扭矩傳感器原理與應用知識

一、扭矩傳感器的應用范圍

扭矩傳感器是一種測量各種扭矩、轉速及機械功率的精密測量儀器。應用范圍十分廣泛，主要用于：

1、電動機、發動機、內燃機等旋轉動力設備輸出扭矩及功率的檢測；

2、風機、水泵、齒輪箱、扭力板手的扭矩及功率的檢測；

3、鐵路機車、汽車、拖拉機、飛機、船舶、礦山機械中的扭矩及功率的檢測；

4、可用于污水處理系統中的扭矩及功率的檢測；

5、可用于制造粘度計；

6、可用于過程工業和流程工業中。

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、金屬電阻應變片的扭矩傳感器、非接觸式扭矩傳感器等，隨技術的進步將會有精度更高、成本更低的傳感器出現。

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。其中扭桿式測量結構簡單、可靠性能相對比較高，在早期應用比較多。

扭桿式扭矩傳感器主要由扭桿彈簧、轉角-位移變換器、電位計組成。扭桿彈簧主要作用是檢測司機作用在方向盤上的扭矩，并將其轉化成相應的轉角值。轉角-位移變換器是一對螺旋機構，將扭桿彈簧兩端的相對轉角轉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，當輸入軸相對于輸出軸轉動時，滑塊按照輸入軸的旋轉方向和相對于輸出軸的旋轉量，垂直移動。當轉動方向盤的時候，鈕矩被傳遞到扭力桿，輸入軸相對于輸出軸方向出現偏差。該偏差是滑塊出現移動，這些軸方向的移動轉化為電位計的杠桿旋轉角度，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化為電壓。這樣扭矩信號就轉化為了電壓信號。

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

2、金屬電阻應變片的扭矩傳感器

傳感器扭矩測量采用應變電測技術。在彈性軸上粘貼應變計組成測量電橋，當彈性軸受扭矩產生微小變形后引起電橋電阻值變化，應變電橋電阻的變化轉變為電信號的變化從而實現扭矩測量。

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度的方向上產生最大壓應力和拉應力，這個時候承受的主應力和剪應力相等。

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

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，必須使靈敏度系數為常數。

在金屬電阻應變片的扭矩傳感器中，需要解決的技術關鍵是：

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

（2）采用LM型硅擴散力敏全橋應變片，較好的敏感性，很小的非線形度。

（3）采用高精度的穩壓電源。

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。當扭桿受方向盤的轉動力矩作用發生扭轉時，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。花鍵和鍵槽的相對位移改變量等于扭轉桿的扭轉量，使得花鍵上的磁感強度改變，磁感強度的變化，通過線圈轉化為電壓信號。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、受軸的偏轉和軸向偏移的影響更小，現已成為廣泛應用的主流產品。

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生的高精度，高穩定的時鐘信號。以這個時鐘信號為基準，巧妙運用數字信號處理技術就能精確地測出所承受的扭矩。

三、扭矩傳感器的發展趨勢

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

1、測試系統向微型化!數字化、智能化、虛擬化和網絡化方向發展；

2、從單功能向多功能發展，包括自補償、自修正、自適應、自診斷、遠程設定、狀態組合、信息存儲和記憶；

3、向著小型化、集成化方向發展。傳感器的檢測部分可以通過結構的合理設計和優化來實現小型化，IC部分可以整合盡可能多的半導體部件、電阻到一個單獨的IC部件上，減少外部部件的數量。

4、由靜態測試向動態在線檢測方向發展。