使用桥式传感器测量载荷与扭矩

1. 什么是力、载荷、扭矩？

力是物体之间的相互作用： 任意作用力必有与其大小相等、方向相反的作用力。 力可认为是通过推、拉物体形成的， 它是一个矢量，有其大小跟方向。

载荷通常指施加于物体之上的力。 力或载荷的国际单位是牛顿(N)。测压元件可直接测量力或重量。 传感器通过测量物体受力后产生的形变，将机械力转换成电信号。 这种传感器的一个典型应用是测量料斗中的干或湿物料。 通过测压元件测得的重量，我们就可以算出料斗中物料的数量。

扭矩是使物体围绕轴转动的一种力矩。 正如力是推拉产生的，扭矩是通过扭转物体产生的。 扭矩的国际单位是牛米(Nm)。 用一个简单的公式来表示，扭矩等于力乘以力臂，顺时针施加的扭力为正，逆时针为负。扭矩传感器是贴在扭杆上的应变计组成。 扭杆转动时，应变计会产生与扭矩成正比的剪切应力。

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2. 测压元件的工作原理

虽然不同类型的测压元件以不同的方式工作，但最常用的测压元件是应变式测压元件。 通常情况下，应变式测压元件是一个磁轭组件，其中应变计按照惠斯通电桥配置排列，以测试对组件施加力后产生的应变。 这些传感器通常都经过校准，电阻变化可直接反映力的变化。 液压和气动测压元件较不常见，这类传感器可直接将力转换成压强。 当力作用于活塞或传感器膜片的一端时，膜片的另一端将产生一个与该力平衡的压力（气动或液压），该压力可通过传感器测量出来。 白皮书的其余部分主要介绍了应变式测压元件或桥式测压件。

结构（弹性体）是测压硬件/应变计最重要的机械组件。 结构会响应所施加的载荷，并将该载荷转换成独立的均匀应变场，应变计放置在应变场中就可以测量载荷。 测压元件主要有以下三种结构- 多弯梁结构、多柱结构和轮辐式，这三种结构是所有可能测压元件配置的基本构建块。

多弯梁测压元件量程较小（20-22K N），采用轮状弹性体，可适应低外形传感器。 每个桥臂上装有四个或四组有源应变计， 每一对应变计具有大小相等方向相反的应力（即拉力跟张力）。

多柱式测压元件采用多柱结构，量程较大（110K-9M N）。 每个桥臂装有四个有源应变片，其中两个沿应变主轴对齐，另外两个相互垂直，以补偿泊松效应。

轮辐式称重传感器量程适中(2K to 1M N)，采用直剪式轮状径向辐射弹性体。 每个桥臂装有四个有源应变计，应变片贴在辐射体的两侧，与悬梁轴呈45°。

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3. 如何选择合适的测压元件？

测压元件有两种基本工作模式： 压力模式，其中称重斗放置在一个或多个测压元件上；张力模式，其中称重斗悬挂在一个或多个测压元件上。 您可以使用前面介绍的任意测压元件配置设计不同的测压元件结构来测量压力或者是同时测量压力和张力。

除了要考虑主要测量方法外，在选择测压元件时还应重点考虑量程、精度 、物理安装限制以及环保要求。 仅考虑一个因素是无法正确预测传感器的性能， 我们需要综合考虑传感器的各项参数以及测压元件的配置方式。 下表比较了不同测压件的量程、精度、灵敏度以及价格。

测压元件 价格 重量范围 精准度 灵敏度 比较 梁式传感器 低 10 – 5k lb 高 中等

• 储料罐、台秤
• 适用于线性力测量
• 应变计外置，需要保护

S型梁式测压元件 低 10 – 5k lb 高 中等

• 储料罐、台秤
• 耐侧向高载荷
• 偏心载荷
• 密封和保护较好

筒式传感器 中等 高达500k lb 中等 高

• 卡车、储料罐和料斗称
• 允许载荷移动
• 无水平载荷保护

轮辐/低外形 低 5 – 500k lb 中等 中等

• 全不锈钢材质
• 储罐、货柜、天平
• 不允许载荷移动

按钮和垫片式 低

0 – 50k lb或

0 – 200k lb

低 中等

• 载荷必须居中
• 不允许载荷移动

量程。定义最大跟最小重量要求。 选择测压元件时，应确保量程超过最大工作载荷，并确定外加载荷和力矩。载荷量程必须满足下列需求：

• 称重结构的重量（静载荷）
• 可施加的最大有效载荷（包括任意静态过载）
• 由风荷载、地震等外部因素导致的额外过载

测量频率。测压元件可以设计成通用型或疲劳额定型，可承受数百万次载荷周期而不影响性能。 通用型测压元件适用于静态或低循环频率载荷应用。 根据载荷水平以及传感器的材质，通用型测压元件可承受100万次循环。 取决于载荷水平跟振幅，疲劳额定型测压元件通常可承受5千万-1亿次完整的反向载荷循环。

物理及环境限制。测压元件选择过程中需考虑的一个重要因素是如何将测压片集成到系统中。 我们需要确定所有限制元件尺寸（如长、宽、高等）的物理因素以及元件的安装方式。 大部分拉力和压力测压元件在顶部及底端使用中心内螺纹进行固定，也有用外螺纹，或内外螺纹混合使用的情况。 另外还需要充分考虑系统运行方式及极端运行条件—最宽的温度区间、所需测量的最小重量变化、极端的自然环境（如洪水、暴风雨、地震）以及最大过载条件。

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4. 扭矩传感器的工作原理

静态扭矩传感器

静态扭矩是电能在传输及及吸收过程中，设备的旋转部分对固定部分所施加的一个转力或扭矩。 当驱动源施加旋转动力而荷载源保持固定，此时检测出的扭矩就是静态扭矩。 静态扭矩传感器的传感元件由于固定在外壳上而受到限制，无法旋转360°，而且没有线缆包裹。 此类传感器多用于测量往复搅拌运动的扭矩。 由于静态扭矩传感器不使用轴承、滑环或其他旋转元件，因此安装和使用成本较低。

动态扭矩传感器

动态扭矩传感器的设计和应用与静态传感器大致相同，不同的是动态扭矩传感器的位置与待测设备成一直线。 由于动态扭矩传感器的轴可以360度旋转，可将旋转体发出的信号传输到固定表面。 传感器可以采用滑环、旋转变压器或遥测方法完成测量。

滑环法

滑环法就是将应变桥连接到旋转轴上的四个银滑环。 银石墨碳刷在滑环上摩擦，为桥激励输入和输出信号提供电通路。 可使用交流或直流电源来激励应变桥。

旋转变压器

对于变压器法，旋转变压器与传统变压器的差异就在于其主或次线圈可以旋转。 一个变压器将AC激励电压输送到应变桥，另一个变压器将信号输出传送到传感器中非旋转部分。 这样，两个变压器取代四个滑环，传感器的旋转元件和固定元件之间无需直接接触。

数字遥测

数字遥测系统中没有任何接触点。 整个系统由收发器模块、耦合模块、信号处理模块组成。 扭矩传感器集成在发射器模块中， 对传感信号进行放大，数字化并调制射频载波，由卡尺耦合模块（接收器）接收。 任何信号处理模块将射频载波恢复成数字测量数据。

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5. 如何选择合适的扭矩传感器？

与测压元件一样，扭矩传感器的选择主要取决于量程需求以及物理或环境因素。

量程。要正确选择量程，就要先确定所需的最大和最小扭矩。 多余的扭矩和力矩会增加复合应力，从而加速传感器疲劳，影响精准度和性能。 除了扭矩以外的任何载荷，如轴向载荷、径向载荷、弯曲载荷都视为外载荷，应予以事先确定。 如果安装时不能将这些载荷的影响最小化，可以参照传感器文件，判断外载荷是否在传感器的载荷范围内。

物理和环境要求。评估所有物理约束条件（如长度、直径等）及扭矩传感器在系统中的安装方式。 充分考虑传感器的运行环境，确保在较宽温度范围、湿度和污染物（油、污垢、灰尘）环境下的性能。

每分钟转速(rpm)。动态扭矩传感器的转速取决于传感器的运行时间及速度。

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6. 载荷和扭矩传感器的信号调理

载荷和扭矩传感器可以具有调理功能，也可以不具有调理功能。 具有调理功能的传感器可直接连接到DAQ设备，因为这类传感器具有滤波、信号放大和激励所需的组件以及测量所需的常规电路。 如果是不具备调理功能的传感器，则在搭建高效的桥式载荷和扭矩测量系统时需要考虑多个信号调理元素。 您可能需要以下一个或多个调理功能：

• 激励，为惠斯通桥电路供电
• 远程感测，以补偿长导线的激励电压误差
• 放大，以提高测量分辨率和信噪比
• 滤波，以除去外部高频噪音
• 偏置归零，当未施加任何应力时，可将桥输出平衡至0 V
• 分流校准，根据已知的预期值验证桥的输出