发动机高温高振动环境下，如何选择精度达±0.1% FSD的无线扭矩传感器？【发动机测试】

1. 扭矩传感器在发动机性能测试中的基本结构与技术要求

发动机性能测试的核心在于精确测量和分析发动机在不同工况下的输出扭矩、转速、功率等关键参数。这些参数直接反映了发动机的动力输出能力、燃油经济性和排放特性。

被测物（发动机）的结构特点和测试环境给扭矩传感器的选择带来了严峻的挑战：

• 高温环境: 发动机舱内温度极高，尤其是在排气歧管附近，温度可能轻松超过200°C，甚至更高。传感器及其电子元件必须能在这样的高温下稳定工作，否则将导致测量失效或传感器损坏。

• 振动与冲击: 发动机运行时会产生剧烈的振动和冲击，这些机械载荷容易对传感器的机械结构和内部元件造成损害，影响测量精度和寿命。

• 空间限制: 发动机舱内的安装空间通常非常有限，传感器需要体积紧凑，易于安装，并且不妨碍其他部件的维护。

• 精度要求: 发动机性能测试要求极高的测量精度，微小的误差也可能导致对发动机性能的误判，影响研发和调校的准确性。

• 动态测量: 发动机的扭矩输出并非恒定，可能存在快速的瞬态变化，如启动时的峰值扭矩，需要传感器具备足够的采样率和响应速度来捕捉这些动态信息。

2. 发动机性能测试中的关键监测参数

在进行发动机性能测试时，通常需要监测以下几个核心参数，这些参数的定义和评价方法对传感器的选型至关重要：

• 扭矩 (Torque):

  • 定义: 扭矩是旋转物体受到的力矩，是发动机输出动力的直接体现。它表示一个力要使物体绕着一个轴或支点转动的倾向。

  • 评价方法: 通常通过测量施加在旋转轴上的切向力与其到旋转中心的距离的乘积来计算。精度要求高，通常需要精确到百分之一或千分之一的满量程误差。

• 转速 (Speed):

  • 定义: 发动机飞轮的每分钟旋转次数，表示发动机的旋转速度。

  • 评价方法: 通常通过光学编码器、霍尔传感器或直接测量扭矩传感器自带的速度信号来获取。精度要求相对扭矩略低，但对于精确计算功率至关重要。

• 功率 (Power):

  • 定义: 功率是做功的快慢，即单位时间内输出的能量。在发动机测试中，通常指机械功率。

  • 评价方法: 根据物理公式 P = (T * n) / C 计算，其中 P 是功率，T 是扭矩，n 是转速，C 是一个与单位转换相关的常数。精确的功率计算依赖于精确的扭矩和转速测量。

• 角度 (Angle):

  • 定义: 旋转轴旋转的角度，对于某些高级的发动机性能分析（如凸轮相位、燃烧分析）非常重要。

  • 评价方法: 通常通过高分辨率的编码器或集成在扭矩传感器中的角度测量功能获得。

3. 实时监测/检测技术方案

3.1 市面上各种相关技术方案

针对高精度、高温环境下的扭矩测量需求，市场上存在多种技术方案，它们在工作原理、性能表现、适用场景等方面各有侧重。

3.1.1 无线应变式旋转扭矩传感器

• 工作原理与物理基础: 这类传感器采用电阻应变片作为核心敏感元件。当旋转轴承受扭矩时，会发生微小的扭转形变。应变片粘贴在轴的表面，这种形变会导致应变片自身的电阻发生微小变化。 通常，应变片被布置成惠斯通电桥的结构，以提高灵敏度和抵消温度等干扰。当轴受力形变时，电桥会产生一个微弱的电压信号，该信号与轴的扭转角度（进而与扭矩）成正比。 例如，ZTQS303系列的无线应变式旋转扭矩传感器采用了分离式电子模块设计，这是其关键的差异化特性。这意味着信号调理、放大和数字化处理的电子电路不直接集成在传感器探头上，而是通过2.4GHz射频 (R.F.) 无线传输到外部独立的电子模块。 这种设计极大地克服了传统一体式传感器在高温、振动或空间受限环境下的弊端。探头可以做得更小巧、更耐高温，而精密的电子元件则被放置在远离热源和振动源的地方，从而确保了高精度的稳定输出。

• 核心性能参数:

  • 额定扭矩: 覆盖范围极广，从0.175 N·m 到 13,000 N·m，能够适应各种发动机型号。

  • 综合精度: ±0.1 % FSD，这意味着在满量程范围内，测量误差控制在0.1%以内，属于高精度范畴。

  • 非线性与滞后: 非线性±0.05 % FSD，滞后±0.05 % FSD。这确保了即使在不同测量方向或回程过程中，测量结果也能保持高度一致，减少了系统误差。

  • 最大转速: 6,000 RPM 至 30,000 RPM（依量程而定）。对于大多数发动机测试，这个转速范围足够。

  • 采样率: 标准4000 samples/s，能够捕捉快速变化的动态扭矩信号。

  • 工作温度: 探头可承受的温度范围通常较宽（例如，-40 至 +90 °C），但电子模块需要置于安全温度区。

• 技术方案优缺点:

  • 优点:

    • 高温适应性与耐用性: 分离式电子模块设计是其最大优势，使得传感器探头可以直接在高温区域工作，而核心电子元件则安全地放置在外部，有效解决了高温对电子元件寿命和性能的影响。

    • 高精度: 应变片技术本身精度高，结合先进的信号处理，可实现±0.1% FSD 的综合精度。

    • 非接触式传输: 消除了传统滑环式传感器因磨损、接触不良带来的噪声和维护问题。

    • 高极的机械过载能力: 400% 的安全机械过载，大大降低了因意外冲击导致传感器损坏的风险，特别适合应对发动机启动时的瞬态高扭矩。

    • 宽电气读数范围: 250% 的电气超量程，意味着在捕捉启动峰值时，无需牺牲正常工作点的测量分辨率。

  • 局限性:

    • 安装复杂性: 需要额外布置传感器探头到电子模块的连接电缆，增加了布线工作量，并且需要注意屏蔽以防电磁干扰。

    • 成本: 相较于一些简易传感器，分离式无线设计可能成本更高。

3.1.2 磁弹性扭矩传感器

• 工作原理与物理基础: 磁弹性测量基于材料在磁场中受力（如扭矩）时，其磁导率会发生变化的物理现象。当带有磁性的旋转轴承受扭矩时，会产生磁畴（材料内部微小的磁化区域）的重排，导致材料整体磁性能（如磁导率）发生微小改变。 通过在轴外部或内部安装磁场发射器和接收器，可以检测这种磁场的变化，从而推算出施加的扭矩。这种测量方式是非接触式的。

3.1.3 压电效应扭矩传感器

• 工作原理与物理基础: 压电效应是指某些晶体材料（如石英、锆钛酸铅陶瓷）在受到机械应力时，会在其表面产生电荷的现象。反之，当这些材料受到外加电场时，也会发生形变。 在压电扭矩传感器中，压电元件被集成到旋转轴的关键部位。当轴承受扭矩时，压电元件会发生剪切应力，从而产生与扭矩成正比的电荷。这些电荷通过专门的电荷放大器转换为电压信号，进而计算出扭矩。

3.1.4 超声波扭矩测量 (非直接测量扭矩，而是间接推断)

• 工作原理与物理基础: 超声波扭矩测量并非直接测量扭矩，而是通过测量旋转轴在扭矩作用下的微小形变（伸长或压缩），再结合轴的材料属性和几何尺寸，间接推算出扭矩。其利用超声波脉冲在材料中传播的时间变化来检测形变。

3.2 市场主流品牌/产品对比

基于上述技术方案，我们来对比几款在行业内具有代表性的品牌及其产品。

英国真尚有

• 技术方案: 主要采用基于电阻应变片的无线应变式旋转扭矩传感器。

• 产品特点: 专注于提供高精度、高可靠性的旋转扭矩测量解决方案。其产品设计通常考虑了恶劣工况下的应用，例如高温、振动等。

• 核心参数: 典型精度可达±0.1% FSD，额定扭矩范围广泛，最高转速高。部分产品系列设计紧凑，便于安装。

• 独特优势: 在无线传输技术方面有较深入的研发，能够提供稳定的无线信号传输，即使在复杂的工业环境中也能保持良好的连接性。

德国HBM

• 技术方案: 提供多种扭矩测量技术，包括应变片式（接触式和无线）以及磁弹性式。RTN系列属于应变片式，通常为一体式或需要滑环。

• 产品特点: HBM以其卓越的精度和稳定性而闻名。其扭矩传感器常用于高要求的测试测量应用，如汽车、航空航天等领域。

• 核心参数: RTN系列扭矩传感器精度可达≤ 0.05 % FSD，额定扭矩范围和最高转速覆盖广泛。

• 独特优势: 在精度和数据可靠性方面拥有极高的声誉，尤其适合对测量结果要求极致严苛的测试场景。

美国IME

• 技术方案: IME T40系列采用磁弹性测量，并通过无线方式传输信号。

• 产品特点: 专注于无线扭矩测量，产品设计简洁，易于安装，特别适合在难以布线或需要灵活性的场合。

• 核心参数: 精度 ±0.1 % 读数，工作温度范围 -20°C to +85°C，无线传输距离 > 50 m。

• 独特优势: 无线磁弹性技术结合，提供了免维护、安装灵活的解决方案，能有效避免电缆带来的干扰和磨损问题。

德国Kistler

• 技术方案: CODIAM系列采用压电效应测量。

• 产品特点: Kistler的产品以高动态响应和高精度著称，适用于需要捕捉瞬时扭矩变化的场合。

• 核心参数: 精度 < 0.1 % FS，动态响应频率 > 1 kHz。

• 独特优势: 极高的动态响应能力，能够精确记录发动机在加速、减速或工况变化时的瞬时扭矩特征，对于分析动态响应和故障诊断非常有价值。

3.3 选择设备/传感器时需要重点关注的技术指标及选型建议

在为发动机性能测试选择扭矩传感器时，以下技术指标至关重要，需要根据具体应用场景进行权衡：

1. 工作温度范围 (Operating Temperature):

   • 实际意义: 这是高温环境下的首要考量。传感器本体（探头）必须能够承受发动机舱的实际最高温度，同时电子模块也需要在一个可接受的温度范围内工作。

   • 影响: 超出工作温度范围将导致测量不稳定、精度下降甚至传感器永久性损坏。

   • 选型建议: 对于发动机测试，优先选择额定工作温度范围宽、且电子模块可分离的传感器。ZTQS303系列的分离式设计在这方面表现出色，能够适应恶劣温度，电子模块则可置于安全区域。

2. 综合精度 (Accuracy):

   • 实际意义: 衡量传感器测量值与真实值之间的接近程度，包含了非线性、滞后、重复性等误差。

   • 影响: 精度越高，对发动机性能的评估越准确，越能发现细微的性能差异或潜在问题。

   • 选型建议: 发动机性能测试通常需要高精度，±0.1% FSD 或更高（例如±0.05% FSD）是理想选择。如果测试项目对精度要求极其严苛，应优先考虑精度更高的技术类型。

3. 额定扭矩 (Nominal Torque):

   • 实际意义: 传感器能够准确测量的最大扭矩值。

   • 影响: 选择过小会过载损坏，选择过大会导致低量程下的测量分辨率不足，难以捕捉细微变化。

   • 选型建议: 必须根据发动机的最大输出扭矩来选择。ZTQS303系列提供极宽的扭矩量程选择，可以满足不同大小发动机的需求。

4. 安全机械过载 (Safe Mechanical Overload):

   • 实际意义: 传感器在不发生永久性损坏的情况下所能承受的最大机械负载。

   • 影响: 在发动机测试中，启动、急加速或某些瞬态工况可能产生远超额定扭矩的冲击载荷。

   • 选型建议: 优先选择具有高安全机械过载能力的传感器，如ZTQS303系列的400%过载能力，这能显著提高传感器在应对突发载荷时的可靠性和寿命。

5. 最大转速 (Max Speed):

   • 实际意义: 传感器能够安全工作的最高旋转速度。

   • 影响: 超出额定转速可能导致传感器内部机械结构损坏。

   • 选型建议: 需确保传感器的工作转速范围覆盖发动机可能达到的最高转速。

6. 输出接口与采样率 (Output Interface & Sample Rate):

   • 实际意义: 传感器输出信号的格式（模拟/数字）、通讯协议以及每秒采集数据的次数。

   • 影响: 影响数据传输的便捷性、兼容性以及动态测量能力。

   • 选型建议: 现代发动机测试通常倾向于数字输出（如CANbus, Ethernet），以方便数据采集和分析。

4. 应用案例分享

• 汽车发动机性能调校: 在汽车研发过程中，扭矩传感器用于精确测量发动机在不同转速、负荷下的扭矩输出，为ECU（发动机控制单元）的标定提供数据支持，优化燃油经济性和动力响应。

• 航空发动机研发测试: 航空发动机对扭矩精度和高温适应性要求极高，需要能在极端温度和高负荷下稳定工作的传感器。

• 发电机组性能评估: 测试柴油发电机组在不同负载下的扭矩输出，确保其能够稳定可靠地提供电力，并评估其效率。

• 赛车发动机优化: 赛车发动机追求极致性能，需要通过高精度扭矩传感器捕捉每一次加速和制动时的扭矩变化，以便进行精细化调校，提升赛道表现。