Хоча датчики крутильного моменту доступні в різних конструкціях, усі вони мають кілька спільних рис. Щоб зрозуміти, як працюють датчики крутильного моменту, давайте подивимося на конструкцію датчиків. 

 

Короткий огляд технології тензорезисторів

Як і багато інших типів датчиків, датчики крутильного моменту використовують для вимірювання тензометричну технологію. Датчик складається з вимірювального корпусу, як правило, металевого, на якому встановлені тензорезистори. Вони складаються з тонкої фольги та електричного провідника, міцно з'єднаного з фольгою. У міру того, як фольга та провідник змінюють форму, електричний опір також змінюється. Це показує, яке навантаження нині діє на тензорезистори.

При дії на датчик зовнішнього навантаження деформується тензорезистор і пружинний елемент. Даний принцип відноситься не тільки до датчиків крутного моменту, але і до датчиків ваги, датчиків сили та інших типів датчиків. Однак датчики крутильного моменту мають кілька особливостей.                                                                                                                   Якщо тензорезистор стиснути, його електричний опір (Ом) зменшується; якщо він розтягується, опір збільшується.

 

 
Дві типові конструкції датчиків крутильного моменту

 

На відміну від датчиків ваги або датчиків сили, вимірювальний корпус датчика моменту, що крутить, при використанні піддається не розтягуванню або стиску, а скручування. Датчик піддається впливу не сили, що діє з одного або двох протилежних напрямків, а сили важеля або крутильного моменту. Тому датчики крутильного моменту також мають спеціальні тензорезистори, які можуть дуже добре реєструвати цей тип навантаження, тобто кручення. Двома типовими конструкціями датчиків крутильного моменту є вимірювальний вал та вимірювальний фланець.

 

 

 

Вимірювальний корпус скручується під навантаженням.

 

 Вал виміру крутильного моменту

На вимірювальний вал, який також може бути порожнім, монтуються тензорезистори – наприклад, на ділянці що звужується, посередині, залежно від версії. Вал закритий кожухом. Вал чи ротор рухається, а корпус чи статор, нерухомий. Обидві частини з'єднані між собою підшипниками з низьким коефіцієнтом тертя та нульовим люфтом. Перетворювач може бути вбудований у конструкцію або випробувальний стенд за допомогою муфт на обох кінцях валу. Вони доступні в різних формах та розмірах.

 

 

                                                                                                             

                                                                                                                                 Спрощене уявлення валу для вимірювання  крутильного моменту.

 

 Фланець для вимірювання крутильного моменту

 

Вимірювальні фланці в основному мають конструкцію, аналогічну до вимірювальних валів, але виглядають зовсім по-іншому. Вони теж складаються в основному з порожнього стержня, хоча він дуже короткий. Фланці розташовані на обох кінцях валу. Вони дозволяють інтегрувати перетворювач у конструкцію або випробувальний стенд за допомогою різьбового з'єднання. Вимірювальні фланці також складаються з ротора та статора. Однак, на відміну від вимірювальних валів, ротор не повністю поміщений у корпус. Тому немає необхідності у підшипниковому вузлі, оскільки ротор надійно встановлений у вимірювальній секції.

 

  Спрощене уявлення вимірювального фланця.

 

 Безконтактна передача даних вимірів

Саме тут ми бачимо найбільшу різницю між датчиками крутного моменту, що обертаються, та іншими датчиками, такими як датчики сили або датчики ваги. У датчиках, що обертаються, не можна використовувати кабелі, що подають живлення і передають дані вимірювань, оскільки кабелі заплутуються при обертанні ротора. Щоб цього уникнути, енергія від статора до ротора, що обертається, передається за допомогою безконтактного зв'язку, який, у свою чергу, живить змонтований вимірювальний міст тензорезисторів. У свою чергу, ротор, що обертається, передає виміряні дані статору за допомогою телеметрії.Електроніка розміщена у вимірювальному корпусі. Тут сигнал від вимірювального моста тензорезисторів посилюється, фільтрується і оцифровується перед передачею бездротового зв'язку на статор. Потім дані можуть виводитися через сигнал частоти або напруги, або в цифровому вигляді через польову шину, наприклад, за допомогою EtherCAT або Profinet, залежно від програми.

Вимірювання крутильного моменту з обертанням або без обертання

Датчик не завжди обертається при вимірі моменту, що крутить. Типовими прикладами установок, що не обертаються, є стандартні випробувальні машини і вимірювання на міксерах. В останньому перетворювач підтримується корпусом електродвигуна, а приводний вал проходить через центральний отвір датчика.У більшості програм датчик є частиною обертової трансмісії між випробуваним зразком і динамометром. Зразком може бути, наприклад, двигун внутрішнього згоряння, коробка або електродвигун.

 

Датчик крутильного моменту на випробувальному стенді.

Більше, ніж просто крутильний момент

Датчики крутильного моменту можуть більше. На додаток до крутильного моменту інші вимірювані змінні можуть бути зареєстровані всього одним датчиком. Це необов'язково, але багато датчиків крутного моменту вже мають цю можливість. Найбільш очевидним параметром є швидкість обертання, яку можна виміряти, пропускаючи світло через диск із прорізами на роторі. При повороті датчика промінь світла переривається через певні часові відтинки. Коли часове вікно постійно, швидкість обертання розраховується просто шляхом підрахунку імпульсів.

Однією з важливих характеристик, що цікавлять багатьох користувачів, є потужність, яку можна розрахувати, помноживши крутний момент на швидкість обертання. Крім того, багато датчиків крутильного моменту мають вбудований датчик температури, який може повідомити нам, наприклад, наскільки сильно нагрівається датчик або трансмісія.

 

Стенд для вимірювання крутильного моменту.

Типові області застосування датчиків крутильного моменту

Датчики крутильного моменту ідеально підходять для всіх видів випробувань двигунів та приводів у галузі досліджень та розробок. Точне вимірювання крутильного моменту, незамінне, якщо ви хочете підвищити ефективність нових приводів, оскільки воно дозволяє визначати і мінімізувати втрати на тертя. В електричних та гібридних двигунах важливі запас ходу та підвищення ефективності; у гібридних двигунах та двигунах внутрішнього згоряння ключовим фактором завжди є екологічність за рахунок мінімально можливих викидів CO2.

Крім того, датчики крутного моменту використовуються у фінальних випробуваннях трансмісій та двигунів або при функціональних випробуваннях поворотних перемикачів. Однак деякі програми виглядають зовсім по-іншому, наприклад, коли рідини змішуються, а процес вимагає контролю за допомогою датчика крутильного моменту. Або коли датчики крутильного моменту встановлені в трансмісії корабля. Датчики крутильного моменту також використовуються як еталонні перетворювачі в еталоних випробувальних машинах.

HBK пропонує як датчики крутильного моменту на валу, так і фланцеві датчики крутильного моменту для різних застосувань.