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光
耦
传
感
器
简
介

2013年5月5日

光耦转矩传感器简介

光耦转矩传感器产品的研发创新是基于：国产的转速转矩传感器（利用线圈耦合电能、耦合电信号的技术）产品，存在严重的质量问题的情形下提出的(故障返修率约为25%)。同类国产的和进口的转速转矩传感器产品的价格相差，约为5～10倍。究其原因是；国产的转速转矩传感器产品涉及的“非接触空间动态的耦合电能量和电信号”所采用的‘电磁耦合’这一关键技术的设计，软磁材料的处理工艺和生产过程的控制检验等，是制约该产品品质特征的关键因素。
针对国内市场对高品质转矩传感器产品大量需求的现状，为解决“非接触空间动态耦合电能量和动态导出电信号”的这一关键技术，文件CN 101986118.A发明人，通过近几个月的理论研究及对光电产品行业的考察论证，采用「光辐射能间接耦合电能量和光辐射直接耦合电信号技术」取代「电磁线圈耦合电能量和电信号技术」的技术设想，终于在2008年7月底给予了明确的提出。
通过文件CN 101986118.A发明人两年多不断的试验优化和数十次的试验改进，终于在2010年6月研制出了国内(也是国外)第一台光耦转矩传感器产品。并在同年申报了国家级发明专利。在与北京航宇时代传感器有限公司近四年的合作努力下，百余多台各种规格的光耦转矩传感器产品，在用户的现实实用中得到了满意的认可和接受 (包括替代进口, 替代相位差, 替代三晶品牌, 替代世通品牌, 替代威斯特中行品牌及出口埃及等)。特别要提出的是；浙江某用户，在采用电磁耦合型转速转矩传感器，现场无法使用的前提下，改用光耦转矩传感器后，在不做任何技术处理的环境下，完美的解决了现场的实用。这充份证明；光耦转矩传感器是高品质特征的转速转矩传感器。
光耦转矩传感器产品，彻彻底底地去除了装于转速转矩传感器产品内“在无导电媒介空间，动态耦合电能量和动态导出电信号的两组电磁线圈”。该产品【利用光波辐射的辐射能量在空气媒介空间传播的物理特性，间接的实现电能量和间接的实现了电信号在空气媒介空间的动态耦合】，本质上完全区别于【利用带有空气隙旋转变压器的电磁技术直接实现电能量和电信号的动态耦合】转速转矩传感器产品。
Ⅰ、光耦转矩传感器产品的突出品质表现如下；
① 光耦转矩传感器产品抗电磁干扰能力极强，目前为止, 百余多台的应用客户，没有一家用户反馈，该产品现场实用有干扰.。理论依据很简单，尽管光波和无线电波都是电磁波，但两者的波段域差距甚远。因此，两者的物理属性也存在着巨大的差异。线圈耦合技术的应用波段域为无线电波波段域。而光耦合技术的应用波段域为光波波段域.。这就是光耦转矩传感器产品抗电磁干扰能力极强的理论依据。
② 光耦转矩传感器产品的信号响应速度极快。光电器件的响应速度一般在微秒和毫微秒量级之间，光耦转矩传感器产品的电能量传输和电信号导出技术都利用的是光电器件。因此，该产品的信号响应速度极快。而线圈耦合的转矩传感器产品，由于线圈的存在，感抗的电特征必将导致信号响应速度的受限。特别是大直径的线圈。由电磁学原理可知，电感值是与线圈的横截面积S和线圈的匝数N成正比(L∝NS)。在交流回路中交流电流的频率与交流回路中的阻抗相关，阻抗越大，回路响应的交流频率就越低。由此得出：基于线圈耦合技术支持的转矩传感器产品的信号响应速度，远远低于基于光电技术支持的光耦转矩传感器产品的信号响应速度！量值的差异约在两个数量级以上。
③光耦转矩传感器产品的扭矩测量精度可以做得较高。理论依据是；光耦转矩传感器产品的扭矩测量值是由LED器件耦合完成的，而用LED器件，做到50KHZ的频域带宽是常规的光电技术。所以，将零点扭矩测量值对应的频率标定值提高，增大扭矩测量值对应的频域带宽，无疑是提高扭矩测量精度可实施的技术手段。
以电磁耦合型转速转矩传感器提供的技术指标为例说明； 零转矩对应的频率输出10KHZ；正向转矩满量程的频率输出15KHZ；在其它技术指标不变的情况下，因为10KHZ↔15KHZ范围的频率变化域为5KHZ；如若产生10HZ的频率漂移，该传感器的测量精度仅为0.2%。
再看光耦转矩传感器，零转矩对应的频率输出30KHZ；正向转矩满量程的频率输出55KHZ；在其它技术指标不变的情况下，由于30KHZ↔55KHZ范围的频率变化域为25KHZ；同是产生10HZ的频率漂移，只此两参数的变化调整，该传感器的测量精度即可达到0.04%。
④光耦转矩传感器产品性能稳定可靠。光耦转矩传感器产品的结构特征是；底座支撑的壳体长度比同量程的线圈转矩传感器产品的底座支撑的壳体长度短50%左右，这是其一。其二是；光耦转矩传感器产品中，附加在扭矩测量轴上的功能件的附加质量，只是线圈转矩传感器产品中附加在扭矩测量轴上功能件的附加质量的10%左右。短的轴长和较低的附加惯性扭矩，更适于制造超高转速的转矩传感器。
⑤5万N.M以上的光耦转矩传感器产品采用的是一用一备相互独立的双电路功能的高可靠设计理念。采用该设计，光耦转矩传感器产品的结构尺寸仍小于同规格的线圈型转矩传感器的结构尺寸。同时还可提高该传感器的测试精度(与同规格的线圈型转速转矩传感器比)
⑥光耦转矩传感器产品的结构设计非常灵活，完全可以适用各类客户的需求，设计周期短，交货快，服务周全。
以上是光耦转矩传感器与线圈型转矩传感器相比的突出优势。
Ⅱ、转速转矩传感器的产品分类
转速转矩传感器是一种；测量旋转体旋转状态下，旋转扭矩量值的测试仪。尽管转速转矩传感器，测扭矩值的本质特征(测钢体轴的施扭形变)完全相同。但该类测试仪，针对这一特征所实施的技术手段，差异甚大。因此；转速转矩传感器，可分为以下四大类别；相位差型转速转矩传感器(国内第一代)、导流环型转速转矩传感器(国内第二代)、电磁耦合型转速转矩传感器(国内第三代)和光电耦合型转速转矩传感器(国内第四代)。下面给予分别描述：
①相位差型转速转矩传感器
相位差型转速转矩传感器产品，其结构特征：该转速转矩传感器结构体积庞大。是最早期的转速转矩传感器。该传感器的技术特征是；利用扭矩测量轴上的一对齿盘，直接测量施加在该轴上的载荷力导致的轴体变形量。而测试电路，无需进行动态电能量和动态电信号的技术处理。由于该传感器使用不便，处于逐年被淘汰的势态。
②导流环型转速转矩传感器
导流环型转速转矩传感器产品，其结构特征为：该转速转矩传感器结构体积最小。该传感器的技术特征是；利用扭矩测量轴上黏贴的应变片，通过测量应变片的电参量，间接测量施加在该轴上的载荷力导致的轴体变形量。而测试电路是通过液态的导电媒介实现了动态电能量和动态电信号的技术处理。由于该传感器的导电媒介，能承受的最大转速受限、导电媒介易老化和污染，不能用于高速和较差的工业环境中。
③电磁耦合型转速转矩传感器
电磁耦合型转速转矩传感器产品，其结构特征为：该转速转矩传感器结构体积较导流环型转速转矩传感器的结构体积要大，利用扭矩测量轴上黏贴的应变片，通过测量应变片的电参量，间接测量施加在该轴上的载荷力导致的轴体变形量。该传感器的技术特征是；测试电路是通过非接触的电磁耦合(带气隙的旋转变压器)技术，实现了动态电能量和动态电信号的技术处理。该传感器易受外界电磁干扰，频响特征较差，可用于工业环境，可用转速高于前述两种传感器，是国内外用量最大的转速转矩传感器。
④光电耦合型转速转矩传感器产品，其结构特征为：该转速转矩传感器结构体积小于电磁耦合型转速转矩传感器的结构体积，利用扭矩测量轴上黏贴的应变片，通过测量应变片的电参量，间接测量施加在该轴上的载荷力导致的轴体变形量。该传感器的技术特征是；测试电路是通过非接触的光耦合(LED器件和光电池)技术，实现了动态电能量和动态电信号的技术处理。该传感器可用于更复杂的工业环境，可用转速比电磁耦合型转速转矩传感器还要高，可接近应变片的响应频率，是国内外最具有竞争力的转速转矩传感器。
Ⅲ、转速转矩传感器的技术指标
转速转矩传感器的技术指标主要体现在；扭矩标称值、扭矩精度、扭矩线性度和扭矩检测值的响应速度。除扭矩标称值外，扭矩精度和扭矩线性度都与转速转矩传感器转速和扭矩检测值的响应速度的相关。因为；转速转矩传感器的各参数指标都是静态标定值。
静态标定值与动态实测值将存在一定的差值，差值的大小决定于扭矩检测轴的设计特征。
扭矩检测值的响应速度决定着扭矩检测值的真实可信度。理由很简单；在某转速下，扭矩的载荷值如果没被响应，我们得到仪表显示的扭矩值是什么呢？谁也讲不清；扭矩的标定精度和扭矩的线性精度还有意义吗！因此，转速转矩传感器的重要技术指标，特别是高转速的转速转矩传感器，扭矩检测值的响应速度及扭矩检测轴的附加转动惯量更为重要关键；这就是高转速速转矩传感器价格高的原因所在。
举例说明如下；吉林大学物理系某研究生，用号称可达10000转/分钟以上的电磁耦合型转速转矩传感器，做过这样的测试报告；用该型的转速转矩传感器测正反摆动议的载荷扭矩，实测数据做到2次/秒时，该转速转矩传感器的测试值就乱跳了，降到1次/秒时，该转速转矩传感器的测试值显示正常。根据这一数据可推出；该转速转矩传感器适用的最高转速只能标称为2400转/分钟。结论给出；没有响应速度做前提，扭矩精度和扭矩线性度的技术指标将是含糊的指标。
这里要说明的是；同样的正反摆动议的载荷扭矩试验，上海的某用户，用光电耦合型转速转矩传感器，完美的做到了10次/秒的测试数据。
再举一例说明如下；河南某汽车水泵厂，用号称可达10000转/分钟以上的电磁耦合型转速转矩传感器所做的测试报告显示；该厂生产的汽车水泵，其效率高达70%以上，该值远远高出该行业理论指导值约48%的正常值，原因是；在6000转/分钟的转速工况下，选用配套仪表的采样周期长，扭矩测量轴上附加的惯性扭矩大和扭矩检测值的响应速度偏低是所致现象的直接结果。
再举一例说明如下；1N.M的转速转矩传感器；如选用光电耦合型转速转矩传感器，测试数据跳变极小。如选用电磁耦合型转速转矩传感器，测试数据的跳变就非常的明显。这是浙江用户提供的测试报告。
Ⅳ、转速转矩传感器和智能仪表的配套使用
转速转矩传感器的现场应用，总离不开与之配套使用的仪器仪表。配套使用的仪器仪表，同样存在采样数据和处理速度的频响问题。以转速为6000转/分钟的转速转矩传感器为例；配套仪表的采样时间应在10ms以内，而采样时间≥20ms的配套仪表，显然是不合理的。
除此以外，转速转矩传感器测量轴的附加惯性扭矩也应精准的控制在小于该转速转矩传感器的测量精度和线性精度内(以工作最高转速为准)。但是，目前的某些转速转矩传感器的生产公司，有意的回避这一现实问题，误导用户，标称自己的转速转矩传感器最高转速可达40000转/分钟。而该传感器的扭矩量程恰恰是5N.M以下，测量精度和线性精度≤0.2%，而且还配套采样时间≥20ms的配套仪表。实在是让人不可思议！
Ⅴ、光耦转矩传感器产品的几个实用客户
光耦转矩传感器产品，应用领域涉及：航天航空、石油化工、铁路交通、汽车制造、重型机械、电机电力、能源采矿、军工装备、科研高校、安全节能等重大行业。应用规格为：1N.M～5万N.M。该产品，从2010年仅四台的年销售量，迅速增长到2013年月近20余台的销售量，发展之快令人鼓舞。其根本原因是；光耦转矩传感器产品有极强的抗电磁干扰的能力、超快的响应速度、微小的附加惯性扭矩、稳定真实的＜0.2%的测量精度等综合的品质特征，能生产出电磁耦合型转速转矩传感器不能及的非标型转速转矩传感器产品，而用户仅支付出进口同类产品价格的40%的费用。同时；还能享受到快捷、周到的满意服务。下面给出几个用户单位；
⒈、北京印刷学院(用于印刷机械的开发研究)
⒉、洛阳拖拉机厂(用于拖拉机的功力拖动试验)
3、北京天城同创电气有限公司(用于风力发电机的性能测试)替代进口的iml品牌
⒋、无锡市科本机械制造有限公司(用于减速机设备的动力传输测试)
⒌、北京石油大学(用于石油钻杆的性能测试)
6、中航工业空空导弹研究院(用于导弹行业) 替代德国进口的HBM品牌
7、出口埃及军工产品(雷达行业)
8、中国湖南矿业研究院(采矿磨研机流变特征的研究)
9、洛阳瑞康(测功机)
10、上海计量站(用于计量定标)
11、湖南长沙大学(用于番茄品种研究)
12、济南阀门制造有限公司(阀门检测)13、液压扳手的配套(天津夏利汽车生产线)