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FlexRange 靈活量程技術(shù)，確保在多個(gè)量程下高精度扭矩測(cè)試

靈活量程具有極高的基礎(chǔ)精度，能夠在多個(gè)量程下進(jìn)行高精度扭矩測(cè)試

在汽車應(yīng)用的扭矩測(cè)量中經(jīng)常面臨一項(xiàng)特殊挑戰(zhàn)。在某些應(yīng)用中，需要用一個(gè)扭矩傳感器來覆蓋多個(gè)量程。應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)有多種方法。傳感器量程可通過電子和機(jī)械方式來進(jìn)行擴(kuò)展。采用電子方式，由于量程的擴(kuò)展，滯后，信號(hào)噪聲和溫度對(duì)零點(diǎn)的影響，測(cè)量的不確定性將會(huì)增大，精度將會(huì)降低。采用機(jī)械方式，由于測(cè)量體需要非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，機(jī)械性能會(huì)惡化。HBM 為此開發(fā)了靈活量程的 12HP 數(shù)字扭矩傳感器，僅需 一個(gè)彈性體就可以覆蓋完整的測(cè)量范圍，并且具有 極高的精度。

電機(jī)和汽車部件需要更高的能源效率，更低的能源消耗。這意味著研發(fā)需要更高的測(cè)量精度。在汽車工業(yè)的很多測(cè)試應(yīng)用中，扭矩測(cè)量是關(guān)鍵要素。尤其是在一個(gè)測(cè)量過程中需要不同測(cè)量范圍時(shí)，例如發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試。很多測(cè)試，需要扭矩傳感器在高低扭矩量程都有統(tǒng)一的精度。

在很多應(yīng)用中，例如制動(dòng)試驗(yàn)，峰值扭矩比平均測(cè)量扭矩要高得多。在選擇傳感器量程時(shí)，要 根據(jù)峰值扭矩 來確定，這樣才不會(huì)發(fā)生過載，對(duì)傳感器造成損壞。傳感器的精度等級(jí)是依據(jù)額定量程的，因此在峰值扭矩很高的情況下，就會(huì)產(chǎn)生較大的測(cè)量誤差。

雙量程傳感器的兩種方法

在一個(gè)測(cè)試過程的多量程理想解決方案是將傳感器的測(cè)量范圍適應(yīng)相應(yīng)的最大扭矩。兩種不同原理作為雙量程傳感器的基礎(chǔ)：機(jī)械雙量程傳感器 帶有兩個(gè)彈性體，電子雙量程傳感器有一個(gè)彈性體，但是有獨(dú)立的兩個(gè)測(cè)量通道。

機(jī)械雙量程扭矩傳感器有兩個(gè)不同測(cè)量范圍。他們帶有 兩個(gè)不同大小的彈性體，每個(gè)具有不同的量程，彼此間串聯(lián)或是并聯(lián)。每個(gè)彈性體帶有不同的應(yīng)變橋路并連接到測(cè)量放大器。這種類型的扭矩傳感器被稱為“真”雙量程傳感器。這種傳感器的缺點(diǎn)是 僅可進(jìn)行靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)扭矩測(cè)量。

在動(dòng)態(tài)應(yīng)用中較小的彈性體過載保護(hù)將會(huì)導(dǎo)致信號(hào)重疊。如果其帶有過載保護(hù)，當(dāng)扭矩過大時(shí)，機(jī)械保護(hù)將移除連接，但此時(shí)較小的彈性體也記錄了較大的彈性體的高轉(zhuǎn)矩，但是如果沒有這種保護(hù)，較小的彈性體可能會(huì)損壞。另外，小量程彈性體經(jīng)常較“軟”，以便能夠獲得較高的特性值。正因?yàn)槿绱耍�小量程�?duì)寄生負(fù)載很敏感：例如軸向力，這將對(duì)所述轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生串?dāng)_，在極端的情況下，甚至有可能損壞傳感器。

另外一種“真”雙量程傳感器，不同尺寸的彈性體并聯(lián)。這種結(jié)構(gòu)不帶有過載保護(hù)，因此可避免信號(hào)疊加的問題。但是，較小的彈性體也必須記錄大的扭矩，這將導(dǎo)致較小彈性體有過載的風(fēng)險(xiǎn)，產(chǎn)生塑性變形。為此，較小彈性體被設(shè)計(jì)能承受量程最大扭矩。但是這將導(dǎo)致第二個(gè)應(yīng)變橋路較低的特性值。結(jié)果導(dǎo)致精度較低，包括溫度會(huì)對(duì)其產(chǎn)生較大影響。

電子多量程傳感器模擬較小測(cè)量范圍

T12HP 扭矩傳感器 和“非真”雙量程傳感器不同，其帶有一個(gè)彈性體并采用電子方式來模擬第二個(gè)彈性體。

一般的電子多量程傳感器包含一個(gè)額外的被設(shè)定為較小量程的測(cè)量放大器。第二個(gè)測(cè)量放大器放大輸出信號(hào)，一般因子為 5 或 10。這種原理的傳感器的缺點(diǎn)是：第二個(gè)量程只存在精度性能。測(cè)量不確定性的關(guān)鍵參數(shù)是額定測(cè)量范圍，而不是放大器的有用信號(hào)。因?yàn)椤胺钦妗彪p量程傳感器僅擴(kuò)展的電信號(hào)，影響因素也同時(shí)被放大，這樣就使測(cè)量的不確定性升高。

重要因素包括：

• 信號(hào)噪聲

• 零點(diǎn)的溫度響應(yīng) TC0

• 滯后（相對(duì)可逆性誤差）

• 寄生負(fù)載

1. 信號(hào)噪聲

每個(gè)電信號(hào)都包括背景噪聲。隨著信號(hào)被放大，信號(hào)噪聲也隨之放大器，因此較小量程的信號(hào)質(zhì)量將會(huì)下降。并且溫度的影響也被放大產(chǎn)生更大的誤差。在 T12HP 中，信號(hào)噪聲非常小，原因在于較小量程的信號(hào) 不是通過電信號(hào)放大產(chǎn)生。高基本精度與傳感器的高分辨率相結(jié)合 覆蓋了整個(gè)測(cè)量范圍。因此即使在較小量程，信號(hào)強(qiáng)度較低情況下，信號(hào)噪聲依然很低。

2. 溫度對(duì)零點(diǎn)的影響 TC0

溫度響應(yīng)會(huì)影響傳感器的精度。雙量程放大器的測(cè)量信號(hào)放大后，溫度對(duì)零點(diǎn)的影響也會(huì)增加。如何采用放大因子 5， 當(dāng)大量程的 TC0 為 0.1 %/10K 時(shí)，局部量程的 TC0 將變?yōu)?0.5 %/10K。 而 HBM 采用 FlexRange 技術(shù), T12HP 僅通過一次放大就覆蓋了整個(gè)量程。其零點(diǎn)的溫度響應(yīng) TC0 僅為 0.005 %/10K, 即使在局部量程內(nèi)。

3. 滯后 (相對(duì)可逆性誤差)

如果測(cè)量信號(hào)的特性曲線開始記錄，當(dāng)扭矩持續(xù)增加然后持續(xù)下降，輸出信號(hào)將無法精確匹配。負(fù)載下降和上升導(dǎo)致的信號(hào)的最大偏差被稱為滯后或相對(duì)可逆性誤差。這取決于彈性體特性和彈性體設(shè)計(jì)。

在扭矩測(cè)量過程中，例如剎車測(cè)試，當(dāng)扭矩突然從高量程切換到低量程時(shí)，滯后依然保持在最初的初始應(yīng)變，從而導(dǎo)致更大的偏差。

同樣，當(dāng)采用放大器因子 5 時(shí)，滯后誤差也會(huì)增加 5 倍。而 T12HP 僅一個(gè)信號(hào)就覆蓋完整的測(cè)量范圍，產(chǎn)生連續(xù)的信號(hào)，可以 消除不連續(xù)點(diǎn)的跳動(dòng)。

4. 寄生負(fù)載

依據(jù)不同的設(shè)計(jì)和裝配，軸向偏移主要發(fā)生在動(dòng)力傳動(dòng)應(yīng)用，這主要是由于部件的尺寸精度誤差和對(duì)中以及溫度變化導(dǎo)致的。這種寄生負(fù)載可用復(fù)雜的技術(shù)來完成。T12HP 采用復(fù)雜的測(cè)量體結(jié)構(gòu)，并且尺寸小巧，具有極高的精度。并且寄生負(fù)載是和零點(diǎn)相關(guān)的，其他雙量程會(huì)導(dǎo)致寄生負(fù)載增大，尤其是在小測(cè)量范圍內(nèi)。

FlexRange  靈活量程

T12HP 扭矩傳感器幾乎 達(dá)到應(yīng)變技術(shù)的極限。另外，HBM 載頻技術(shù)確保了最佳的信號(hào)質(zhì)量。其具有極高的基本精度和穩(wěn)定性以及測(cè)量值極高的有效分辨率。

FlexRange 技術(shù)僅需一個(gè)彈性體，具有優(yōu)異的精度，穩(wěn)定性和分辨率，即使部分測(cè)量范圍。

結(jié)論

雙量程扭矩測(cè)量有多種實(shí)現(xiàn)可能，但是往往在小量程下精度損失很大。帶有 多個(gè)彈性體的雙量程傳感器無法滿足動(dòng)態(tài)測(cè)量的要求。

電子雙量程傳感器僅有一個(gè)彈性體，通過 信號(hào)放大的形式 來完成，但同時(shí)也放大了噪聲，滯后，寄生負(fù)載，溫度對(duì)零點(diǎn)的影響 TC0，大大增加了測(cè)量的不確定性。

通過 T12HP 扭矩傳感器靈活量程技術(shù)，可以最小化這些影響。傳感器結(jié)合了數(shù)字信號(hào)濾波和縮放功能，具有極高的基礎(chǔ)精度和分辨率。其線性誤差何滯后誤差，溫度對(duì)零點(diǎn)的影響 TC0 僅有0.007 % 或 0.005 %/10K。

這樣 HBM T12HP 扭矩傳感器在 第二個(gè)量程不再需要放大器。其優(yōu)異的機(jī)械特性在完整測(cè)量范圍內(nèi)都提供極高的精度。其不僅適合高精度效率測(cè)量，同樣適合帶有不同測(cè)量范圍的高動(dòng)態(tài)扭矩測(cè)量，例如發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行或牽引試驗(yàn)，制動(dòng)試驗(yàn)等。