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FlexRange 靈活量程技術(shù)，確保在多個量程下高精度扭矩測試

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

在汽車應用的扭矩測量中經(jīng)常面臨一項特殊挑戰(zhàn)。在某些應用中，需要用一個扭矩傳感器來覆蓋多個量程。應對這一挑戰(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相應的最大扭矩。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。

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)應用中較小的彈性體過載保護將會導致信號重疊。如果其帶有過載保護，當扭矩過大時，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)生串擾，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，這將導致較小彈性體有過載的風險，產(chǎn)生塑性變形。為此，較小彈性體被設計能承受量程最大扭矩。但是這將導致第二個應變橋路較低的特性值。結(jié)果導致精度較低，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 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 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計。

在扭矩測量過程中，例如剎車測試，當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變，從而導致更大的偏差。

同樣，當采用放大器因子 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)不同的設計和裝配，軸向偏移主要發(fā)生在動力傳動應用，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致的。這種寄生負載可用復雜的技術(shù)來完成。T12HP 采用復雜的測量體結(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。