一文了解扭力傳感器的應(yīng)用及分類

定義：

扭力傳感器，又稱扭矩傳感器、力矩傳感器、轉(zhuǎn)矩傳感器、扭矩儀。扭力傳感器是對(duì)各種旋轉(zhuǎn)或非旋轉(zhuǎn)機(jī)械部件上對(duì)扭轉(zhuǎn)力矩感知的檢測。扭矩傳感器將扭力的物理變化轉(zhuǎn)換成精確的電信號(hào)。

工作原理：

通常所說的轉(zhuǎn)矩是外力矩，如機(jī)床主軸旋轉(zhuǎn)是動(dòng)力源提供的外力矩作用的結(jié)果，而扭矩是內(nèi)力矩，主軸工作時(shí)，刀具切削力對(duì)主軸的反作用使之產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)彈性變形，可用其衡量扭矩的大小。扭矩是使物體發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)效應(yīng)或扭轉(zhuǎn)變形的力矩，等于力和力臂的乘積。

扭矩是在旋轉(zhuǎn)動(dòng)力系統(tǒng)中最頻繁涉及到的參數(shù)，為了檢測旋轉(zhuǎn)扭矩，使用較多的是扭轉(zhuǎn)角相位差式傳感器。扭轉(zhuǎn)角相位差式傳感器是在彈性軸的兩端安裝著兩組齒數(shù)、形狀及安裝角度完全相同的齒輪，在齒輪的外側(cè)各安裝著一只接近(磁或光)傳感器。當(dāng)彈性軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，這兩組傳感器就可以測量出兩組脈沖波，比較這兩組脈沖波的前后沿的相位差就可以計(jì)算出彈性軸所承受的扭矩量。

扭矩測試比較成熟的檢測手段為應(yīng)變電測技術(shù)，它具有精度高、頻響快、可靠性好、壽命長等優(yōu)點(diǎn)。 將專用的測扭應(yīng)變片用應(yīng)變膠粘貼在被測彈性軸上，并組成應(yīng)變橋，若向應(yīng)變橋提供工作電源即可測試該彈性軸受扭的電信號(hào)。這就是基本的扭矩傳感器模式。

但是在旋轉(zhuǎn)動(dòng)力傳遞系統(tǒng)中，最棘手的問題是旋轉(zhuǎn)體上的應(yīng)變橋的橋壓輸入及檢測到的應(yīng)變信號(hào)輸出如何可靠地在旋轉(zhuǎn)部分與靜止部分之間傳遞，通常的做法是用導(dǎo)電滑環(huán)來完成。 由于導(dǎo)電滑環(huán)屬于磨擦接觸，因此不可避免地存在著磨損并發(fā)熱，因而限制了旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速及導(dǎo)電滑環(huán)的使用壽命。并且由于接觸不可靠引起信號(hào)波動(dòng)，從而造成測量誤差大甚至測量不成功。

為了克服導(dǎo)電滑環(huán)的缺陷，另一個(gè)辦法就是采用無線電遙測的方法 ：將扭矩應(yīng)變信號(hào)在旋轉(zhuǎn)軸上放大并進(jìn)行V/F轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)，通過載波調(diào)制用無線電發(fā)射的方法從旋轉(zhuǎn)軸上發(fā)射至軸外，再用無線電接收的方法，就可以得到旋轉(zhuǎn)軸受扭的信號(hào)。 旋轉(zhuǎn)軸上的能源供應(yīng)是固定在旋轉(zhuǎn)軸上的電池。該方法即為遙測扭矩儀。

發(fā)展歷程：

扭矩傳感器的發(fā)展歷程大致為：光學(xué)機(jī)械變形類型、電磁感應(yīng)類型、相位差類型、應(yīng)變類型。

1856 年湯姆遜發(fā)現(xiàn)了在機(jī)械應(yīng)變作用下，金屬絲電阻會(huì)發(fā)生變化的現(xiàn)象，這奠定了電阻應(yīng)變片的研制基礎(chǔ)。

1938 年魯奇與西蒙斯制造了紙基式電阻應(yīng)變片。此后，電阻應(yīng)變片得到了快速地發(fā)展，在工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，電阻應(yīng)變片也是用于扭矩測量的一種較佳選擇。

1982 年日本福岡九州大學(xué) Sasada 等研究人員研制出了新型磁頭扭矩傳感器，利用等離子法在轉(zhuǎn)軸表面噴覆了一段磁致伸縮層，可以使整個(gè)測試裝置做的緊湊。1984 年，Sasada 等人提出了改進(jìn)方案，為了獲得較寬的動(dòng)態(tài)范圍和較好的線性度，采用了具有特定形狀的磁場各向異性的三角形或平行四邊形磁片。

1986 年 Sasada等人研究了應(yīng)用非晶薄帶的磁致伸縮逆效應(yīng)來檢測扭矩，具體的方式是在一段圓軸表面上粘貼非晶薄帶，其粘貼方向與圓軸線成 45度角，最后基于此方法成功的研制了螺線管式扭矩傳感器。

1992 年王榮等人為改善“角度依存性”問題，采用在轉(zhuǎn)軸的表面粘貼一層特制的軟磁合金薄帶的方法，研制了逆磁致伸縮扭矩傳感器。

2005 年重慶工學(xué)院遠(yuǎn)程測試與控制技術(shù)研究所開發(fā)了螺桿差動(dòng)變壓器式的扭矩傳感器，當(dāng)彈性軸受到扭力時(shí)，軸會(huì)產(chǎn)生一定的扭矩角度，再通過內(nèi)部的銜鐵作用以感應(yīng)電動(dòng)勢的形式輸出。

2010 年由淮海工學(xué)院和江蘇海洋資源開發(fā)研究院共同研制了一種非接觸測量方式的磁電型扭矩傳感器。

2011 年由淮海工學(xué)院的文西芹、李紀(jì)明等人研究了一種磁彈性效應(yīng)的新型扭矩傳感器，其氣隙擾動(dòng)小、磁滯小、可滿足電助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的使用要求。

近年來一些新型扭矩傳感器不斷被開發(fā)和研制出來，包括光纖式扭矩傳感器、無線聲表面波式扭矩傳感器、磁敏式扭矩傳感器、激光多普勒式扭矩傳感器、激光衍射式扭矩傳感器等。如美國佛吉尼亞西蒙斯飛行器公司，為了對(duì)飛行器的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行扭矩測試，研發(fā)了一種基于光纖技術(shù)的光纖式扭矩傳感器。

分類：

扭力傳感器分為動(dòng)態(tài)和靜態(tài)兩大類，其中動(dòng)態(tài)扭矩傳感器又可叫做轉(zhuǎn)矩傳感器、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、非接觸扭矩傳感器、旋轉(zhuǎn)扭矩傳感器等。

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(dòng)力矩作用發(fā)生扭轉(zhuǎn)時(shí)，輸入軸上的花鍵和輸出軸上鍵槽之間的相對(duì)位置就被改變了?；ㄦI和鍵槽的相對(duì)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(hào)。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(shí)、 受軸的偏轉(zhuǎn)和軸向偏移的影響更小，已經(jīng)廣泛用于轎車領(lǐng)域。

在非接觸式扭矩傳感器中，常用的主要有應(yīng)變式、磁電式、光纖式和光電式傳感器。

應(yīng)變式非接觸傳感器利用了無線傳輸技術(shù)。隨著科技的進(jìn)步和無線傳輸技術(shù)的發(fā)展，接觸式應(yīng)變片傳感器輸出信號(hào)所用的導(dǎo)電滑環(huán)和刷臂已經(jīng)能夠用無線傳輸模塊替代，從而克服了導(dǎo)電滑環(huán)和刷臂間的磨損，提高了測量精度。

磁電式扭矩傳感器是利用磁電轉(zhuǎn)換的原理，分析兩路輸出的電動(dòng)勢信號(hào)的相位差，從而達(dá)到測量扭矩的目的。主要分為閉磁路式傳感器和開磁路式傳感器。

光纖式扭矩傳感器主要是利用光反射原理和相位差原理，將軸上相應(yīng)的兩處位置反射的光信號(hào)讀取后并計(jì)算出相位差，由此能算出相應(yīng)的扭矩值。但是光纖式傳感器易受環(huán)境影響，安裝調(diào)試也相對(duì)較困難。

光電式扭矩傳感器以光電感應(yīng)元件為核心部件。當(dāng)傳動(dòng)軸上加載扭矩時(shí)，由光源發(fā)出的光的強(qiáng)度會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化，從而使光電元件的輸出電流發(fā)生變化。通過測量該變化值即可計(jì)算出扭矩值。

應(yīng)變片扭矩傳感器

應(yīng)變片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(jì)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?hào)的變化從而實(shí)現(xiàn)扭矩測量。傳感器就完成如下的信息轉(zhuǎn)換；傳感器由彈性軸、測量電橋、儀器用放大器、接口電路組成。

高性能無線型

高性能無線扭矩傳感器將傳感器與無線通信技術(shù)結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的無線傳輸。扭矩電信號(hào)由單片機(jī)控制的信號(hào)處理電路進(jìn)行放大、A/D轉(zhuǎn)換之后，編碼器將采集到的數(shù)字量編碼傳送給發(fā)射模塊進(jìn)行發(fā)送。接收模塊接收到數(shù)據(jù)后，解碼器將譯出的數(shù)據(jù)傳送給單片機(jī)，由LED顯示得到的扭矩?cái)?shù)據(jù)值。傳感器數(shù)據(jù)采集發(fā)射電路由扭矩傳感器、信號(hào)處理部分、單片機(jī)和無線發(fā)射電路組成。扭矩傳感器將電阻應(yīng)變片產(chǎn)生的應(yīng)變電信號(hào)傳送到信號(hào)處理電路。信號(hào)處理部分對(duì)傳感器模擬信號(hào)提取放大，并進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換。微處理器負(fù)責(zé)控制系統(tǒng)各部分器件的工作，并對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理。無線發(fā)射電路在微處理器的控制下，由編碼器將采集到的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的編碼和處理，并用發(fā)射模塊發(fā)射出。實(shí)現(xiàn)無線傳輸。

電子式

電子式扭矩儀是一種針對(duì)風(fēng)機(jī)、水泵試驗(yàn)及現(xiàn)場能效評(píng)測的便攜式高性能軸功率測量儀器。電子式扭矩儀創(chuàng)造性的摒棄了傳統(tǒng)機(jī)電式扭矩傳感器繁瑣、復(fù)雜、在很多現(xiàn)場環(huán)境下不易實(shí)現(xiàn)的安裝過程，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)機(jī)、水泵電機(jī)效率的實(shí)時(shí)測量，監(jiān)測風(fēng)機(jī)、水泵電機(jī)在使用過程中各環(huán)節(jié)的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)研究風(fēng)機(jī)、水泵電機(jī)的使用狀態(tài)提供了實(shí)時(shí)、真實(shí)、可靠的數(shù)據(jù)；避免了因機(jī)電式扭矩傳感器安裝不當(dāng)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成的影響。

電子式扭矩儀能完全取代傳統(tǒng)扭矩傳感器的軸功率測量功能，并且能獲取風(fēng)機(jī)、水泵電機(jī)的實(shí)時(shí)效率，為風(fēng)機(jī)、水泵機(jī)組節(jié)能提供了嚴(yán)謹(jǐn)、科學(xué)評(píng)測手段。

應(yīng)用：

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、交(直）流電動(dòng)機(jī)、伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)；

2、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、柴油機(jī)、轉(zhuǎn)向器、車身整體剛性扭轉(zhuǎn)以及其他部件加工過程的控制和檢測；

3、電（手）動(dòng)執(zhí)行器，各種閥門自動(dòng)開閉控制。

4、石油開采和提煉過程控制和監(jiān)測、火(水）力發(fā)電設(shè)備的監(jiān)測、礦石篩選控制，風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的監(jiān)測。

5、各種材料扭矩壽命試驗(yàn)。

6、鐵路機(jī)械設(shè)備過程控制等等，具體如下：

（1）、檢測發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、內(nèi)燃機(jī)等旋轉(zhuǎn)動(dòng)力設(shè)備輸出扭矩極功率。

（2）、檢測減速機(jī)、風(fēng)機(jī)、泵、攪拌機(jī)、卷揚(yáng)機(jī)、螺旋槳，鉆探機(jī)械等設(shè)備的負(fù)載扭矩極輸入功率。

（3）、檢測各種機(jī)械加工中心，自動(dòng)機(jī)床的工作過程中的扭矩。

（4）、各種旋轉(zhuǎn)動(dòng)力設(shè)備系統(tǒng)所傳遞的扭矩極效率。

（5）、檢測扭矩的同時(shí)可以檢測轉(zhuǎn)速、軸向力。

（6）、可用于制造粘度計(jì)，電動(dòng)（氣動(dòng)，液力）扭力扳手。