2.6. Датчики крутящего момента

Датчики крутящего момента (ДКМ) используются для преобразования моментов, действующих на рабочих валах машин, в электрические сигналы.

По типу чувствительного элемента ДКМ могут быть тензометрическими, магнитоупругими и датчиками Холла. Чувствительным элементом тензометрических датчиков момента является упругий (торсионный) вал, который вводится в разрыв силовой цепи рабочего вала (рис. 2.44). Упругий вал под действием приложенного к нему момента закручивается. Возникающие при этом деформации воспринимаются тензорезисторами моста ТМ, приклеенными к измерительному валу под углом 45 к его продольной оси.

Напряжение питания к мосту и измерительный сигнал с него передаются через контактные кольца и щетки. На выходе усилителя формируется сигнал, пропорциональный крутящему моменту U_вых = kМ, где k – коэффициент преобразования датчика.

Сужение торсионного вала способствует измерению малых крутящих моментов с высокой точностью, так как при этом достигаются достаточные деформации (повышается чувствительность датчика).

Если в силовую кинематическую цепь нельзя ввести торсионный вал, то тензорезисторы наклеивают прямо на рабочий вал и используют бесконтактную передачу сигналов, применяя индуктивную связь для передачи питания и емкостную связь для съема сигнала измерения. Такой датчик является сложным и не обеспечивает высокой точности измерения.

Магнитоупругие ДКМ являются бесконтактными, их применение особенно эффективно для непрерывного контроля моментов, так как они практически работают без износа и без обслуживания по сравнению с тензометрическими ДКМ с контактной передачей сигналов.

Рис. 2.44. Тензометрический ДКМ с контактной передачей сигналов: 1, 4 – ведомый и ведущий рабочие валы; 2 – торсионный вал (упругий элемент); 3 – контактное кольцо со щеткой; М1, М2 – соединительные муфты; ТМ – тензометрический мост; М – крутящий момент

В магнитоупругих ДКМ используется свойство ферромагнитных материалов изменять свою магнитную проницаемость в направлении воздействия на них сил растяжения или сжатия (магнитоупругий эффект).

В магнитоупругом ДКМ (рис. 2.45) вокруг вращающегося рабочего стального вала расположены кольцевые полюса магнитных систем, снабженных обмотками. Ток обмотки возбуждения создает на поверхности вала переменное магнитное поле, которое при ненагруженном вале располагается симметрично между полюсами N и S (рис. 2.46), и выходное напряжение датчика равно нулю.

Рис. 2.45. Магнитоупругий преобразователь момента: W_в – обмотка возбуждения (первичная обмотка); W1, W2 – измерительные обмотки (вторичные обмотки)

Вторичные обмотки W1 и W2 сдвинуты на 90 относительно полюсов обмотки возбуждения и соединены встречно.

Рис. 2.46. Магнитное поле на поверхности вала: а – симметричное при ненагруженном вале (М = 0); б – несимметричное (деформированное) при нагружении вала некоторым моментом

При нагружении вала изменяется магнитная проницаемость, магнитное поле деформируется, нулевая эквипотенциальная линия отклоняется от соосного с обмотками W1, W2 положения пропорционально величине и знаку момента (рис. 2.46, б). Под действием разности магнитных потенциалов во вторичных обмотках W1, W2 возбуждаются разные по величине напряжения – на выходе датчика появляется напряжение U_вых = U₁ – U₂, пропорциональное измеряемому моменту.

Магнитоупругие ДКМ позволяют измерять момент с точностью 2 % при максимальной частоте вращения вала до (10÷15)^.10 об/мин и частоте изменения момента до 250 Гц.

Датчики момента на основе эффекта Холла в качестве чувствительного элемента содержат полупроводниковую пластину с протекающим по ней током І, размещенную в магнитном поле с индукцией B так, что направление тока в пластине перпендикулярно магнитным силовым линиям (рис. 2.47).

Рис. 2.47. Иллюстрация эффекта Холла

На поверхности пластины возникает поперечное электрическое поле Е, пропорциональное произведению плотности магнитного потока и силе электрического тока:

Е = –R_нІB,

где R_н =1/ne – коэффициент Холла; n – число зарядов, протекающих через единицу объема и образующих электрический ток в пластине; e – заряд носителя.

Использование эффекта Холла для измерения крутящего момента электродвигателей основывается на том, что их электромагнитный момент пропорционален произведению магнитного потока и тока. При постоянном магнитном потоке момент электродвигателя можно измерить при помощи датчика тока, выполненного на эффекте Холла.