摘 要：本文介紹了數(shù)字式扭矩傳感器原理結(jié)構(gòu)，該方式利用兩組環(huán)形變壓器非接觸地傳遞能源及信號(hào)，克服了集流環(huán)及無線電遙測(cè)的一系列問題 ,本傳感器體積小便于安裝，精度高、抗干擾性強(qiáng).已取得五項(xiàng)國(guó)家. 關(guān)鍵詞：扭矩傳感器，環(huán)形變壓器
Compress: This article introduces theory and frame of digital moment of force sensor. This mode untouched passes energy sources and signal with two group of annular transformer .It conquers a series of problems about circle current and wireless remote sensing. This sensor’s volume is small and easy to install. Its performance against disturbance is better and precision is higher. It has already achieved fiveitem national patent and CMC production license and achieved national emphases new product certificate, which was promulgated by national five ministries and office in 1998.

扭矩傳感器：

一 前言
　在旋轉(zhuǎn)動(dòng)力系統(tǒng)中zui頻繁涉及到的參數(shù):旋轉(zhuǎn)扭矩,為了檢測(cè)旋轉(zhuǎn)扭矩傳統(tǒng)使用較多的是扭轉(zhuǎn)角相位差式傳感器，該方法是在彈性軸的兩端安裝著兩組齒數(shù)、形狀及安裝角度*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(cè)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。該方法的優(yōu)點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩信號(hào)的非接觸傳遞，檢測(cè)信號(hào)為數(shù)字信號(hào)；缺點(diǎn)：體積較大，不易安裝，低轉(zhuǎn)速時(shí)由于脈沖波的前后沿較緩不易比較，因此低速性能不理想。（見圖一）

 
圖一 扭轉(zhuǎn)角相位差式扭矩傳感器示意圖

扭矩測(cè)試比較成熟的檢測(cè)手段為應(yīng)變電測(cè)技術(shù)。它具有精度高，頻響快，可靠性好，壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。
     將的測(cè)扭應(yīng)變片用應(yīng)變膠粘貼在被測(cè)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(cè)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。 （見圖二）但是在旋轉(zhuǎn)動(dòng)力傳遞系統(tǒng)中，zui棘手的問題是旋轉(zhuǎn)體上的應(yīng)變橋的橋壓輸入及檢測(cè)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。

圖二 基本的扭矩傳感器

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。及由于接觸不可靠引起信號(hào)波動(dòng)，因而造成測(cè)量誤差大甚至測(cè)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(cè)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)。

圖三導(dǎo)電滑環(huán)式扭矩傳感器
     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(cè)扭矩儀。 （見圖四）遙測(cè)扭矩儀成功之處在于克服了電滑環(huán)的兩項(xiàng)缺陷，但也存在著三個(gè)不足之處，其一：易受使用現(xiàn)場(chǎng)電磁波的干擾；其二：由于是電池供電，所以只能短期使用。其三：由于在旋轉(zhuǎn)軸上附加了結(jié)構(gòu)，易引起高轉(zhuǎn)速時(shí)的動(dòng)平衡問題。在小量程及小直徑軸時(shí)更突出。數(shù)字式扭矩傳感器吸取了上述各種方法的優(yōu)點(diǎn)并克服了其缺陷,在應(yīng)變傳感器的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了兩組旋轉(zhuǎn)變壓器,實(shí)現(xiàn)了能源及信號(hào)的非接觸傳遞。并做到了扭矩信號(hào)的傳遞與是否旋轉(zhuǎn)無關(guān)，與轉(zhuǎn)速大小無關(guān)，與旋轉(zhuǎn)方向無關(guān)。

圖四 無線電遙測(cè)扭矩傳感器

二、扭矩傳感器 特點(diǎn)

1. 既可以測(cè)量靜止扭矩，也可以測(cè)量旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩;
2..既可以測(cè)量靜態(tài)扭矩，也可以測(cè)量動(dòng)態(tài)扭矩；
3. 檢測(cè)精度高，穩(wěn)定性好；抗干擾性強(qiáng);
4. 體積小，重量輕，多種安裝結(jié)構(gòu)，易于安裝使用；
5. 不需反復(fù)調(diào)零即可連續(xù)測(cè)量正反轉(zhuǎn)扭矩;
6.沒有導(dǎo)電環(huán)等磨損件，可以高轉(zhuǎn)速長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行；
7．傳感器輸出高電平頻率信號(hào)可直接送計(jì)算機(jī)處理；
8．測(cè)量彈性體強(qiáng)度大可承受*的過載。
三 扭矩傳感器測(cè)量原理
     將的測(cè)扭應(yīng)變片用應(yīng)變膠粘貼在被測(cè)彈性軸上并組成應(yīng)變橋 ,向應(yīng)變橋提供電源即可測(cè)得該彈性軸受扭的電信號(hào)。將該應(yīng)變信號(hào)放大后，經(jīng)過壓/頻轉(zhuǎn)換，變成與扭應(yīng)變成正比的頻率信號(hào)。本系統(tǒng)的能源輸入及信號(hào)輸出是由兩組帶間隙的特殊環(huán)型變壓器承擔(dān)的,因此實(shí)現(xiàn)了無接觸的能源及信號(hào)傳遞功能。（虛線內(nèi)為旋轉(zhuǎn)部分）  

四 扭矩傳感器原理結(jié)構(gòu) （見圖五）
     在一段特制的彈性軸上粘貼上的測(cè)扭應(yīng)片并組成變橋，即為基礎(chǔ)扭矩傳感器；在軸上固定著： （1）能源環(huán)形變壓器的次級(jí)線圈，（2）信號(hào)環(huán)形變壓器初級(jí)線圈，（3）軸上印刷電路板，電路板上包含整流穩(wěn)定電源、儀表放大電路、V/F變換電路及信號(hào)輸出電路。在傳感器的外殼上固定著

圖五 數(shù)字式扭矩傳感器測(cè)量原理圖

（1）激磁電路，（2）能源環(huán)形變壓器的初級(jí)線圈（輸入），（3） 信號(hào)環(huán)形變壓器次級(jí)線圈（輸出），（4）信號(hào)處理電路

五 扭矩傳感器工作過程
     向傳感器提供 ± 15V電源，激磁電路中的晶體振蕩器產(chǎn)生４００Hz的方波，經(jīng)過TDA2030功率放大器即產(chǎn)生交流激磁功率電源，通過能源環(huán)形變壓器T1從靜止的初級(jí)線圈傳遞至旋轉(zhuǎn)的次級(jí)線圈，得到的交流電源通過軸上的整流濾波電路得到 ± ５ V的直流電源，該電源做運(yùn)算放大器AD822的工作電源；由基準(zhǔn)電源AD589與雙運(yùn)放AD822組成的高精度穩(wěn)壓電源產(chǎn)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(zhuǎn)換器的工作電源。當(dāng)彈性軸受扭時(shí)，應(yīng)變橋檢測(cè)得到的mV級(jí)的應(yīng)變信號(hào)通過儀表放大器AD620放大成1.5v ± 1v的強(qiáng)信號(hào)，再通過V/F轉(zhuǎn)換器LM131變換成頻率信號(hào)，通過信號(hào)環(huán)形變壓器T2從旋轉(zhuǎn)的初級(jí)線圈傳遞至靜止次級(jí)線圈，再經(jīng)過傳感器外殼上的信號(hào)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號(hào)，該信號(hào)為TTL電平,既可提供給二次儀表或頻率計(jì)顯示也可直接送計(jì)算機(jī)處理。由于該旋轉(zhuǎn)變壓器動(dòng)--靜環(huán)之間只有零點(diǎn)幾毫米的間隙，加之傳感器軸上部分都密封在金屬外殼之內(nèi)，形成有效的屏蔽，因此具有很強(qiáng)的抗*力。
     扭矩傳感器輸出的頻率信號(hào)在零點(diǎn)時(shí)為 10kHz.正向旋轉(zhuǎn)滿量程時(shí)為15KHz.反向旋轉(zhuǎn)滿量程時(shí)為5KHz。即滿量程變量為5000個(gè)數(shù)/每秒。轉(zhuǎn)速測(cè)量采用光電齒輪或者磁電齒輪的測(cè)量方法，軸每旋轉(zhuǎn)一周可產(chǎn)生60個(gè)脈沖，高速或中速采樣時(shí)可以用測(cè)頻的方法，低速采樣時(shí)可以用測(cè)周期的方法。本傳感器精度可達(dá) ± 0.2%～ ± 0.5%（F · S）。由于傳感器輸出為頻率信號(hào)，所以無需AD轉(zhuǎn)換即可直接送至計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

六 扭矩傳感器應(yīng)用范圍
　1. 檢測(cè)發(fā)電機(jī)，電動(dòng)機(jī) ，內(nèi)燃機(jī)等旋轉(zhuǎn)動(dòng)力設(shè)備輸出扭矩及功率。
　2. 檢測(cè)減速機(jī)，風(fēng)機(jī)，泵，攪拌機(jī)，卷?yè)P(yáng)機(jī)，螺旋槳，鉆探機(jī)械等設(shè)備的負(fù)載扭矩及輸入功率。
　3. 檢測(cè)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)所傳遞的扭矩及效率；
　5. 檢測(cè)扭矩的同時(shí)可以檢測(cè)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。
七 扭矩傳感器安裝使用
　1.使用兩組聯(lián)軸器，將傳感器安裝在動(dòng)力源和負(fù)載之間。
    2.建議用撓性、彈性或萬向節(jié)聯(lián)軸器，以保證同心度 ∠ 0.1mm以下。
　3.動(dòng)力及負(fù)載設(shè)備必須固定可靠避免振動(dòng)。
　4.將本傳感器的基座與設(shè)備的基座固定可靠，中心高須墊合適避免產(chǎn)生彎矩 。
八 扭矩傳感器多種安裝方式
     扭矩傳感器經(jīng)過五年的批量試產(chǎn)，廣泛受到用戶的好評(píng)。本傳感器屬貫通形安裝方法，一般需要通過聯(lián)軸器安裝，為了便于在特殊要求的條件下使用，本傳感器還有七種變形結(jié)構(gòu)：
　1.如果要求傳動(dòng)系統(tǒng)的軸向不因安裝了傳感器而加長(zhǎng)，則可使用智能聯(lián)軸器--既可以檢測(cè)扭矩，又可以承擔(dān)聯(lián)軸器的功能。也就是一種帶檢測(cè)功能的聯(lián)軸器。
　2.被測(cè)傳動(dòng)系統(tǒng)不允許加長(zhǎng)但可以拆卸時(shí)，則可以使用套裝式扭矩傳感器--套在被測(cè)軸上即可測(cè)試。
　3.被測(cè)傳動(dòng)系統(tǒng)既不允許加長(zhǎng)又不可以拆卸時(shí)，則可以使用在現(xiàn)場(chǎng)組裝的卡裝式扭矩傳感器。從軸的兩側(cè)卡在軸上即可進(jìn)行測(cè)試。即可長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)也可短期檢測(cè)。與電流鉗形表相似。
　4．有的測(cè)試系統(tǒng)既有扭力又有軸向力時(shí)則可以使用轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速軸向力三參數(shù)傳感器；既可以避免軸向力對(duì)扭力測(cè)試的干擾又可以測(cè)量軸向力的信號(hào)；
　5．在高轉(zhuǎn)速或超高轉(zhuǎn)速下測(cè)試時(shí)可以使用無軸承式轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器；
　6．如果被測(cè)系統(tǒng)為不旋轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)可以使用扭矩傳感變送器；
　7．如果被測(cè)系統(tǒng)zui大值在5mN · m至1N · m時(shí)可以使用小量程轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器
這幾種傳感器的結(jié)構(gòu)及使用方法將陸續(xù)介紹。

九 智能轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x
     為了更方便的使用本系列扭矩傳感器特配合設(shè)計(jì)了智能轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x與計(jì)算機(jī)虛擬儀器，該兩種儀器可以直接顯示出正在測(cè)量的轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速，功率值的數(shù)值及曲線，也可以設(shè)定轉(zhuǎn)矩的限定值，*報(bào)警，還可以保存本次測(cè)量的轉(zhuǎn)矩峰值及曲線，并且可以打印出上述各參數(shù)及曲線圖。

本文章來自于：扭矩傳感器北京中瑞能儀表技術(shù)有限公司