AUTOMATION / CONTROL Ten top torque tips


Driveshafts deliver power as a rotary force, and in most applications there is a need to know the amount of power in the system. But getting measurements from a turning shaft requires some engineering ingenuity, so here Tony Ingham from Sensor Technology in Banbury runs through the basics.


1. Torque is a turning force and, because every material from which a driveshaft can be made has a degree of elasticity, it is also a twisting force that deforms the shaft in the direction of rotation.


2. Probably the most common way to measure torque in a turning shaft is to glue strain gauges onto it. A strain gauge is effectively a zig-zag of wire encapsulated in a flexible substrate for protection.


3. In fact, it is normal practise to use not one, but four strain gauges spaced along the shaft. All are at 45deg to the direction of rotation, two to the left and two to the right. These are then connected into a Wheatstone bridge configuration, which produces an electrical output that is linearly


proportional to the torque in the shaft as it rotates.


4. We now come onto the elephant in the room. How do we connect the stationary parts of the circuit to the spinning Wheatstone bridge? One answer is slip rings – collars mounted onto and standing proud of the shaft, which contacts static brushes.


5. An alternative to the slip ring is the rotary transformer, sometimes called an inductive loop. This consists of two adjacent electrical coils – one static the other rotating with the driveshaft.


6. The next development on a torque sensor is the type that is based on radio telemetry. These operate on the internationally licence-free 2.4GHz frequency band and are based on the concept of mounting a receiver pickup so that it can communicate with the strain gauges.


7. Perhaps the ultimate type of torque sensor is that based on the detection of Rayleigh waves or surface acoustic waves (SAWs). These are non-contact and use piezoelectric strain gauges. In


a SAW sensor, the surface waves are produced by passing an alternating voltage across the terminals of two interleaved comb-shaped arrays, laid onto one end of a piezoelectric substrate.


8. Selection of the type of torque transducer will be based on many considerations including: the working environment, the expected length of operation, the rotational speed of the driveshaft, mechanical connection options and costs.


9. Positioning a torque sensor can be a complicated decision if a true reading is to be obtained. Inaccuracies can creep in due to the effects of adjoining elements in the drive train, the damping effect of the driveshaft’s own end couplings and drag caused by contact-type sensors.


10. The final piece of advice is that expert help is usually available through the company supplying your torque sensor.


Email: info@sensors.co.uk Web: www.sensors.co.uk


Enquiry No. 14 Zehn wichtige Tipps zum Drehmoment


Antriebswellen liefern Leistung in Form einer Drehkraft, und bei den meisten Anwendungen ist es erforderlich, die Höhe der Leistung im System zu kennen. Um Messungen an einer sich drehenden Welle vorzunehmen, ist jedoch etwas technischer Einfallsreichtum erforderlich. Tony Ingham von Sensor Technology in Banbury erläutert hier die Grundlagen.


1. Das Drehmoment ist eine Drehkraft, und da jedes Material, aus dem eine Antriebswelle hergestellt werden kann, eine gewisse Elastizität aufweist, wird die Welle in der Drehrichtung durch eine Torsionskraft verformt.


2. Die wohl gebräuchlichste Methode zur Messung des Drehmoments an einer sich drehenden Welle ist das Aufkleben von Dehnungsmessstreifen. Ein Dehnungsmessstreifen ist mehr oder weniger ein Zickzackdraht, der zum Schutz in ein flexibles Substrat eingekapselt ist.


3. Normalerweise wird nicht nur einer, sondern vier Dehnungsmessstreifen verwendet, die entlang der Welle verteilt und im 45-Grad-Winkel zur Drehrichtung angeordnet sind (d. h. zwei links und zwei rechts). Diese werden dann in eine Wheatstonesche Brückenschaltung eingebunden, die ein elektrisches Ausgangssignal erzeugt, das linear proportional zum Drehmoment der sich drehenden Welle ist.


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4. Damit kommen wir zum Kern der Sache. Wie verbindet man die stationären Teile der Schaltung mit der sich drehenden Wheatstone- Brücke? Eine Lösung sind Schleifringe – d. h. auf der Welle montierte und überstehende Manschetten, die statische Bürsten berühren.


5. Eine Alternative zum Schleifring ist der Drehtransformator, auch Induktionsschleife genannt. Er besteht aus zwei nebeneinander liegenden elektrischen Spulen, von denen eine statisch ist und die andere mit der Antriebswelle rotiert.


6. Die nächste Stufe des


Drehmomentsensors ist ein Sensor, der auf Basis von Funktelemetrie funktioniert. Diese Art Sensor arbeitet auf dem international lizenzfreien 2,4-GHz-Frequenzband und basiert darauf, dass eine Empfängereinheit so montiert wird, dass sie mit den


Dehnungsmessstreifen kommunizieren kann.


7. Die vielleicht beste Art


Drehmomentsensor ist die, die auf der Erfassung von Rayleigh-Wellen oder akustischen Oberflächenwellen (OFW) beruht. Diese sind kontaktlos und verwenden piezoelektrische Dehnungsmessstreifen. Bei einem OFW-Sensor werden die Oberflächenwellen durch das Anlegen einer Wechselspannung an


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die Klemmen von zwei ineinandergreifenden


kammförmigen Arrays erzeugt, die auf einem Ende eines piezoelektrischen Substrats angebracht sind.


8. Welche Art Drehmomentsensor genutzt werden sollte, hängt von vielen Überlegungen ab, unter anderem von der Arbeitsumgebung, der erwarteten Betriebsdauer, der Drehzahl der Antriebswelle, den mechanischen


Anschlussmöglichkeiten und den Kosten.


9. Auch die Positionierung eines Drehmomentsensors kann eine komplizierte Entscheidung sein, wenn man einen genauen Messwert erhalten will. Ungenauigkeiten können sich durch die Auswirkungen angrenzender Elemente im Antriebsstrang, die


Dämpfungswirkung der eigenen Endkupplungen der Antriebswelle und den durch berührende Sensoren verursachten Widerstand einschleichen.


10. Der letzte Tipp ist, dass das Unternehmen, das Ihren


E-Mail: info@sensors.co.uk Web: www.sensors.co.uk


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Drehmomentsensor geliefert hat, in der Regel auch fachkundige Hilfe anbietet.


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