扭矩傳感器:對機械部件上扭轉力矩感知的檢測儀器-中文百科頻道

兩類傳感器

非接觸式扭矩傳感器

非接觸式扭矩傳感器輸入軸和輸出軸由扭杆連接起來，輸入軸上有花鍵，輸出軸上有鍵槽。當扭杆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杆的扭轉量，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号。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，已經廣泛用于轎車領域。

應變片扭矩傳感器

應變片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，當彈性軸受扭矩産生微小變形後引起電橋電阻值變化，應變電橋電阻的變化轉變為電信号的變化從而實現扭矩測量。傳感器就完成如下的信息轉換；傳感器由彈性軸、測量電橋、儀器用放大器、接口電路組成。

高性能

高性能無線扭矩傳感器将傳感器與無線通信技術結合在一起，實現了數據的無線傳輸。扭矩電信号由單片機控制的信号處理電路進行放大、A/D轉換之後，編碼器将采集到的數字量編碼傳送給發射模塊進行發送。接收模塊接收到數據後，解碼器将譯出的數據傳送給單片機，由LED顯示得到的扭矩數據值。

傳感器數據采集發射電路由扭矩傳感器、信号處理部分、單片機和無線發射電路組成。扭矩傳感器将電阻應變片産生的應變電信号傳送到信号處理電路。信号處理部分對傳感器模拟信号提取放大，并進行模/數轉換。微處理器負責控制系統各部分器件的工作，并對數字信号進行處理。無線發射電路在微處理器的控制下，由編碼器将采集到的信息數據進行相應的編碼和處理，并用發射模塊發射出。實現無線傳輸。

電子式

電子式扭矩儀是一種針對風機、水泵試驗及現場能效評測的便攜式高性能軸功率測量儀器。電子式扭矩儀創造性的摒棄了傳統機電式扭矩傳感器繁瑣、複雜、在很多現場環境下不易實現的安裝過程，實現了風機、水泵電機效率的實時測量，監測風機、水泵電機在使用過程中各環節的運行狀态，對研究風機、水泵電機的使用狀态提供了實時、真實、可靠的數據；避免了因機電式扭矩傳感器安裝不當對試驗結果造成的影響。

電子式扭矩儀能完全取代傳統扭矩傳感器的軸功率測量功能，并且能獲取風機、水泵電機的實時效率，為風機、水泵機組節能提供了嚴謹、科學評測手段。

基本内容

量程計算

扭矩傳感器的計算公式一般是這樣的，M=9550×P/N，其中M是扭矩，單位是N.m；P是電機功率，單位是KW；N是轉速，單位是r/min。這就是扭矩傳感器量程的計算公式。

主要功能及性能指标

扭矩示值誤差：＜±0.5%F·S靈敏度：1±0.2mv/V

非線性：＜±0.25%F·S重複性：＜±0.2%F·S

回差：＜0.2%F·S零飄（24小時）：＜0.5%F·S

零點溫飄：＜0.5%F·S/10℃輸出阻抗：1KΩ±3Ω

絕緣阻抗：>500MΩ靜态超載：120%

斷裂負載：200%使用溫度：0～60℃

儲存溫度：－20～70℃電源電壓：+15V±5%,-15V±5%

總消耗電流：＜130mA頻率信号輸出：5KHz—15KHz

負額定扭矩：5KHz±10Hz零扭矩：10KHz±10Hz

正額定扭矩：15KHz±10Hz信号占空比：（50±10）%

安裝步驟

1.根據軸的連接形式和扭矩傳感器的長度，确定原動機和負載之間的距離，調節原動機和負載的軸線相對于基準面的距離，使它們的軸線的同軸度小于Φ0.03mm,固定原動機和負載在基準面上。

2.将聯軸器分别裝入各自軸上。

3.調節扭矩傳感器與基準面的距離，使它的軸線與原動機和負載的軸線的同軸度小于Φ0.03mm，固定扭矩傳感器在基準面上。

4.緊固聯軸器，安裝完成。

信号輸出與信号采集

1、扭矩信号輸出基本形式：

•方波信号、脈沖信号。

•可根據用戶需要制成電壓模拟信号輸出或電流模拟信号輸出（單向、靜止扭矩測量）。

2、扭矩信号處理形式：

•扭矩傳感器輸出的頻率信号送到頻率計或數字表，直接讀取與扭矩成正比的頻率信号或電壓、電流信号。

•扭矩傳感器的扭矩與頻率信号送給單片機二次儀表，直接顯示實時扭矩值、轉速及輸出功率值及RS232通訊信号。

•直接将扭矩與轉速的頻率信号送給計算機或PLD進行處理。

維護與保養

1.每隔一年應給扭矩傳感器兩端軸承加潤滑脂。加潤滑脂時，僅将兩端軸承蓋打開，将潤滑脂加入軸承，然後裝上兩端蓋。

2.應儲存在幹燥、無腐蝕、室溫為-20℃——70℃的環境裡。

注意事項

1.安裝時，不能帶電操作，切莫直接敲打、碰撞傳感器。

2.聯軸器的緊固螺栓應擰緊,聯軸器的外面應加防護罩，避免人身傷害。

3.信号線輸出不得對地,對電源短路,輸出電流不大于10mA•屏蔽電纜線的屏蔽層必須與+15V電源的公共端（電源地）連接。

安裝使用

1、使用環境：扭矩傳感器應安裝在環境溫度為0℃～60℃，相對濕度小于90%，無易燃、易爆品的環境裡。不宜安裝在強電磁幹擾的環境中。

2、連接方式：扭矩傳感器與動力設備、負載設備之間的連接

（1）彈性柱銷聯軸器連接如圖13所示，此種連接方式結構簡單，加工容易，維護方便。能夠微量補償安裝誤差造成的軸的相對偏移，同時能起到輕微減振的作用。适用于中等載荷、起動頻繁的高低速運轉場合，工作溫度為-20-70℃。

（2）剛性聯軸器連接如圖14所示，這種連接形式結構簡單，成本低，無補償性能，不能緩沖減振，對兩軸的安裝精度較高。用于振動很小的工況條件。

3、安裝要求：

（1）扭矩傳感器可水平安裝，也可垂直安裝。

（2）如圖11、12所示，動力設備、傳感器、負載設備應安裝在穩固的基礎上，以避免過大的震動，否則可能發生數據不穩，降低測量精度，甚至損壞傳感器。

（3）采用彈性柱銷聯軸器或剛性聯軸器連接。

（4）動力設備、傳感器、負載設備軸線的同心度應小于Φ0.05mm。

工作過程

将專用的測扭應變片用應變膠粘貼在被測彈性軸上并組成應變橋,向應變橋提供電源即可測得該彈性軸受扭的電信号。将該應變信号放大後，經過壓/頻轉換，變成與扭應變成正比的頻率信号。本系統的能源輸入及信号輸出是由兩組帶間隙的特殊環型變壓器承擔的。因此實現了無接觸的能源及信号傳遞功能。

向傳感器提供±15V電源，激磁電路中的晶體振蕩器産生400Hz的方波，經過TDA2030功率放大器即産生交流激磁功率電源，通過能源環形變壓器T1從靜止的初級線圈傳遞至旋轉的次級線圈，得到的交流電源通過軸上的整流濾波電路得到±5V的直流電源，該電源做運算放大器AD822的工作電源；由基準電源AD589與雙運放AD822組成的高精度穩壓電源産生±4.5V的精密直流電源，該電源既作為電橋電源，又作為放大器及V/F轉換器的工作電源。

當彈性軸受扭時，應變橋檢測得到的mV級的應變信号通過儀表放大器AD620放大成1.5v±1v的強信号，再通過V/F轉換器LM131變換成頻率信号，通過信号環形變壓器T2從旋轉的初級線圈傳遞至靜止次級線圈，再經過傳感器外殼上的信号處理電路濾波、整形即可得到與彈性軸承受的扭矩成正比的頻率信号，該信号為TTL電平,既可提供給專用二次儀表或頻率計顯示也可直接送計算機處理。

由于該旋轉變壓器動--靜環之間隻有零點幾毫米的間隙，加之傳感器軸上部分都密封在金屬外殼之内，形成有效的屏蔽，因此具有很強的抗幹擾能力。

傳感器輸出的頻率信号在零點時為10kHz.正向旋轉滿量程時為15KHz.反向旋轉滿量程時為5KHz。即滿量程變量為5000個數/每秒。轉速測量采用光電齒輪或者磁電齒輪的測量方法，軸每旋轉一周可産生60個脈沖，高速或中速采樣時可以用測頻的方法，低速采樣時可以用測周期的方法。本傳感器精度可達±0.2%～±0.5%（F·S）。由于傳感器輸出為頻率信号，所以無需AD轉換即可直接送至計算機進行數據處理。

發展趨勢

随着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更高的要求。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、虛拟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、自适應、自診斷、遠程設定、狀态組合、信息存儲和記憶；

3、向着小型化、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、由靜态測試向動态在線檢測方向發展。

應用實例

汽車上的扭矩傳感器通過檢查扭轉杆的扭轉變形，并将其轉換為電子信号傳遞給蓄電池下方的電動助力轉向系統。傳感器由分相器單元1和2及扭轉杆組成，傳感器1位于轉向主軸，傳感器2位于小齒輪軸，其扭轉杆轉動後使2個分相器單元産生一個相對角度，并轉換電壓信号傳遞給電動助力轉向系統，電動助力轉向系統根據這兩個單元的相對位置決定對EPS轉向機電機提供相應的工作電壓，當然這個上面也使用到了角度傳感器。

電動助力轉向系統僅在需要轉向時才啟動電機産生助力,能減少發動機燃油消耗；能在各種行駛工況下提供最佳助力，減小由路面不平所引起電動機的輸出轉矩通過傳動裝置的作用而助力向系的擾動，改善汽車的轉向特性,提高汽車的主動安全性；沒有液壓回路,調整和檢測更容易,裝配自動化程度更高,且可通過設置不同的程序，快速與不同車型匹配,縮短生産和開發周期；不存在漏油問題,減小對環境的污染。

電動助力轉向系統主要是通過扭矩傳感器的配合，通過扭矩傳感器探測司機在轉向操作時方向盤産生的扭矩或轉角的大小和方向，并将所需信息轉化成數字信号輸入控制單元,再由控制單元對這些信号進行運算後得到一個與行駛工況相适應的力矩,最後發出指令驅動電動機工作，電動機的輸出轉矩通過傳動裝置的作用而助力。

不難看出扭矩傳感器是相當的重要。汽車上扭矩傳感器的損壞會直接導緻汽車在行駛過程中失去轉向助力功能，使得轉向失靈變得僵硬。這樣扭矩傳感器在汽車安全問題上是很重要的，扭矩傳感器的好壞會直接決定駕車的安全系數。