使用橋接式感測器量測轉矩

什麼是轉矩？ 

力 (Force) 是指物件之間相互作用的量測值：每個動作當中都會有相等與相反的反應。力也可以形容對物件的推力或拉力，它是兼具強度與相位的向量數值。 

轉矩 (Torque) 是使物件沿著軸心旋轉的力量方向。轉矩可形容為物件扭力，類似推送或拉動的力量。一般認可用來量測轉矩的國際單位 (SI unit) 是牛頓公尺 (Nm)。以簡單的定義來看，轉矩相當於力乘以距離，而順時針轉矩或扭力通常為正值，逆時針轉矩則通常為負值。轉矩感測器是由固定在扭力桿上的多個應變規組成。扭力桿轉動時，應變規會按照轉矩比例回應此桿的剪應力。

量測轉矩

常見的轉矩量測方式有兩種，就是反應轉矩感測器與旋轉轉矩感測器，兩者的主要差別在於是否能跟著受測裝置旋轉。

反應轉矩感測器 (Reaction torque sensor)

反應轉矩 (Reaction torque) 指的是在施力或受力時，透過旋轉施加在裝置靜態部位的旋轉力或力矩。當驅動力來源試圖旋轉時，如果荷重來源保持固定不動，就會感測到轉矩。由於反應轉矩感測器受到限制，在連接線沒有包覆的狀況下無法旋轉 360 度 (因為外殼或護蓋固定在感測器元件上)。這些感測器通常用於量測前後移動型轉矩。由於這類感測器並未使用軸承、滑環或其他任何旋轉元件，在安裝及使用上極具經濟效益。

旋轉轉矩感測器 (Rotary Torque Sensor)

旋轉轉矩感測器在設計與應用上類似反應轉矩感測器，差別在於前者的轉矩感測器必須搭配受測裝置一起安裝。由於轉矩感測器輪軸會旋轉 360 度，這類感測器必須以某種方式將訊號從旋轉元件傳達到靜態表面。

您可以選用三種常見安裝方式之一來達成此目的：滑環、旋轉變壓器或遙測裝置。

滑環方式：

 

使用滑環方式時，應變規橋接會與安裝在轉軸上的四個銀滑環連接。銀色石磨刷會刷動這些滑環，為內送的橋接激發與外送訊號提供電子路徑。您可以使用 AC 或 DC 電流來激發應變規橋接。

旋轉變壓器方式：

使用變壓器方式時，旋轉變壓器與傳統變壓器差別在於，前者的主要或次要繞線會旋轉。第一個變壓器用來將 AC 激發電壓傳輸到應變規橋接，而第二個變壓器則是用來將訊號輸出傳輸到不旋轉的傳感器部位。因此，這兩個變壓器可取代四個滑環，而傳感器的旋轉與靜態元件之間不需要直接接觸。

數位遙測方式：

數位遙測方式沒有接觸點。此系統包含一個接收儀/傳輸器模組、偶合模組與訊號處理模組。傳輸器模組會與轉矩感測器整合在一起。它能將感測器訊號進行放大、數位化並調變處理為無線射頻載波，以便由校正偶合模組 (接收儀) 接收。接著，訊號處理模組會還原數位量測資料。

選擇正確的轉矩感測器

轉矩感測器主要是依據荷重需求與物理或環境的需求來選擇器。

荷重能力：要選擇適當的荷重能力，請先決定您預期需要的最小與最大轉矩。無關的轉矩與力矩會增加綜合應力，進而加速產生疲勞並影響感測器準確度與效能。除了轉矩以外的其他荷重，例如軸向、徑向或彎曲力，一開始就可被判斷為無關項目。如果您無法有效安裝以將這些荷重物的影響降至最低，請參閱感測器說明文件，確認無關的荷重物未超出感測器等級範圍。

物理與環境需求：評估各種物理限制 (長度、直徑等) 或是系統內的轉矩感測器安裝方式。考慮感測器的作業環境類型，確保在整個溫度範圍、濕度或污染物 (油漬、泥土、灰塵) 等條件下，能達到適當的效能表現。

每分鐘轉速 (rpm)：使用旋轉轉矩感測器時，您需要了解轉矩感測器的旋轉時間與速度，以決定其 RPM。

轉矩感測器的訊號處理功能

轉矩感測器可能備有處理功能，也可能沒有。您可以將具備處理能力的感測器直接連接到 DAQ 裝置，因為這些感測器通常搭載了濾波、訊號放大及激發引線的必要元件，以及量測用的規律電路。如果您使用的感測器未具備處理能力，就必須考慮到多個訊號處理元件，以建立有效的橋接式轉矩量測系統。您可能需要使用下列其中一項或更多功能：

• 透過激發來驅動 Wheatstone 橋接電路 (詳細資訊可參閱量測應變相關資源)
• 透過遠端感測功能來補償長距離引線的激發電壓錯誤
• 透過放大電流來增加量測解析度，並提升訊噪比
• 透過濾波來移除外來的高頻雜訊
• 在未使用應變時，透過偏移消除將橋接電壓平衡為產生 0 V
• 透過分流器校準來驗證橋接輸出電壓是否為已知的預期數值

如欲了解如何補償這些錯誤，並查閱有關橋接式轉矩量測的其他硬體考量因素，請下載「準確量測感測器工程師指南 (Engineer's Guide to Accurate Sensor Measurements)」。

將轉矩感測器連接至 NI 硬體

了解自己的感測器或測試需求後，接下來就必須決定用於收集資料的硬體。擷取硬體的品質好壞，決定了收集資料的品質。 

NI 提供一系列專門設計的力與橋接量測硬體，可擷取轉矩資料，同時也與各種轉矩橋接式感測器相容。