扭矩测量是对物体受到的扭转力的度量,在众多领域都至关重要,以下从其原理、方法、仪器及应用场景展开介绍:
测量原理
基于力与变形关系
应变片原理:将应变片粘贴在受扭轴表面,轴受扭矩时产生应变,应变片电阻随之改变。通过惠斯通电桥将电阻变化转化为电压输出,依据电压与扭矩的标定关系得出扭矩值。
压电效应原理:某些压电材料受扭时表面产生电荷,电荷量与扭矩成正比。测量电荷或由其产生的电压,经换算可得扭矩。
基于能量转换关系
磁弹性效应原理:铁磁材料受扭时磁导率改变,使穿过材料的磁通量变化。通过检测磁通量变化确定扭矩,如磁弹性扭矩传感器。
光电效应原理:利用光在受扭物体中传播特性变化测量扭矩。如光纤扭矩传感器,通过检测光纤中光的相位、强度或偏振态变化获取扭矩信息。
测量方法
静态测量
砝码法:在杠杆一端挂砝码,另一端与被测件相连,杠杆平衡时,根据砝码重力与力臂乘积计算扭矩。常用于实验室简单校准。
测力计法:用测力计拉住与被测件相连的杠杆,测力计读数与力臂乘积为扭矩值。
动态测量
应变片动态测量:适用于高速旋转或交变扭矩测量。应变片随轴变形快速响应,配合动态应变仪和数据采集系统记录分析。
遥测法:针对旋转部件扭矩测量,通过无线传输或滑环装置将传感器信号传递出来,如无线扭矩传感器广泛用于发动机、电机等旋转设备扭矩测量。
测量仪器
扭力扳手:有预置式、表盘式、数显式等。预置式可设定扭矩,达到设定值有提示;表盘式通过指针指示扭矩;数显式数字显示,高且功能多。常用于螺栓紧固,确保合适扭矩。
扭矩传感器:分接触式和非接触式。接触式如应变片式传感器,高但安装维护复杂;非接触式如磁电式、光电式传感器,适用于高速旋转或恶劣环境。用于工业生产、科研测试等实时监测扭矩。
扭矩测试仪:能测量旋转动力系统从启动到运行全过程扭矩,分析处理数据,绘制曲线图表。常用于电机、发动机性能测试。
应用场景
制造业:汽车制造中发动机、变速器装配,螺栓需特定扭矩保证可靠性;航空航天领域,零部件连接扭矩控制关乎飞行安全;电子设备制造,螺丝拧紧扭矩控制防止损坏电路板。
能源行业:风力发电机叶片安装、石油钻机钻杆连接,扭矩测量确保设备稳定运行。
科研教学:材料力学实验研究材料扭转特性;机械原理课程让学生理解扭矩概念与测量方法