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FlexRange 灵活量程技术，确保在多个量程下高精度扭矩测试

灵活量程具有极高的基础精度，能够在多个量程下进行高精度扭矩测试

在汽车应用的扭矩测量中经常面临一项特殊挑战。在某些应用中，需要用一个扭矩传感器来覆盖多个量程。应对这一挑战有多种方法。传感器量程可通过电子和机械方式来进行扩展。采用电子方式，由于量程的扩展，滞后，信号噪声和温度对零点的影响，测量的不确定性将会增大，精度将会降低。采用机械方式，由于测量体需要非常复杂的结构，机械性能会恶化。HBM 为此开发了灵活量程的 12HP 数字扭矩传感器，仅需 一个弹性体就可以覆盖完整的测量范围，并且具有 极高的精度。

电机和汽车部件需要更高的能源效率，更低的能源消耗。这意味着研发需要更高的测量精度。在汽车工业的很多测试应用中，扭矩测量是关键要素。尤其是在一个测量过程中需要不同测量范围时，例如发动机测试。很多测试，需要扭矩传感器在高低扭矩量程都有统一的精度。

在很多应用中，例如制动试验，峰值扭矩比平均测量扭矩要高得多。在选择传感器量程时，要 根据峰值扭矩 来确定，这样才不会发生过载，对传感器造成损坏。传感器的精度等级是依据额定量程的，因此在峰值扭矩很高的情况下，就会产生较大的测量误差。

双量程传感器的两种方法

在一个测试过程的多量程理想解决方案是将传感器的测量范围适应相应的最大扭矩。两种不同原理作为双量程传感器的基础：机械双量程传感器 带有两个弹性体，电子双量程传感器有一个弹性体，但是有独立的两个测量通道。

机械双量程扭矩传感器有两个不同测量范围。他们带有 两个不同大小的弹性体，每个具有不同的量程，彼此间串联或是并联。每个弹性体带有不同的应变桥路并连接到测量放大器。这种类型的扭矩传感器被称为“真”双量程传感器。这种传感器的缺点是 仅可进行静态或准静态扭矩测量。

在动态应用中较小的弹性体过载保护将会导致信号重叠。如果其带有过载保护，当扭矩过大时，机械保护将移除连接，但此时较小的弹性体也记录了较大的弹性体的高转矩，但是如果没有这种保护，较小的弹性体可能会损坏。另外，小量程弹性体经常较“软”，以便能够获得较高的特性值。正因为如此，小量程对寄生负载很敏感：例如轴向力，这将对所述转矩的产生串扰，在极端的情况下，甚至有可能损坏传感器。

另外一种“真”双量程传感器，不同尺寸的弹性体并联。这种结构不带有过载保护，因此可避免信号叠加的问题。但是，较小的弹性体也必须记录大的扭矩，这将导致较小弹性体有过载的风险，产生塑性变形。为此，较小弹性体被设计能承受量程最大扭矩。但是这将导致第二个应变桥路较低的特性值。结果导致精度较低，包括温度会对其产生较大影响。

电子多量程传感器模拟较小测量范围

T12HP 扭矩传感器 和“非真”双量程传感器不同，其带有一个弹性体并采用电子方式来模拟第二个弹性体。

一般的电子多量程传感器包含一个额外的被设定为较小量程的测量放大器。第二个测量放大器放大输出信号，一般因子为 5 或 10。这种原理的传感器的缺点是：第二个量程只存在精度性能。测量不确定性的关键参数是额定测量范围，而不是放大器的有用信号。因为“非真”双量程传感器仅扩展的电信号，影响因素也同时被放大，这样就使测量的不确定性升高。

重要因素包括：

• 信号噪声

• 零点的温度响应 TC0

• 滞后（相对可逆性误差）

• 寄生负载

1. 信号噪声

每个电信号都包括背景噪声。随着信号被放大，信号噪声也随之放大器，因此较小量程的信号质量将会下降。并且温度的影响也被放大产生更大的误差。在 T12HP 中，信号噪声非常小，原因在于较小量程的信号 不是通过电信号放大产生。高基本精度与传感器的高分辨率相结合 覆盖了整个测量范围。因此即使在较小量程，信号强度较低情况下，信号噪声依然很低。

2. 温度对零点的影响 TC0

温度响应会影响传感器的精度。双量程放大器的测量信号放大后，温度对零点的影响也会增加。如何采用放大因子 5， 当大量程的 TC0 为 0.1 %/10K 时，局部量程的 TC0 将变为 0.5 %/10K。 而 HBM 采用 FlexRange 技术, T12HP 仅通过一次放大就覆盖了整个量程。其零点的温度响应 TC0 仅为 0.005 %/10K, 即使在局部量程内。

3. 滞后 (相对可逆性误差)

如果测量信号的特性曲线开始记录，当扭矩持续增加然后持续下降，输出信号将无法精确匹配。负载下降和上升导致的信号的最大偏差被称为滞后或相对可逆性误差。这取决于弹性体特性和弹性体设计。

在扭矩测量过程中，例如刹车测试，当扭矩突然从高量程切换到低量程时，滞后依然保持在最初的初始应变，从而导致更大的偏差。

同样，当采用放大器因子 5 时，滞后误差也会增加 5 倍。而 T12HP 仅一个信号就覆盖完整的测量范围，产生连续的信号，可以 消除不连续点的跳动。

4. 寄生负载

依据不同的设计和装配，轴向偏移主要发生在动力传动应用，这主要是由于部件的尺寸精度误差和对中以及温度变化导致的。这种寄生负载可用复杂的技术来完成。T12HP 采用复杂的测量体结构，并且尺寸小巧，具有极高的精度。并且寄生负载是和零点相关的，其他双量程会导致寄生负载增大，尤其是在小测量范围内。

FlexRange  灵活量程

T12HP 扭矩传感器几乎 达到应变技术的极限。另外，HBM 载频技术确保了最佳的信号质量。其具有极高的基本精度和稳定性以及测量值极高的有效分辨率。

FlexRange 技术仅需一个弹性体，具有优异的精度，稳定性和分辨率，即使部分测量范围。

结论

双量程扭矩测量有多种实现可能，但是往往在小量程下精度损失很大。带有 多个弹性体的双量程传感器无法满足动态测量的要求。

电子双量程传感器仅有一个弹性体，通过 信号放大的形式 来完成，但同时也放大了噪声，滞后，寄生负载，温度对零点的影响 TC0，大大增加了测量的不确定性。

通过 T12HP 扭矩传感器灵活量程技术，可以最小化这些影响。传感器结合了数字信号滤波和缩放功能，具有极高的基础精度和分辨率。其线性误差何滞后误差，温度对零点的影响 TC0 仅有0.007 % 或 0.005 %/10K。

这样 HBM T12HP 扭矩传感器在 第二个量程不再需要放大器。其优异的机械特性在完整测量范围内都提供极高的精度。其不仅适合高精度效率测量，同样适合带有不同测量范围的高动态扭矩测量，例如发动机运行或牵引试验，制动试验等。