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。扭力傳感器是對各種旋轉(zhuǎn)或非旋轉(zhuǎn)機(jī)械部件上對扭轉(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。

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，刀具切削力對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，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。 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。這就是基本的扭矩傳感器模式。

但是在旋轉(zhuǎn)動力傳遞系統(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波動，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，另一個辦法就是采用無線電遙測的方法 ：將扭矩應(yīng)變信號在旋轉(zhuǎn)軸上放大并進(jìn)行V/F轉(zhuǎn)換成頻率信號，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。 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)了螺桿差動變壓器式的扭矩傳感器，當(dāng)彈性軸受到扭力時，軸會產(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，為了對飛行器的渦輪發(fā)動機(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：

扭力傳感器分為動態(tài)和靜態(tài)兩大類，其中動態(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。花鍵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。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，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勢信號的相位差，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讀取后并計算出相位差，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)傳動軸上加載扭矩時，由光源發(fā)出的光的強(qiáng)度會發(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，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的無線傳輸。扭矩電信號由單片機(jī)控制的信號處理電路進(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顯示得到的扭矩數(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)變電信號傳送到信號處理電路。信號處理部分對傳感器模擬信號提取放大，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，并對數(shù)字信號進(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。實現(xiàn)無線傳輸。

電子式

電子式扭矩儀是一種針對風(fēng)機(jī)、水泵試驗及現(xiàn)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(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)境下不易實現(xiàn)的安裝過程，實現(xiàn)了風(fēng)機(jī)、水泵電機(jī)效率的實時測量，監(jiān)測風(fēng)機(jī)、水泵電機(jī)在使用過程中各環(huán)節(jié)的運行狀態(tài)，對研究風(fēng)機(jī)、水泵電機(jī)的使用狀態(tài)提供了實時、真實、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)對試驗結(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)的實時效率，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）流電動機(jī)、伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)；

2、汽車發(fā)動機(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）動執(zhí)行器，各種閥門自動開閉控制。

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。

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)、電動機(jī)、內(nèi)燃機(jī)等旋轉(zhuǎn)動力設(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，自動機(jī)床的工作過程中的扭矩。

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

（5）、檢測扭矩的同時可以檢測轉(zhuǎn)速、軸向力。

（6）、可用于制造粘度計，電動（氣動，液力）扭力扳手。