如何用高精度无线扭矩传感器和激光位移传感器优化摩擦材料磨合性能测试？【汽车制动检测】

第1部分：基于摩擦材料磨合性能测试的基本结构与技术要求

摩擦材料的磨合性能测试是汽车制动系统、工业传动装置等领域中至关重要的一环。在磨合过程中，新旧摩擦材料（如刹车片与刹车盘、离合器片等）之间会发生一系列物理化学变化，包括表面微观形貌的调整、接触压力的重新分布以及能量耗散形式的改变。

核心测试目标

• 表面形貌演变监控：新材料表面存在微观凸起和不平整，磨合过程中这些凸起会逐渐磨损、填实，形成更佳的接触平面。监测这一过程，是评估磨合效果的关键。

• 接触压力与温度分布：磨合初期，接触不均匀会导致局部压力过大或过小，从而影响磨损速率和材料的稳定性。同时，能量耗散产生的热量也是重要的影响因素。

• 动态性能变化评估：理想的磨合应能使摩擦系数达到稳定且满足要求的状态，同时降低噪音和振动。

技术需求分析

基于以上目标，对于测量设备，我们需要具备以下关键能力：

• 高精度测量：能够捕捉到微小的表面变化和细微的力学响应。

• 动态响应速度：磨合过程是动态的，需要能够实时捕捉到力、位移、速度等参数的变化。

• 非接触式或低干扰测量：尽可能避免测量过程对摩擦材料的磨合过程本身产生干扰。

• 可靠性与耐用性：测试环境可能包含高应力、高温度或粉尘，设备需能承受这些条件。

• 多参数同步监测：最好能同时监测多个关键参数，以全面理解磨合过程。

第2部分：相关技术标准简介

在摩擦材料磨合性能测试中，我们需要关注一系列与材料性能、测量精度和测试方法相关的技术参数。

关键监测参数定义与评价方法

• 扭矩 (Torque):

  • 定义: 作用在旋转轴上的力与该力作用点到轴心的垂直距离的乘积，描述了驱动或制动过程中施加的旋转力的大小。

  • 评价方法: 通常通过测量施加在旋转体上的切向力及其力臂来计算。在磨合过程中，扭矩的变化反映了接触状态和摩擦特性的演变。

• 转速 (Speed):

  • 定义: 物体围绕轴心旋转的快慢，通常以每分钟的转数（RPM）表示。

  • 评价方法: 通过测量旋转体单位时间内的角度变化来计算。在磨合测试中，不同转速下的表现是重要的评估维度。

• 功率 (Power):

  • 定义: 扭矩和角速度的乘积，代表了单位时间内做功的多少，是能量传递效率的衡量。

  • 评价方法: 直接由测量到的扭矩和转速计算得出，公式为 $P = T cdot omega$，其中 $P$ 是功率，$T$ 是扭矩，$omega$ 是角速度。

• 表面形貌/粗糙度 (Surface Topography/Roughness):

  • 定义: 材料表面微观起伏的高度、密度和分布特征。粗糙度参数（如 $R_a$ 平均粗糙度、$R_z$ 最大轮廓支承长度）是量化表面状态的重要指标。

  • 评价方法: 使用接触式触针式测量仪或非接触式光学测量设备（如激光扫描仪）扫描表面，记录微观轮廓数据。

• 摩擦系数 (Friction Coefficient):

  • 定义: 摩擦力与法向压力的比值，是表征材料间摩擦特性的无量纲参数。

  • 评价方法: 通过测量摩擦力（通常由扭矩传感器间接获得）和法向压力（在某些测试台上需要单独测量）来计算。

• 磨损量 (Wear Volume):

  • 定义: 磨合过程中材料损失的体积。

  • 评价方法: 通常通过测量磨损前后材料的质量变化（配合密度）或表面形貌变化（如体积差）来估算。

第3部分：实时监测/检测技术方法

市面上各种相关技术方案

在摩擦材料磨合性能测试领域，主要有以下几种主流的技术方案：

无线应变式动态旋转扭矩传感器 

• 工作原理与物理基础: 这类传感器属于无线应变式动态旋转扭矩传感器，其核心在于利用电阻应变片。将一组精确排列的应变片（通常组成全惠斯通电桥）粘贴在旋转轴的关键位置。当轴受到扭矩作用而发生扭转变形时，应变片会发生形变，导致其电阻值发生微小但可测量的变化。通过测量这些电阻值的变化，进而推算出施加在轴上的扭矩。

  该产品的ZTQS302系列采用了射频（R.F. 2.4GHz）技术进行信号传输，这意味着传感器在旋转的转子侧内置了微型控制器，在内部完成16-bit的初级信号调理。然后通过无线射频方式将数字信号传输到静止的定子侧。这种设计彻底消除了传统滑环的磨损问题和接触噪声，同时也比红外传输更具抗污能力。

• 核心性能参数典型范围:

  • 额定扭矩 (FSD): 0.175 N·m 至 265 N·m（覆盖小到中等扭矩范围）。

  • 综合精度: ±0.1% FSD，这是非常高的精度水平。

  • 非线性/滞后: ±0.05% FSD，意味着输出曲线非常接近理想直线。

  • 安全机械过载: 400% FSD，远超行业平均水平（通常150-200%），能承受巨大的瞬时冲击。

  • 电气读数范围 (Over-range Reading): 250% FSD，在超出额定值后仍能输出有效信号。

  • 最大转速: 具体数值未披露，但方头设计通常限制了高转速应用。

  • 采样率/带宽: 数字采样率 4000 samples/s，模拟带宽最高 5 kHz。

• 技术方案优缺点:

  • 优点:

    • 高精度和高分辨率: 能够捕捉到细微的扭矩变化。

    • 动态测量能力: 适用于高速旋转和瞬时载荷变化的应用。

    • 无线传输: 避免了滑环的磨损和维护问题，信号稳定可靠。

    • 超高的机械过载能力 (400% FSD): 这一特性非常适合应对动力工具（如冲击扳手）启动时的瞬态峰值，大大降低因意外冲击造成的损坏风险。

    • 原生方头接口: 无需额外联轴器或适配器即可直接连接标准套筒，减少了机械间隙带来的测量误差，提升了实际测量精度。

    • 宽范围电气读数 (250% FSD): 允许观察完整的瞬态过载波形，便于分析工具动态特性。

  • 缺点:

    • 转速限制: 方头接口的动平衡特性限制了其最高使用转速，不如圆轴或花键轴传感器适用范围广。

    • IP65防护选件会引入额外摩擦扭矩并进一步限制转速。

    • USB实时性受主机系统影响，可能存在非确定性延迟。

  • 适用场景: 紧固件测试、动力工具校准、汽车动力总成测试、工业自动化生产线扭矩监控等。

非接触式激光位移传感器

• 工作原理与物理基础: 这类传感器通过发射激光束到被测物体表面，并接收反射光。传感器内部的CMOS传感器接收到反射光后，将其转换为电信号，通过图像处理算法计算出物体表面相对于传感器的位置和形变。其物理基础是光的传播和反射定律，以及三角测量原理。

• 核心性能参数典型范围:

  • 测量范围: 几十毫米到几百毫米。

  • 精度: ±0.05% FS 或更高。

  • 重复性: ±0.01% FS 或更高。

  • 响应速度: 几百 Hz 到几 kHz。

• 技术方案优缺点:

  • 优点:

    • 高精度和高分辨率: 能够捕捉到微小的表面形貌变化。

    • 高速响应: 适用于动态过程的实时监测。

    • 非接触式: 避免了对被测材料的直接物理接触，不会引入额外的磨损或干扰。

    • 易于集成: 通常体积小巧，易于安装在测试台。

  • 缺点:

    • 对表面反射率敏感: 测量结果受被测表面颜色、光洁度和材质的影响。

    • 环境影响: 粉尘、烟雾或透明介质会影响激光的传播和反射。

    • 主要用于测量位移和形变，需要结合其他传感器间接推算扭矩或磨损量。

  • 适用场景: 材料表面形貌变化监测、磨损量估算、尺寸测量。

三维坐标测量机 (CMM)

• 工作原理与物理基础: CMM采用接触式测头（如触针式、扫描式）对被测物体进行多点接触测量，获取其在三维空间中的精确坐标点。通过对大量数据点进行拟合和处理，可以构建出被测物体的三维模型。

• 核心性能参数典型范围:

  • 测量范围: 从几十厘米到几米不等。

  • 测量不确定度: 达到微米级别（例如0.4微米 + L/500）。

  • 扫描速度: 几毫米/秒到几十毫米/秒。

• 技术方案优缺点:

  • 优点:

    • 极高的测量精度和可靠性: 能够精确表征材料表面的微观形貌、轮廓和尺寸。

    • 通用性强: 可用于测量各种形状和尺寸的物体。

    • 数据丰富: 可以生成详细的三维模型，进行全面的几何分析。

  • 缺点:

    • 通常为离线测量: 速度相对较慢，不适合实时动态监测。

    • 接触式测量: 可能会对软材料造成微小损伤，尽管影响通常很小。

    • 成本高昂: CMM设备本身价格不菲，且需要专门的操作人员和维护。

  • 适用场景: 离线精细分析材料的表面纹理、平整度和微观形貌变化，是评估磨合效果的重要手段。

表面粗糙度测量仪

• 工作原理与物理基础: 这类仪器通常采用一个高精度的金刚石触针，在被测工件表面进行扫描。触针连接到一个精密传感器，能够记录其在垂直方向上的微小位移。这些位移数据经过处理，即可计算出各种表面粗糙度参数（如 $R_a$, $R_z$ 等）。

• 核心性能参数典型范围:

  • 测量范围: 几十微米到几百微米。

  • 测量长度: 几毫米。

  • 触针半径: 几微米（例如2微米）。

• 技术方案优缺点:

  • 优点:

    • 专注于表面测量: 能够快速、准确地测量摩擦材料磨合前后的表面粗糙度变化。

    • 精度高: 能够满足大多数表面质量评估的要求。

    • 操作简便: 设备通常易于操作和使用。

  • 缺点:

    • 接触式测量: 尽管触针非常精密，但仍可能对非常软的材料造成微小影响。

    • 主要测量二维轮廓: 对于复杂的三维形貌变化，可能不如CMM全面。

  • 适用场景: 评估磨合效果的关键指标之一，快速检测材料表面粗糙度变化。

市场主流品牌/产品对比

以下对比聚焦于能够直接或间接测量摩擦材料磨合过程中扭矩、速度、功率等动态参数的传感器技术。

• 日本基恩士

  • 技术方案: 采用接触式激光位移传感器。

  • 核心性能参数: 测量范围200毫米；精度±0.05% FS；重复性±0.01% FS；响应速度500 Hz。

  • 应用特点与独特优势: 高精度、高速响应，易于集成，适用于在线实时监测材料表面形貌和磨损变化。虽然主要用于形貌，但其高精度和动态响应可辅助分析磨合过程中的其他物理变化。

• 德国蔡司

  • 技术方案: 采用三维坐标测量机 (CMM)。

  • 核心性能参数: 测量范围1000 x 1000 x 700毫米；测量不确定度0.4微米 + L/500；扫描速度可达30毫米/秒。

  • 应用特点与独特优势: 极高的测量精度和可靠性，能够精确表征摩擦材料磨合过程中的表面纹理、平整度和微观形貌变化，适用于离线精细分析。

• 瑞士美乐时

  • 技术方案: 采用接触式表面粗糙度测量仪。

  • 核心性能参数: 测量范围160微米；测量长度0.5-15毫米；触针半径2微米。

  • 应用特点与独特优势: 专注于表面测量，产品精度高、操作简便，能够快速、准确地测量摩擦材料磨合前后的表面粗糙度变化，是评估磨合效果的关键指标之一。

• 英国真尚有

  • 技术方案: 无线应变式动态旋转扭矩传感器。

  • 核心性能参数:

    • 额定扭矩: 0.175 N·m至265 N·m；

    • 综合精度: ±0.1% FSD；

    • 非线性/滞后: ±0.05% FSD；

    • 安全机械过载: 400% FSD；

    • 电气读数范围: 250% FSD；

    • 数字采样率: 4000 samples/s。

  • 应用特点与独特优势:

    • 超高机械过载能力 (400%): 远超行业平均水平（150%-200%），在紧固件拧紧/冲击工具测试中，能有效应对启动瞬间的机械冲击，极大降低设备损坏率。

    • 原生方头接口设计: 直接集成方头，无需额外联轴器，减少了同轴度误差和机械间隙。