扭矩传感器的工作原理是利用物体的扭转形变与所受扭矩大小成正比的关系，通过测量特定的物理量（如应变、角度差、磁特性变化等）来间接计算出扭矩值。以下是几种主流技术的原理详解：

一、应变式（最常用）

• 核心元件： 弹性测量轴 + 应变片
• 原理：
  1. 施加扭矩： 当扭矩作用在弹性测量轴上时，轴会产生微小的扭转形变。
  2. 应变产生： 这种形变会导致轴的表面材料产生拉伸或压缩的应变。
  3. 电阻变化： 贴在轴表面的高精度电阻应变片（通常排列成惠斯通电桥）会随之发生电阻变化。
  4. 电信号转换： 电桥的输出电压会成比例变化，将这个微弱的模拟电压信号放大和处理。
  5. 扭矩计算： 通过标定系数，即可将测得的电压信号转换成对应的扭矩数值。
• 优点： 精度高、响应快、适用于静态和动态测量。
• 应用： 发动机/电机台架测试、工业生产线（拧紧枪、螺丝机）、材料试验机等。

二、相位差式（常用于旋转轴）

• 核心元件： 两组齿盘 + 电磁/光电传感器
• 原理：
  1. 安装位置： 在弹性测量轴的两端固定两组齿数相同的齿盘（或开槽盘）。
  2. 无扭矩状态： 轴不受扭时，两传感器信号同相位。
  3. 施加扭矩： 扭矩使轴发生扭转，两端齿盘产生相对角度偏移（扭角）。
  4. 相位差产生： 两传感器的输出信号之间出现与扭角成正比的相位差。
  5. 扭矩计算： 测量这个相位差的大小（或脉冲信号的时间差），即可计算出扭矩。
• 优点： 非接触式测量、无摩擦干扰、适合高速旋转轴。
• 应用： 汽车传动轴、船舶推进轴、旋转机械功率测试等。

三、磁弹性式（利用磁特性变化）

• 核心元件： 特种铁磁材料轴 + 励磁线圈 + 检测线圈
• 原理：
  1. 施加扭矩： 扭矩导致磁弹性材料内部发生晶格应变。
  2. 磁导率变化： 材料的磁导率（导磁能力）会因应变而发生各向异性变化。
  3. 磁场改变： 励磁线圈产生磁场，磁场在材料中的分布受到磁导率变化的调制。
  4. 感应电压： 检测线圈会感应到变化的磁场，产生与扭矩相关的电压信号。
• 优点： 结构坚固、过载能力强、无磨损部件。
• 应用： 重型机械、工业自动化控制（如起重机、轧钢机）。

总结关键步骤

1. 物理转换： 将扭矩（力学量）转换为可测量的物理变化（应变、角度差、磁特性变化）。
2. 传感转换： 通过传感器（应变片、电磁探头、光学探头）将物理变化转换为电信号（电压、频率、相位差）。
3. 信号处理： 放大、滤波、数字化等处理，提高信号质量和抗干扰能力。
4. 算法与标定： 利用预设的数学模型和校准系数（标定参数），将处理后的电信号精确计算为扭矩值（单位：Nm或lb-ft）。

形象理解

想象一根可轻微扭转的弹簧钢轴（弹性体）。当你用手拧螺丝刀时：

• 手指感受到的阻力（扭矩）越大 → 弹簧钢轴扭转变形越明显 → 贴在轴上的应变片电阻变化越大 → 输出电信号越强 → 仪器显示的扭矩值越高。

不同原理只是实现“感受扭转形变”的方式各异（应变片、激光测角、磁场感应等），但核心都是通过测量扭转变形程度来反推扭矩大小。