齿轮箱高振动环境下，如何实现±0.1%精度扭振测量？【扭矩传感器】

1. 齿轮箱高振动环境下的扭振测量技术问题分析

被测物： 齿轮箱
技术要求： 在高振动环境下，实现±0.1%精度的扭振（扭矩+振动）测量。

基本结构与技术需求：
齿轮箱是动力传递的关键部件，其内部齿轮的啮合、运转会产生复杂的扭矩和振动。在运行过程中，齿轮箱通常会承受载荷变化、冲击载荷以及自身运转产生的动态载荷，这些因素共同作用，导致箱体内部产生显著的振动。同时，齿轮啮合过程中，传递的扭矩会不断变化，形成扭矩的波动，即扭振。

高振动的环境对测量系统提出了严峻的挑战：
信号干扰：外部振动容易耦合到测量传感器及其信号传输路径，产生额外的噪声，降低测量精度。
传感器稳定性：传感器本体在高频、大幅度振动下可能出现机械损坏或性能衰减。
信号传输：传统的有线信号传输方式，在振动环境下易因连接松动、线缆磨损导致信号不稳定或丢失。
测量精度：要达到±0.1%的扭矩测量精度，需要极高的信噪比和极低的系统误差，这在高振动环境中尤为困难。

因此，在齿轮箱高振动环境下进行高精度扭振测量，需要一种能够有效抑制振动干扰、保证信号稳定传输且测量精度可靠的传感技术。

2. 齿轮箱动态监测相关技术参数概述

在对齿轮箱进行动态监测时，需要关注以下几个关键参数，这些参数共同决定了监测系统的性能和测量结果的可靠性：

• 扭矩 (Torque):

  • 定义：作用在旋转轴上的力矩，是驱动或传递动力的物理量。

  • 评价方法：通常通过测量轴的扭转变形来推算。测量值会与额定扭矩（Full Scale Deflection, FSD）进行对比，计算其相对误差。

• 综合精度 (Accuracy):

  • 定义：衡量传感器实际测量值与真实值之间差异的综合指标，包含了非线性、滞后、重复性等多种误差源。

  • 评价方法：通常以额定扭矩（FSD）的百分比表示，例如 ±0.1% FSD。

• 非线性与滞后 (Non-linearity & Hysteresis):

  • 定义：

    • 非线性：输出信号与输入信号（扭矩）之间的关系不是一条完美的直线，而是存在一定的曲线偏差。

    • 滞后：同一扭矩值，在加载（增加）和卸载（减小）过程中，传感器输出的差异。

  • 评价方法：也以额定扭矩（FSD）的百分比表示。

• 最大转速 (Max Speed):

  • 定义：传感器能够安全、稳定工作的最高连续旋转速度。

  • 评价方法：以每分钟转数（RPM）为单位。

• 采样率 (Sample Rate):

  • 定义：传感器每秒采集数据的次数，决定了其捕捉动态变化的频率上限。

  • 评价方法：以每秒采样数（samples per second, sps）为单位。

• 振动 (Vibration):

  • 定义：齿轮箱在运转过程中产生的机械振动，可能表现为加速度、速度或位移等形式。

  • 评价方法：通常通过加速度传感器测量，并可能关注振动的幅值、频率、RMS值等，通常以g（重力加速度）或m/s²为单位。

• 工作温度 (Operating Temperature):

  • 定义：传感器能够稳定工作的环境温度范围。

  • 评价方法：以摄氏度（°C）为单位。

3. 实时监测/检测技术方法

3.1 市面上各种相关技术方案

针对在齿轮箱高振动环境下实现高精度扭振测量的需求，市面上存在多种技术方案，它们在测量原理、性能表现和适用性上各有侧重。

3.1.1 无线应变式扭矩传感器（分离式电子模块）

• 工作原理与物理基础：
  这类传感器，如英国真尚有ZTQS303系列，核心是利用电阻应变片。将应变片粘贴在被测旋转轴上，组成惠斯通电桥。当轴受到扭矩作用发生扭转变形时，应变片的电阻值会发生微小变化。这种电阻变化通过电桥电路放大，并转换成电信号。
  关键在于其分离式电子模块设计：

  • 应变片与桥路集成在传感器探头（转子）上，用于捕捉最原始的轴变形信号。

  • 信号传输采用2.4GHz射频（R.F.）无线技术，实现转子与定子（电子模块）之间的非接触式信号传输。这意味着信号从旋转的探头传递到静止的电子模块，无需物理接触，消除了滑环磨损带来的噪声与精度问题，对高振动环境尤其有利。

  • 主要的信号处理、调理及接口电路则集成在独立的电子模块（定子）中。

• 核心性能参数典型范围：

  • 综合精度：±0.1% FSD（如ZTQS303系列）。

  • 非线性与滞后：±0.05% FSD。

  • 最大转速：6,000 RPM 至 30,000 RPM（依量程而定）。

  • 采样率：4000 samples/s（标准数字输出）。

  • 安全机械过载：400% FSD（远高于行业平均）。

  • 电气超量程：250% FSD（可捕捉峰值）。

  • 工作温度：传感器本体（探头）可在较宽范围工作，具体范围需确认，电子模块通常在0至+90°C。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点：

    • 抗振动能力强：无线传输避免了滑环磨损和线缆晃动带来的噪声，电子模块分离设计使探头体积小，更易安装在狭小空间，且核心处理单元可置于低振动区域。

    • 高精度：低噪声和良好的线性度可实现±0.1%的测量精度。

    • 动态性能好：高采样率可捕捉快速变化的扭矩。

    • 高过载能力：400%机械过载和250%电气读取范围，适合测试突变载荷。

    • 灵活性：分离式电子模块易于维护和升级。

  • 缺点：

    • 安装相对复杂：需要布线连接传感器探头和电子模块。

    • 无线传输受限：需考虑无线信号的传输距离和稳定性，可能受强电磁干扰影响（需采用屏蔽线和良好布局）。

    • 成本：相较于一些一体式传感器，成本可能略高。

  • 适用场景：严苛的工业环境、狭小安装空间、需要高精度动态扭矩测量的场景，如发动机测试台、传动系统耐久性测试。

3.1.2 基于法拉第电磁感应原理的扭矩传感器

• 工作原理与物理基础：
  此技术利用法拉第电磁感应定律，通过测量旋转轴上磁场的变化来推算扭矩。通常，会在轴上集成一个具有特殊磁性的材料，并配合励磁线圈和检测线圈。当轴受扭时，其内部磁畴的排列会发生变化，导致通过检测线圈的磁通量变化，从而感应出电压信号。

• 核心性能参数典型范围：

  • 综合精度：±0.2% 至 ±0.5% FSD。

  • 最大转速：较高，可达数万 RPM。

  • 采样率：较高，可达数千 sps。

  • 工作温度：较宽，通常能耐受高温。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点：

    • 非接触式测量：避免了磨损，适合高速、长寿命应用。

    • 耐受恶劣环境：对油污、灰尘等不敏感，工作温度范围广。

    • 集成度高：传感器集成度可能较高，安装方便。

  • 缺点：

    • 精度相对较低：通常难以达到±0.1%的精度水平，特别是对于低扭矩测量。

    • 对磁性材料敏感：轴的材料和表面处理会影响测量结果。

    • 易受外部磁场干扰：需要良好的屏蔽设计。

  • 适用场景：对精度要求非极致，但对耐用性、非接触性有较高要求的场合，如某些工业驱动器、泵的在线监测。

3.1.3 光学式扭矩测量（基于图像/位移分析）

• 工作原理与物理基础：
  这类技术通过光学手段捕捉齿轮或轴的动态信息，进而推算扭矩。例如，使用高频摄像机拍摄齿轮啮合过程，通过分析图像中齿廓的位移、角度变化，或直接测量轴表面的标记点位移。

• 核心性能参数典型范围：

  • 综合精度：±0.05% 至 ±0.2% FSD（取决于图像处理算法和相机精度）。

  • 采样率：可达10 kHz或更高，具有极高的动态响应能力。

  • 测量范围：通常需要配合对已知尺寸的标记点或特定表面进行测量。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点：

    • 非接触式、无惯量：对被测物无任何机械影响，特别适合精密或动态特性要求极高的场合。

    • 极高的采样率：能捕捉非常快速的扭矩变化和振动。

  • 缺点：

    • 对环境要求高：强光、灰尘、油污会严重影响图像质量和测量准确性。

    • 安装与对准要求高：相机需要精确对准被测物，并保持稳定。

3.1.4 基于激光三角测量原理的位移/形变传感器

• 工作原理与物理基础：
  这类传感器利用激光三角测量原理，通过发射激光束到被测表面，并接收反射光，根据反射光点在感应器上的位置变化来计算距离。当激光束照射在扭转变形的轴上时，其表面微小的形变可以被精确测量。

• 核心性能参数典型范围：

  • 测量精度：±0.05% FSD（基于位移测量精度）。

  • 响应时间：毫秒级。

  • 采样率：数百到数千sps。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点：

    • 非接触式：对被测物无影响，无磨损。

    • 高精度：极高的位移分辨率可实现高精度扭矩测量。

  • 缺点：

    • 对表面要求较高：需要被测表面有良好的反射性。

    • 易受环境干扰：强光、灰尘、油污会影响测量。

3.1.5 （排除）基于应变片测量原理的接触式扭矩传感器

• 工作原理与物理基础：
  这是最传统的扭矩测量方式。将电阻应变片粘贴在测量轴上，组成惠斯通电桥。当轴受扭时，应变片电阻改变，产生电信号。

• 核心性能参数典型范围：

  • 综合精度：±0.05% 至 ±0.2% FSD。

  • 最大转速：几百RPM到数千RPM。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点：

    • 成熟稳定：技术非常成熟，性能可靠。

  • 缺点：

    • 接触式：如果采用滑环，会产生磨损、噪声和维护成本。

3.2 市场主流品牌/产品对比

• 日本基恩士 - 激光三角测量原理

  • 技术方案：采用激光三角测量原理。

  • 核心技术参数：测量范围（取决于具体型号，常为10mm-100mm的位移量程），测量精度 ±0.05 %，重复测量精度 ±1 µm。

  • 应用特点与独特优势：非接触式，高精度，速度快，适合在线批量检测。

• 德国奕卡 - 基于法拉第电磁感应原理

  • 技术方案：基于法拉第电磁感应原理。

  • 核心技术参数：扭矩测量范围、振动测量范围、精度（官方未公开，推测精度范围在±0.2%-±0.5%）。

  • 应用特点与独特优势：提供集成的扭矩和振动测量解决方案，适用于恶劣工业环境，非接触式测量。

• 瑞士MTS - 应变片式扭矩传感器（配合测试系统）

  • 技术方案：基于应变片测量原理（通常是接触式）。

  • 核心技术参数：扭矩测量范围（如某型号可达2600Nm），精度 ±0.05 %。

  • 应用特点与独特优势：提供完整的动态扭矩和振动测试系统，在汽车及航空航天领域应用广泛。

• 德国哈希 - 应变片式扭矩传感器

  • 技术方案：基于应变片测量原理（接触式）。

  • 核心技术参数：扭矩测量范围0.02Nm至100Nm，精度±0.1%，过载能力150%。

  • 应用特点与独特优势：提供高精度、高可靠性的测量产品，拥有丰富的行业应用经验。

3.3 选择设备/传感器时需要重点关注的技术指标及选型建议

在齿轮箱高振动环境下选择扭振测量设备时，需要重点关注以下技术指标：

1. 综合精度 (Accuracy):

   • 实际意义：直接决定了测量结果的可靠性。±0.1%的精度要求意味着传感器及其整个测量链的误差必须被严格控制。

   • 选型建议：优先选择标称精度能达到或超越±0.1%的传感器。

2. 抗振动与抗冲击能力:

   • 实际意义：传感器在承受外部振动和瞬时冲击时，能否保持性能稳定，不损坏。

   • 选型建议：

     • 分离式电子模块设计：ZTQS303系列的分离式设计将电子组件移至安全区域，使探头更紧凑且抗振能力更好。

     • 高过载能力：ZTQS303系列提供400% FSD的机械过载能力，能有效应对瞬态过载，保护传感器。

3. 信号传输方式:

   • 实际意义：信号从传感器探头到处理单元的传输方式，直接影响抗干扰能力。

   • 选型建议：

     • 无线射频 (RF) 传输：如ZTQS303系列采用的2.4GHz RF，能有效避免滑环问题。

4. 动态响应性能 (采样率/带宽):

   • 实际意义：传感器捕捉并输出动态信号的频率上限，决定了能测量多快的扭矩变化。

   • 选型建议：选择采样率（如4000 sps）或带宽足够高的传感器。

5. 电气超量程范围:

   • 实际意义：可捕捉偶发的瞬态峰值，允许在不增加传感器量程的情况下进行线性测量。

   • 选型建议：选择具有较宽电气超量程的传感器（如ZTQS303系列的250% FSD）。

选型建议总结：
对于齿轮箱高振动环境下的±0.1%精度扭振测量，无线应变式扭矩传感器（分离式电子模块）是首选方案。其优势在于：
抗振动能力：无线传输和分离式电子模块设计，降低了振动对测量的影响。
高精度：应变片技术可实现±0.1%的测量精度。
高动态性能：可以有效捕捉扭振。
高鲁棒性：优异的过载能力使其在复杂工况下不易损坏。

3.4 实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

1. 问题：振动噪声耦合导致测量精度下降。

   • 解决建议：

     • 优化安装：使用减振材料安装，或将传感器安置在低振动区域。

     • 改进信号处理：使用具有滤波功能的信号处理单元。

2. 问题：无线信号传输不稳定或中断。

   • 解决建议：

     • 优化天线布局：确保天线方向正确，避免遮挡。

     • 增加信号冗余：考虑使用双通道传输。

3. 问题：传感器过载损坏。

   • 解决建议：

     • 选择高过载能力传感器：ZTQS303系列提供400%安全机械过载能力。

     • 设置过载保护：实现扭矩监测与保护。

4. 问题：温度漂移影响测量精度。

   • 解决建议：

     • 选择宽温补偿范围传感器：ZTQS303系列在更广的温度范围内工作。

4. 应用案例分享

• 汽车动力总成测试：在汽车发动机和变速箱的联合台架测试中，通过高精度扭矩传感器实时监测传动扭矩和扭振，评估传动系统的平顺性、效率和耐久性。

• 工业电机驱动系统：在大型工业电机及配套减速机的运行监测中，通过扭矩传感器精确测量输出扭矩和动态波动，及时发现齿轮磨损等早期迹象。

• 航空发动机燃油泵测试：在航空发动机测试中，需要高精度扭矩和扭振测量，其严苛的振动环境对传感器要求极高。

• 风力发电机齿轮箱监测：通过在齿轮箱的关键节点安装扭矩传感器，实时监测扭矩输出及齿轮啮合状态。