扭矩传感器原理与应用知识

扭矩传感器原理与应用知识

一、扭矩传感器的应用范围

扭矩传感器是一种测量各种扭矩、转速及机械功率的精密测量仪器。应用范围十分广泛，主要用于：

1、电动机、发动机、内燃机等旋转动力设备输出扭矩及功率的检测；

2、风机、水泵、齿轮箱、扭力板手的扭矩及功率的检测；

3、铁路机车、汽车、拖拉机、飞机、船舶、矿山机械中的扭矩及功率的检测；

4、可用于污水处理系统中的扭矩及功率的检测；

5、可用于制造粘度计；

6、可用于过程工业和流程工业中。

二、扭矩传感器的种类

扭矩传感器的种类有很多，主要有电位计式扭矩传感器、金属电阻应变片的扭矩传感器、非接触式扭矩传感器等，随技术的进步将会有精度更高、成本更低的传感器出现。

1、电位计式扭矩传感器

电位计式扭矩传感器主要可以分为旋臂式、双级行星齿轮式、扭杆式。其中扭杆式测量结构简单、可靠性能相对比较高，在早期应用比较多。

扭杆式扭矩传感器主要由扭杆弹簧、转角-位移变换器、电位计组成。扭杆弹簧主要作用是检测司机作用在方向盘上的扭矩，并将其转化成相应的转角值。转角-位移变换器是一对螺旋机构，将扭杆弹簧两端的相对转角转化为滑动套的轴向位移，由刚球、螺旋槽和滑块组成。滑块相对于输入轴可以在螺旋方向上移动，同时滑块通过一个销安装到输出轴上，可以相对于输出轴在垂直方向上移动。因此，当输入轴相对于输出轴转动时，滑块按照输入轴的旋转方向和相对于输出轴的旋转量，垂直移动。当转动方向盘的时候，钮矩被传递到扭力杆，输入轴相对于输出轴方向出现偏差。该偏差是滑块出现移动，这些轴方向的移动转化为电位计的杠杆旋转角度，滑动触点在电阻线上的移动使电位计的电阻值随之变化，电阻的变化通过电位计转化为电压。这样扭矩信号就转化为了电压信号。

扭杆式扭矩传感器在早期应用比较多，但由于是接触式的，工作时产生的摩擦使其易磨损，影响其精度，将会被逐步淘汰。

2、金属电阻应变片的扭矩传感器

传感器扭矩测量采用应变电测技术。在弹性轴上粘贴应变计组成测量电桥，当弹性轴受扭矩产生微小变形后引起电桥电阻值变化，应变电桥电阻的变化转变为电信号的变化从而实现扭矩测量。

传感器由弹性轴、测量电桥、仪器用放大器、接口电路组成。弹性轴是敏感元件，在45度和135度的方向上产生最大压应力和拉应力，这个时候承受的主应力和剪应力相等。

测量电桥可以采用半导体电阻应变片，并将它们接成差动全桥，其输出电压正比于扭转轴所受的扭矩。

放大电路采用仪器用放大电路，它由专用仪器用放大电路构成，也有三只单运放电路组合而成，为了使一起具有高精度，必须使灵敏度系数为常数。

在金属电阻应变片的扭矩传感器中，需要解决的技术关键是：

（1）弹性轴的工作区域不应该大于弹性区域的1/3，且取初始段。为了将迟滞误差减低到最底，按照超载能力指数选取最大的轴径。

（2）采用LM型硅扩散力敏全桥应变片，较好的敏感性，很小的非线形度。

（3）采用高精度的稳压电源。

3、非接触式扭矩传感器

输入轴和输出轴由扭杆连接起来，输入轴上有花键，输出轴上有键槽。当扭杆受方向盘的转动力矩作用发生扭转时，输入轴上的花键和输出轴上键槽之间的相对位置就被改变了。花键和键槽的相对位移改变量等于扭转杆的扭转量，使得花键上的磁感强度改变，磁感强度的变化，通过线圈转化为电压信号。信号的高频部分由检测电路滤波，仅有扭矩信号部分被放大。非接触扭矩传感器由于采用的是非接触的工作方式，因而寿命长、可靠性高，不易受到磨损、有更小的延时、受轴的偏转和轴向偏移的影响更小，现已成为广泛应用的主流产品。

4、其它扭矩传感器

相位差传感方式来检测扭矩的扭矩传感器，这种传感器具有高精度，高重复性的特点。其测量原理为：在受扭轴的两端各安上一个齿轮，对着齿面再各装一个电磁传感器，从传感器上就能感应出两个与动力轴非接触的交流信号。取出其信号的相位差，在这两个相位差之间，插入由晶体震荡器产生的高精度，高稳定的时钟信号。以这个时钟信号为基准，巧妙运用数字信号处理技术就能精确地测出所承受的扭矩。

三、扭矩传感器的发展趋势

随着自控系统的不断完善和发展，对扭矩传感器的精度、可靠性和响应速度提出了跟高的要求。扭矩传感器正呈现以下的发展趋势：

1、测试系统向微型化!数字化、智能化、虚拟化和网络化方向发展；

2、从单功能向多功能发展，包括自补偿、自修正、自适应、自诊断、远程设定、状态组合、信息存储和记忆；

3、向着小型化、集成化方向发展。传感器的检测部分可以通过结构的合理设计和优化来实现小型化，IC部分可以整合尽可能多的半导体部件、电阻到一个单独的IC部件上，减少外部部件的数量。

4、由静态测试向动态在线检测方向发展。