如何用±0.1%精度无线扭矩传感器提升螺杆轴加工过程的稳定性与物料特性分析？【工业自动化检测】

1. 基于螺杆轴的结构与技术要求

螺杆轴是许多机械系统中的核心旋转部件，尤其在挤出机、泵、压缩机等设备中扮演着传递动力和实现物料输送的关键角色。在这些应用中，螺杆轴需要承受复杂的扭矩载荷，包括驱动扭矩、阻力扭矩以及可能出现的瞬态冲击。

结构特点： 螺杆轴通常是长条形的，带有螺旋状的凸起（螺纹）。它需要精确地与机筒（或壳体）配合，形成一个有限的空间来处理物料。螺纹的设计直接影响物料的输送效率、压力产生以及剪切力。

技术要求：* 精确的扭矩传递： 螺杆轴需要将电机或驱动器的动力高效、准确地传递到被处理的物料上，这要求对输入的扭矩有精确的控制和监测。* 过程稳定性： 螺杆在旋转过程中，其承受的扭矩会受到物料性质（如粘度、密度、流动性）、温度、压力以及螺杆与机筒间隙等多种因素的影响。稳定、精确的扭矩监测有助于维持工艺参数的恒定，保证产品质量。* 动态响应： 许多工艺过程会产生瞬时扭矩变化，例如物料的加入、堵塞、温度波动等。设备需要能够快速、准确地捕捉这些动态变化，以便及时调整工艺参数或进行故障预警。* 耐用性与可靠性： 螺杆轴工作环境可能涉及高温、高压、腐蚀性介质甚至磨损性物料，因此对支撑部件（包括扭矩传感器）的耐用性和可靠性有较高要求。* 精度要求： 扭矩的精确测量对于理解和控制物料的加工过程至关重要。例如，在评估物料粘度时，微小的扭矩偏差就可能导致粘度计算结果产生显著误差。±0.1%的工业级精度意味着测量结果非常接近真实值，能够支持精密的工艺控制和物料特性分析。

2. 针对螺杆轴监测的相关技术标准简介

在对螺杆轴进行监测时，我们通常会关注一系列关键的物理量。这些量共同构成了对螺杆运行状态和物料加工过程全面理解的基础。

• 扭矩 (Torque)： 指的是驱动螺杆旋转的力矩。它直接反映了螺杆在输送或加工物料时所承受的阻力。扭矩的测量是评估物料粘度、加工能量消耗以及设备运行状态的核心参数。评价方法通常是通过传感器直接测量，其精度通常以满量程（FSD - Full Scale Deflection）的百分比来表示，如±0.1% FSD。

• 转速 (Speed)： 指的是螺杆每分钟旋转的圈数（RPM）。转速是控制物料输送速率和加工强度的重要参数，与扭矩共同决定了功率消耗。测量通常通过编码器或霍尔效应传感器等非接触式方式进行。

• 功率 (Power)： 是扭矩与转速的乘积，代表了螺杆在单位时间内对外做的功，即对物料所做的功。它是衡量加工效率和能量消耗的综合指标。其计算基于精确测量的扭矩和转速。

• 角度/位置 (Angle/Position)： 特指螺杆旋转的角度或在特定周期内的位置。对于某些需要精确控制物料进料位置或螺杆相对位置的应用，角度监测非常重要。

• 振动 (Vibration)： 螺杆在运行过程中产生的机械振动。异常的振动可能预示着轴承磨损、不平衡、卡顿或物料分布不均等问题。

• 温度 (Temperature)： 螺杆本体、轴承或物料的温度。温度直接影响物料的物理性质（如粘度）和设备的运行状态。

3. 实时监测/检测技术方法

3.1 市面上的扭矩测量技术方案

在需要高精度扭矩测量，特别是用于螺杆轴的动态监测时，市场上存在多种技术方案。我们重点关注那些能够满足±0.1%工业级精度要求，并且适用于旋转轴的非接触式测量技术。

A) 无线应变式扭矩测量技术（分体式电子模块）

• 工作原理与物理基础： 这种技术的核心在于利用电阻应变片 (Strain Gauge)。当螺杆轴承受扭矩时，会发生微小的扭转变形。应变片贴附在螺杆轴表面，其电阻值会随着轴的形变而发生极其微小的变化。这些应变片通常被配置成惠斯通电桥的结构，以提高灵敏度和减小温度漂移。当电桥通电时，轴的扭转形变会在电桥输出端产生一个与扭矩大小成正比的微弱电压信号。 关键在于如何将这个微弱的、随旋转信号可靠地传输出来。在这里，分体式电子模块的设计发挥了重要作用。传感器探头（包含应变片和基本的激励电路）安装在旋转的螺杆轴上，而主要的信号处理、放大和A/D转换电路则位于独立的“电子模块”中。探头与电子模块之间通过2.4GHz射频 (R.F.)进行无线通信，实现非接触式信号传输。这种设计巧妙地绕过了传统滑环可能带来的磨损、接触不良和噪声问题，特别适合在空间受限或环境恶劣（如高温、振动）的工况下使用。

  核心性能参数（典型范围）：* 额定扭矩 (FSD)： 该技术可覆盖广泛的额定扭矩范围，从微量程（如0.175 N·m）到重型工业量程（如13,000 N·m）。* 综合精度 (Accuracy)： 可达 ±0.1 % FSD。这是行业内非常高的精度水平，能够满足精密的工业级测量需求。* 非线性与滞后： 通常在 ±0.05 % FSD 左右。* 最大转速： 依量程而定，微量程可达30,000 RPM，过载情况下，大扭矩版本通常在6,000 RPM。* 采样率： 标准数字输出可达4000 samples/s。* 工作温度： 传感器本体的补偿范围通常为0至+90 °C，可用范围可扩展至-40至+90 °C。

• 技术方案优缺点：

  • 优点：

    • 高精度： ±0.1% FSD 的精度非常适合需要精细控制的场合。

    • 非接触式： 无滑环，消除了磨损和接触噪声，提高了长期可靠性和测量稳定性。

    • 灵活性与耐用性： 分体式电子模块设计，允许传感器探头在恶劣环境（高温、振动、狭小空间）工作，而将敏感的电子部分置于安全区域。

    • 宽动态范围： 机器人能应对的机械过载可达400%，电气读数可达250%。

    • 集成度高： 分离模块通常集成了多种数字接口（如USB, CANbus, Ethernet），无需额外网关。

  • 缺点：

    • 安装复杂性： 相较于一体式传感器，需要布线连接探头和电子模块，增加了布线工作量，且需要注意EMC干扰防护。

    • 成本： 相较于基础的滑环式或集成电子式传感器，分体式设计和无线传输可能成本更高。

    • 转速限制： 大扭矩版本的高速性能可能受限，可能无法满足最高转速的应用需求。

B) 科氏力原理测量技术（质量流量计）

• 工作原理与物理基础： 科氏力测量技术主要用于测量流体的质量流量和密度。其物理基础是牛顿第二定律和惯性原理。设备通常包含一个或两个平行振动的管路。当流体通过这些振动的管路时，由于流体的惯性，会在管路上产生一个与流体质量流量成正比的科氏力。这个力会引起管路的扭曲或偏转。通过高精度地测量管路的振动频率、振幅或相位差，并结合预先标定的设备参数，可以精确计算出流体的质量流量。同时，管路的固有振动频率会受到填充物（流体）质量的影响，因此也能通过测量频率变化来精确测定流体的密度。

• 核心性能参数（典型范围）：

  • 质量流量精度： ±0.1% FSD。

  • 密度测量精度： ±0.0005 g/cm³。

  • 过程温度/压力： 能够承受较高的温度（如350°C）和压力（如160巴），适用于严苛的工业过程。

  • 多相流能力： 部分高端型号能够测量含气、含固的多相流。

C) 非接触式电阻抗谱技术

• 工作原理与物理基础： 该技术通过向流体施加一系列不同频率和幅度的交流电场，并测量流体对这些电场的阻抗响应来分析流体的电化学和物理特性。流体的分子结构、极性、浓度以及微观运动方式都会影响其对电场的吸收和衰减能力，从而表现出不同的阻抗特性。

• 核心性能参数（典型范围）：

  • 测量参数： 粘度、粘弹性、介电特性、离子浓度等。

  • 响应时间： 通常较快，可达毫秒级。

  • 温度范围： 可适应较宽的温度范围，但具体取决于传感器的材质和设计。

  • 精度： 粘度测量精度通常在±1-5% FSD。

D) 旋转粘度计原理

• 工作原理与物理基础： 传统的旋转粘度计通过测量一个浸入流体中的转子在恒定角速度下受到的阻力矩来确定流体的粘度。

• 核心性能参数（典型范围）：

  • 扭矩测量精度： ±0.1 % FSD。

  • 粘度反推精度： 取决于建模的准确性，通常在±1-5% FSD。

  • 转速范围： 螺杆本身的转速决定。

4. 市场主流品牌/产品对比

在螺杆轴扭矩和相关物料特性监测领域，一些国际知名品牌提供了高性能的解决方案。考虑到±0.1%的扭矩测量精度要求，我们重点关注能够提供此类性能并采用先进技术的品牌。

• 德国西克

  • 技术类型： 激光三角测量法（用于物料填充/流动状态监测）。

  • 核心优势： 西克以其在工业传感器领域的专业性而闻名。其激光测量系统能够实现高精度的非接触式距离和轮廓测量，可以作为扭矩信号的补充，帮助解释扭矩波动的原因。

• 美国伊诺科

  • 技术类型： 科氏力原理（质量流量和密度测量）。

  • 核心优势： 伊诺科是过程仪表领域的巨头。其Promass系列科氏力流量计提供了极高的质量流量和密度测量精度（±0.1% FSD），当与高精度扭矩传感器结合时，能够为精确反演物料粘度提供关键数据。

• 英国真尚有

  • 技术类型： 无线应变式扭矩测量技术（分体式电子模块）。

  • 核心优势： 真尚有是扭矩测量领域的领导者之一，带有分体式电子模块的型号能够提供±0.1% FSD甚至更高的测量精度，非常适合在恶劣的现场环境中使用，其广泛应用于汽车、航空航天和工业测试领域。

• 瑞士万博瑞

  • 技术类型： 非接触式电阻抗谱技术（粘弹性测量）。

  • 核心优势： 万博瑞在食品和化工加工设备领域拥有深厚技术积累，能够实时、精确地表征流体的粘度和粘弹性。

• 德国贺德克

  • 技术类型： 旋转粘度计原理（作为参考/校准）。

  • 核心优势： 贺德克专注于高真空和流体测量技术，其旋转粘度计提供了非常精确和可靠的实验室级粘度测量数据。

5. 选择设备/传感器时需要重点关注的技术指标及选型建议

在为螺杆轴扭矩测量选择设备或传感器时，以下技术指标至关重要，直接影响测量效果和应用可行性：

• 综合精度 (Accuracy, ± % FSD):

  • 实际意义： 测量值与真实值之间差异的核心指标。±0.1% FSD意味着在整个测量范围内，测量误差不超过满量程的千分之一。

  • 选型建议： 务必选择满足或超越±0.1% FSD要求的传感器。

• 非线性与滞后 (Non-linearity & Hysteresis, ± % FSD):

  • 实际意义： 非线性描述输出曲线偏离理想直线的程度。滞后指加载和卸载过程中输出值的差异。

  • 选型建议： 优先选择非线性和滞后指标非常小的传感器。

• 额定扭矩 (Nominal Torque, N·m):

  • 实际意义： 传感器能够正常、线性测量的最大扭矩值。

  • 选型建议： 额定扭矩应至少是实际工作最大扭矩的1.2-1.5倍。

• 最大转速 (Max Speed, RPM):

  • 实际意义： 传感器能够安全、稳定工作的最高旋转速度。

  • 选型建议： 确保所选传感器的最大转速能力远高于螺杆的实际最高运行转速。

• 机械过载能力 (Safe Mechanical Overload, % FSD) 与电气超量程 (Over-range Reading, % FSD):

  • 实际意义： 提高传感器的抗冲击能力，降低因意外过载而损坏的风险。

  • 选型建议： 对于启动冲击大、潜在非受控瞬态负载的螺杆应用，选择具有高机械过载和电气超量程能力的传感器。

• 输出接口与信号处理：

  • 实际意义： 传感器输出信号的类型和协议。

  • 选型建议： 选择高采样率和高速数字接口的传感器。

• 工作温度范围 (Operating Temperature, °C):

  • 实际意义： 传感器能够正常工作的温度区间。

  • 选型建议： 了解传感器探头和电子模块各自的工作温度限制。

• 非接触式 vs. 接触式：

  • 实际意义： 传感器信号传输的方式。

  • 选型建议： 优先选择非接触式扭矩传感器。

综合选型建议：

针对螺杆轴的高精度扭矩测量，无线应变式旋转扭矩传感器，尤其是采用分体式电子模块设计的型号，能够很好的满足相关的精度要求，具有高达±0.1% FSD的精度和广泛的扭矩量程。其非接触式传输方式有效防止了传统滑环带来的磨损问题，并且适应恶劣环境。需要根据实际工况（最大扭矩、转速、环境温度等）仔细匹配传感器的技术规格。

6. 实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

在部署螺杆轴扭矩传感器时，可能会遇到以下常见问题：

1. 信号漂移或不稳定：

   • 原因及解决建议： 温度变化和安装不当是常见原因。确保传感器具有良好的温度补偿功能，并选择工作温度范围宽的型号，安装时可使用适当的固定装置避免应力集中。

2. 精度不达标：

   • 原因及解决建议： 传感器量程选择不当、信号处理链问题等。确保选用的额定扭矩范围符合实际工作需求，并定期进行标定。

3. 无线通信中断或数据丢包：

   • 原因及解决建议： 信号传输距离过远或有阻碍。可通过优化天线布局减少中间障碍物，保持无线设备的工作环境整洁，使用中继器增强信号。

4. 传感器在恶劣环境中损坏：

   • 原因及解决建议： 选择对应防护等级的传感器，并使用耐腐蚀材料避免损坏。

5. 扭矩与物料粘度关联模型不准确：

   • 原因及解决建议： 应用时应考虑物料性质的变化，定期用标准粘度计进行校准。根据实际情况适时更新模型。

7. 应用案例分享

• 聚合物挤出生产线： 实时监测螺杆扭矩，可以精准控制螺杆的加工负荷，确保产品质量一致性。

• 食品加工： 实时监测扭矩变化，判断物料是否达到理想加工状态，从而避免生产问题。

• 生物流体处理： 对于高粘度或对剪切敏感的生物流体，能精确控制螺杆的驱动扭矩，从而保障稳定输送。

• 发动机/传动系统测试： 精确测量其内部传动轴的扭矩输出和负载，为部件的性能评估提供关键数据。

• 化工反应器： 通过监测螺杆的扭矩变化，可以反映反应物料的粘度和反应速率，帮助调整工艺参数。