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靈活量程具有極高的基礎(chǔ)精度，能夠在多個量程下進行高精度扭矩測試
在汽車應(yīng)用的扭矩測量中經(jīng)常面臨一項特殊挑戰(zhàn)。在某些應(yīng)用中，需要用一個扭矩傳感器來覆蓋多個量程。應(yīng)對這一挑戰(zhàn)有多種方法。傳感器量程可通過電子和機械方式來進行擴展。采用電子方式，由于量程的擴展，滯后，信號噪聲和溫度對零點的影響，測量的不確定性將會增大，精度將會降低。采用機械方式，由于測量體需要非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，機械性能會惡化。HBM 為此開發(fā)了靈活量程的 12HP 數(shù)字扭矩傳感器，僅需 一個彈性體就可以覆蓋完整的測量范圍，并且具有 極高的精度。
電機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)需要更高的測量精度。在汽車工業(yè)的很多測試應(yīng)用中，扭矩測量是關(guān)鍵要素。尤其是在一個測量過程中需要不同測量范圍時，例如發(fā)動機測試。很多測試，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，例如制動試驗，峰值扭矩比平均測量扭矩要高得多。在選擇傳感器量程時，要 根據(jù)峰值扭矩 來確定，這樣才不會發(fā)生過載，對傳感器造成損壞。傳感器的精度等級是依據(jù)額定量程的，因此在峰值扭矩很高的情況下，就會產(chǎn)生較大的測量誤差。
雙量程傳感器的兩種方法
在一個測試過程的多量程理想解決方案是將傳感器的測量范圍適應(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)：機械雙量程傳感器 帶有兩個彈性體，電子雙量程傳感器有一個彈性體，但是有獨立的兩個測量通道。
帶有兩個彈性體的雙量程扭矩傳感器
電子多量程傳感器僅有一個彈性體
機械雙量程扭矩傳感器有兩個不同測量范圍。他們帶有 兩個不同大小的彈性體，每個具有不同的量程，彼此間串聯(lián)或是并聯(lián)。每個彈性體帶有不同的應(yīng)變橋路并連接到測量放大器。這種類型的扭矩傳感器被稱為“真”雙量程傳感器。這種傳感器的缺點是 僅可進行靜態(tài)或準靜態(tài)扭矩測量。
在動態(tài)應(yīng)用中較小的彈性體過載保護將會導(dǎo)致信號重疊。如果其帶有過載保護，當(dāng)扭矩過大時，機械保護將移除連接，但此時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，較小的彈性體可能會損壞。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。正因為如此，小量程對寄生負載很敏感：例如軸向力，這將對所述轉(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，因此可避免信號疊加的問題。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，產(chǎn)生塑性變形。為此，較小彈性體被設(shè)計能承受量程最大扭矩。但是這將導(dǎo)致第二個應(yīng)變橋路較低的特性值。結(jié)果導(dǎo)致精度較低，包括溫度會對其產(chǎn)生較大影響。
電子多量程傳感器模擬較小測量范圍
T12HP 扭矩傳感器 和“非真”雙量程傳感器不同，其帶有一個彈性體并采用電子方式來模擬第二個彈性體。
一般的電子多量程傳感器包含一個額外的被設(shè)定為較小量程的測量放大器。第二個測量放大器放大輸出信號，一般因子為 5 或 10。這種原理的傳感器的缺點是：第二個量程只存在精度性能。測量不確定性的關(guān)鍵參數(shù)是額定測量范圍，而不是放大器的有用信號。因為“非真”雙量程傳感器僅擴展的電信號，影響因素也同時被放大，這樣就使測量的不確定性升高。
重要因素包括：
信號噪聲
零點的溫度響應(yīng) TC0
滯后(相對可逆性誤差)
寄生負載
1. 信號噪聲
每個電信號都包括背景噪聲。隨著信號被放大，信號噪聲也隨之放大器，因此較小量程的信號質(zhì)量將會下降。并且溫度的影響也被放大產(chǎn)生更大的誤差。在 T12HP 中，信號噪聲非常小，原因在于較小量程的信號 不是通過電信號放大產(chǎn)生。高基本精度與傳感器的高分辨率相結(jié)合 覆蓋了整個測量范圍。因此即使在較小量程，信號強度較低情況下，信號噪聲依然很低。
2. 溫度對零點的影響 TC0
溫度響應(yīng)會影響傳感器的精度。雙量程放大器的測量信號放大后，溫度對零點的影響也會增加。如何采用放大因子 5， 當(dāng)大量程的 TC0 為 0.1 %/10K 時，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量程。其零點的溫度響應(yīng) TC0 僅為 0.005 %/10K, 即使在局部量程內(nèi)。
3. 滯后 (相對可逆性誤差)
如果測量信號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，輸出信號將無法精確匹配。負載下降和上升導(dǎo)致的信號的最大偏差被稱為滯后或相對可逆性誤差。這取決于彈性體特性和彈性體設(shè)計。
在扭矩測量過程中，例如剎車測試，當(dāng)扭矩突然從高量程切換到低量程時，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，滯后誤差也會增加 5 倍。而 T12HP 僅一個信號就覆蓋完整的測量范圍，產(chǎn)生連續(xù)的信號，可以 消除不連續(xù)點的跳動。
4. 寄生負載
依據(jù)不同的設(shè)計和裝配，軸向偏移主要發(fā)生在動力傳動應(yīng)用，這主要是由于部件的尺寸精度誤差和對中以及溫度變化導(dǎo)致的。這種寄生負載可用復(fù)雜的技術(shù)來完成。T12HP 采用復(fù)雜的測量體結(jié)構(gòu)，并且尺寸小巧，具有極高的精度。并且寄生負載是和零點相關(guān)的，其他雙量程會導(dǎo)致寄生負載增大，尤其是在小測量范圍內(nèi)。
FlexRange 靈活量程
T12HP 扭矩傳感器幾乎 達到應(yīng)變技術(shù)的極限。另外，HBM 載頻技術(shù)確保了最佳的信號質(zhì)量。其具有極高的基本精度和穩(wěn)定性以及測量值極高的有效分辨率。
FlexRange 技術(shù)僅需一個彈性體，具有優(yōu)異的精度，穩(wěn)定性和分辨率，即使部分測量范圍。
結(jié)論
雙量程扭矩測量有多種實現(xiàn)可能，但是往往在小量程下精度損失很大。帶有 多個彈性體的雙量程傳感器無法滿足動態(tài)測量的要求。
電子雙量程傳感器僅有一個彈性體，通過 信號放大的形式 來完成，但同時也放大了噪聲，滯后，寄生負載，溫度對零點的影響 TC0，大大增加了測量的不確定性。
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，溫度對零點的影響 TC0 僅有0.007 % 或 0.005 %/10K。
這樣 HBM T12HP 扭矩傳感器在 第二個量程不再需要放大器。其優(yōu)異的機械特性在完整測量范圍內(nèi)都提供極高的精度。其不僅適合高精度效率測量，同樣適合帶有不同測量范圍的高動態(tài)扭矩測量，例如發(fā)動機運行或牽引試驗，制動試驗等
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