扭矩传感器

1. 概述

扭矩又叫转矩，是反映转动设备输出力的大小的重要参数。扭矩在物理学中用下面的公式计算。

P=

MN

9550其中：P表示转动设备的输出功率，单位千瓦（k W）；M表示转动设备的输出扭矩，单位牛米（N·m）；N表示转动设备的转速，单位转/分钟（r/min）。从公式可以看出，扭矩是一个与功率和转速相关的物理量，它反映了转动设备输出功率和转速的比值关系。如果知道了转动设备的输出功率和转动速度，就可以利用公式计算出转动设备的扭矩。但实际生产中，功率的测量是不容易的，而扭矩可以利用较简单的装置把扭矩转化为力和磁的测量，对于力和磁这两个物理量的检测，我们有许多成熟工具，这样扭矩的测量就变得相对简单了。

2. 常见的扭矩传感器分类

常见的扭矩传感器包括电阻应变式、磁电相位差式、光电式、磁弹性式、振弦式等，其特点和应用如下表所示。 扭矩传感器类型 特点 应用 … 电阻应变式 结构简单，价格低廉，体积小，重量轻，安装使用方便，在超大量程转矩测量方面可靠性较好，技术风险低 非接触测量，具有测量精度高、操作简便、稳定性好、测量范围广等优点，扭矩值数字直读，不能吸收功率，应用时保证原动机与一定的额外负载连接；体积较大，不易安装，低速性能不理想，易受干扰 非接触式测量，但光源必须要求稳压供电；惯性质量小，能承受高速旋转，高频响应好，抗过载能力、抗干扰能力强，高精度，高分辨率 非接触、不介入测量，具有可靠性高、坚固耐用、输出电压高、对温度和干扰不敏感 不介入式扭矩传感器采用频率信号传递方式，抗干扰性能好 应用广泛，即可以应用于实验室，也可用于环境条件复杂的现场测量 磁电相位差式 广泛应用于电机、水泵、减压泵、风机、齿轮箱等各种旋转机械的扭矩、转速及功率测量和各种发动机台架的实验等 光电式 应用于高精度伺服系统的扭矩在线测量 要求转轴是铁磁性材料，材质均匀、磁致伸缩逆效应强 适合于电磁干扰较强的应用场合 磁弹性式 | 振弦式 3. 几种常见的扭矩传感器原理

（1）电磁齿栅式转矩传感器

电磁齿（栅）式转矩传感器的基本原理是通过磁电转换，把被测转矩转换成具有相位差的两路电信号，而这两路电信号的相位差的变化量与被测转矩的大小成正比。经定标并显示，即可得到转矩值。齿（栅）式传感器的工作原理如图1所示。

图 1电磁式转矩传感器原理图

电磁式转矩传感器在弹性轴两端安装有两只齿轮，在齿轮上方分别有两条磁钢，磁钢上各绕有一组信号线圈。当弹性轴转动时，由于磁钢与齿轮间气隙磁导的变化，信号线圈中分别感应出两个电势。再外加转矩为零时，这两个电势有一个恒定的初始相位差，这个初始相位差只与两只齿轮在轴上安装的相对位置有关。在外加转矩时，弹性轴产生扭转变形，在弹性变形范围内，其扭角与外加转矩成正比。在扭角变化的同时，两个电势的相位差发生相应的变化，这一相位差变化的绝对值与外加转矩的大小成正比。由于这一个电势的频率与转速及齿数的乘积成正比，因为齿数为固定值，所以这个电势的频率与转速成正比。在时间域内，感应信号S1，S2是准正弦信号，每一交变周期的时间历程随转速而变化，测出他们之间的相差∆Φ即可得到扭矩值。由材料力学可知：

∆Φ=

32𝐿𝐿𝐿𝐿4𝐿

式中∆Φ——弹性轴的扭转角； ,

T——转矩；

G——弹性轴材料的剪切弹性模量； d——弹性轴直径； L——弹性轴工作长度。 其中，L、d、G都是常数，令

𝐿𝐿𝐿4K=

32𝐿则有

T=K∗∆Φ

因此，扭矩的测量就转换成相位差的测量。而S1、S2是准正弦信号，其相位的测量需要用高频脉冲插补法，即用一组高频脉冲来内插进被测信号，然后对高频脉冲计数。

（2）数字式转矩传感器

应变式数字扭矩传感器的测量原理是：运用敏感元件（精密电阻应变片）组成的应变电桥附着在弹性应变轴上，可以检测出该弹性轴受扭时毫伏级应变信号；将该应变信号放大后，经过压-频转换，变换成与扭应变成正比的频率信号；传感器系统的能源输入及信号输出是由两组带间隙的特殊环形变压器所承担，因此实现了无接触的能源及信号传递功能。这类扭矩传感器的不足之处时测量之前需要预热来平衡电桥。其原理如图2所示。

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图 2应变扭矩传感器原理图（虚线内为旋转部分）

其中，应变电桥部分如图3所示，在相对轴中心线45º方向上贴上两片电阻应变片，在轴的另一侧对称贴上另外两片应变电阻。当力矩加在旋转轴上时，由4只应变片分别检测压缩和拉伸力，扭矩的变化转化为电阻阻值的变化并反映在电桥上。

图 3应变片电桥

通过推导可得扭矩频率关系式：

T=𝐿0𝐿1𝐿

式中，T为扭矩，𝐿0为与应变电桥和弹性轴参数相关的常量，𝐿1为压频转换系数，𝐿为扭振频率。

（3）压磁式扭矩仪

压磁式扭矩仪又称磁弹式扭矩仪，图4为磁弹式扭矩传感器的结构示意图。

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图 4磁弹式扭矩传感器

1—转轴（铁磁材料）；2—铁芯；3—线圈

图4中，轴1由强磁性材料制成，通过联轴节与动力机和负载相连；联轴节由非磁性材料制造，具有隔磁作用；将轴1置于线圈绕组3中，线圈所形成的磁通路经轴1，靠铁芯2封闭。测量时，线圈3通入激励电流，轴1在轴向被线圈3磁化。根据磁弹效应，受扭矩作用的轴的导磁性也要发生相应变化，即磁导率发生变化，从而引起线圈的感抗变化，测量电路测量感抗的变化即可确定扭矩。

（4）电容式扭矩测量仪

电容式扭矩测量仪是利用机械结构，将轴受扭矩作用后的两端面相对转角变化变换成电容器两极板之间相对有效面积的变化，以引起电容量的变化来测量扭矩。图5为传感器结构示意图。

图 5电容式扭矩传感器结构示意图

1—弹性转轴；2—轴套；3、6—绝缘板；4、5—开孔金属圆盘；

7—套管；8、9—金属圆盘；10—壳体

当弹性轴1传递扭矩时，靠轴套2、套管7固定在轴两端的开孔金属圆盘4、5产生相对转角变化。靠近圆盘4和5的两侧有两块金属圆盘8、9，通过绝缘板3和6固定在壳体上，以构成电容器。其中，金属圆盘8是信号输入板，它与高频信号电源相接；金属圆盘9是信号接收板，信号经高增益放大器后，输出电信号。壳体接地，开孔金属圆盘4、5经过轴和轴上的轴承接地。

金属圆盘8、9之间电容量的大小，取决于它们之间的距离以及开孔金属圆

盘4、5所组成扇形孔的大小。当轴承受扭矩时，开孔金属圆盘4、5产生相对角位移和窗孔尺寸变化，使得金属圆盘8、9之间的电容发生相应变化，使输出信号与开孔金属圆盘4、5之间的角位移成比例，角位移与轴1所承受的扭矩成比例。