扭矩傳感器原理與應(yīng)用知識

一、扭矩傳感器的應(yīng)用范圍

扭矩傳感器是一種測量各種扭矩、轉(zhuǎn)速及機(jī)械功率的精密測量儀器。應(yīng)用范圍十分廣泛，主要用于：

1、電動機(jī)、發(fā)動機(jī)、內(nèi)燃機(jī)等旋轉(zhuǎn)動力設(shè)備輸出扭矩及功率的檢測；

2、風(fēng)機(jī)、水泵、齒輪箱、扭力板手的扭矩及功率的檢測；

3、鐵路機(jī)車、汽車、拖拉機(jī)、飛機(jī)、船舶、礦山機(jī)械中的扭矩及功率的檢測；

4、可用于污水處理系統(tǒng)中的扭矩及功率的檢測；

5、可用于制造粘度計；

6、可用于過程工業(yè)和流程工業(yè)中。

二、扭矩傳感器的種類

扭矩傳感器的種類有很多，主要有電位計式扭矩傳感器、金屬電阻應(yīng)變片的扭矩傳感器、非接觸式扭矩傳感器等，隨技術(shù)的進(jìn)步將會有精度更高、成本更低的傳感器出現(xiàn)。

1、電位計式扭矩傳感器

電位計式扭矩傳感器主要可以分為旋臂式、雙級行星齒輪式、扭桿式。其中扭桿式測量結(jié)構(gòu)簡單、可靠性能相對比較高，在早期應(yīng)用比較多。

扭桿式扭矩傳感器主要由扭桿彈簧、轉(zhuǎn)角-位移變換器、電位計組成。扭桿彈簧主要作用是檢測司機(jī)作用在方向盤上的扭矩，并將其轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的轉(zhuǎn)角值。轉(zhuǎn)角-位移變換器是一對螺旋機(jī)構(gòu)，將扭桿彈簧兩端的相對轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)化為滑動套的軸向位移，由剛球、螺旋槽和滑塊組成。滑塊相對于輸入軸可以在螺旋方向上移動，同時滑塊通過一個銷安裝到輸出軸上，可以相對于輸出軸在垂直方向上移動。因此，當(dāng)輸入軸相對于輸出軸轉(zhuǎn)動時，滑塊按照輸入軸的旋轉(zhuǎn)方向和相對于輸出軸的旋轉(zhuǎn)量，垂直移動。當(dāng)轉(zhuǎn)動方向盤的時候，鈕矩被傳遞到扭力桿，輸入軸相對于輸出軸方向出現(xiàn)偏差。該偏差是滑塊出現(xiàn)移動，這些軸方向的移動轉(zhuǎn)化為電位計的杠桿旋轉(zhuǎn)角度，滑動觸點在電阻線上的移動使電位計的電阻值隨之變化，電阻的變化通過電位計轉(zhuǎn)化為電壓。這樣扭矩信號就轉(zhuǎn)化為了電壓信號。

扭桿式扭矩傳感器在早期應(yīng)用比較多，但由于是接觸式的，工作時產(chǎn)生的摩擦使其易磨損，影響其精度，將會被逐步淘汰。

2、金屬電阻應(yīng)變片的扭矩傳感器

傳感器扭矩測量采用應(yīng)變電測技術(shù)。在彈性軸上粘貼應(yīng)變計組成測量電橋，當(dāng)彈性軸受扭矩產(chǎn)生微小變形后引起電橋電阻值變化，應(yīng)變電橋電阻的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕淖兓瘡亩鴮崿F(xiàn)扭矩測量。

傳感器由彈性軸、測量電橋、儀器用放大器、接口電路組成。彈性軸是敏感元件，在45度和135度的方向上產(chǎn)生最大壓應(yīng)力和拉應(yīng)力，這個時候承受的主應(yīng)力和剪應(yīng)力相等。

測量電橋可以采用半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片，并將它們接成差動全橋，其輸出電壓正比于扭轉(zhuǎn)軸所受的扭矩。

放大電路采用儀器用放大電路，它由專用儀器用放大電路構(gòu)成，也有三只單運放電路組合而成，為了使一起具有高精度，必須使靈敏度系數(shù)為常數(shù)。

在金屬電阻應(yīng)變片的扭矩傳感器中，需要解決的技術(shù)關(guān)鍵是：

（1）彈性軸的工作區(qū)域不應(yīng)該大于彈性區(qū)域的1/3，且取初始段。為了將遲滯誤差減低到最底，按照超載能力指數(shù)選取最大的軸徑。

（2）采用LM型硅擴(kuò)散力敏全橋應(yīng)變片，較好的敏感性，很小的非線形度。

（3）采用高精度的穩(wěn)壓電源。

3、非接觸式扭矩傳感器

輸入軸和輸出軸由扭桿連接起來，輸入軸上有花鍵，輸出軸上有鍵槽。當(dāng)扭桿受方向盤的轉(zhuǎn)動力矩作用發(fā)生扭轉(zhuǎn)時，輸入軸上的花鍵和輸出軸上鍵槽之間的相對位置就被改變了?；ㄦI和鍵槽的相對位移改變量等于扭轉(zhuǎn)桿的扭轉(zhuǎn)量，使得花鍵上的磁感強(qiáng)度改變，磁感強(qiáng)度的變化，通過線圈轉(zhuǎn)化為電壓信號。信號的高頻部分由檢測電路濾波，僅有扭矩信號部分被放大。非接觸扭矩傳感器由于采用的是非接觸的工作方式，因而壽命長、可靠性高，不易受到磨損、有更小的延時、受軸的偏轉(zhuǎn)和軸向偏移的影響更小，現(xiàn)已成為廣泛應(yīng)用的主流產(chǎn)品。

4、其它扭矩傳感器

相位差傳感方式來檢測扭矩的扭矩傳感器，這種傳感器具有高精度，高重復(fù)性的特點。其測量原理為：在受扭軸的兩端各安上一個齒輪，對著齒面再各裝一個電磁傳感器，從傳感器上就能感應(yīng)出兩個與動力軸非接觸的交流信號。取出其信號的相位差，在這兩個相位差之間，插入由晶體震蕩器產(chǎn)生的高精度，高穩(wěn)定的時鐘信號。以這個時鐘信號為基準(zhǔn)，巧妙運用數(shù)字信號處理技術(shù)就能精確地測出所承受的扭矩。

三、扭矩傳感器的發(fā)展趨勢

隨著自控系統(tǒng)的不斷完善和發(fā)展，對扭矩傳感器的精度、可靠性和響應(yīng)速度提出了跟高的要求。扭矩傳感器正呈現(xiàn)以下的發(fā)展趨勢：

1、測試系統(tǒng)向微型化!數(shù)字化、智能化、虛擬化和網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展；

2、從單功能向多功能發(fā)展，包括自補(bǔ)償、自修正、自適應(yīng)、自診斷、遠(yuǎn)程設(shè)定、狀態(tài)組合、信息存儲和記憶；

3、向著小型化、集成化方向發(fā)展。傳感器的檢測部分可以通過結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計和優(yōu)化來實現(xiàn)小型化，IC部分可以整合盡可能多的半導(dǎo)體部件、電阻到一個單獨的IC部件上，減少外部部件的數(shù)量。

4、由靜態(tài)測試向動態(tài)在線檢測方向發(fā)展。