为灵敏度C的百分比。

为了确定线性误差,负载需要从零增加到额定扭矩并进行了一系列测量。基准直线是穿过初始点的最佳拟合直线。规定的线性偏差是实际输出信号与参考直线的最大偏差。也可以描述为公差带(偏离直线的上下偏差量之和)宽度的一半,该宽度与基准直线对称。

 

在实际应用中必须考虑线性偏差,因为特性曲线被假定为直线。如何线性偏差过大,将会对测量结果产生很大的影响。


图3:  线性误差的测定

 

包括滞后在内的线性误差

包括滞后在内的线性误差为输出信号值相对于参考直线的最大偏差(绝对值)。基准直线是指穿过起点的最佳拟合直线(见图5)。同时考虑了线性误差和滞后。指定值被表示为灵敏度C的百分比。

测定线性偏差(包括滞后)的负载循环从零一直增加到额定负载,然后再释放到零(见图5)。线性误差是实际输出信号与参考直线之间的最大偏差。

图 5  在一个加载周期内,

测定包括滞后在内的线性误差

包括滞后在内的线性误差也可以理解为公差带宽度的一半,该宽度与参考直线对称(见图5)。与线性误差测定程序的唯一不同之处在于,这里包括减小扭矩的测试过程。此差异对参考直线计算和参考直线误差都会产生影响。

  • 为确定该值,HBM按照以下规范进行:
  • 传感器在三个循环加载过程中以逆时针方向预加载扭矩,从零到100%的额定扭矩,然后释放回零扭矩。预加载的目的是消除安装(如螺栓沉降和接触面光滑)的影响
  • 一个负载周期,扭矩逆时针加载,并记录预负载步级下测量信号的相应值(在HBM生产中进行测试时,这些步骤的扭矩为额定值的的 0%、50%、100%、50% 和 0%
  • 根据上述定义分别计算顺时针扭矩和逆时针扭矩的最佳拟合直线
  • 通过顺时针扭矩和逆时针扭矩分别确定与最佳拟合直线的最大偏差量
  • 包括滞后在内的线性误差很重要,因为通常在调整测量链时,均假定特性曲线为直线

例子:

以T10FS扭矩法兰为例,包括滞后的最大允许线性误差≤0.05%,额定灵敏度为5kHz。由于线性误差和滞后引起的输出信号误差最多可达2.5Hz。

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