扭矩传感器类型及应用

分类：技术中心 2534人浏览 2020-08-12

扭矩 传感器，又称力矩传感器、扭力传感器、转矩传感器、扭矩仪，分为动态和静态两大类，其中动态扭矩传感器又可叫做转矩传感器、转矩转速传感器、非接触扭矩传感器、旋转扭矩传感器等。扭矩传感器是对各种旋转或非旋转机械部件上对扭转力矩感知的检测。扭矩传感器将扭力的物理变化转换成精确的电信号。扭矩传感器可以应用在制造粘度计，电动（气动，液力）扭力扳手，它具有精度高，频响快，可靠性好，寿命长等优点。

基本介绍：
通常所说的转矩是外力矩，如机床主轴旋转是动力源提供的外力矩作用的结果，而扭矩是内力矩，主轴工作时，刀具切削力对主轴的反作用使之产生扭转弹性变形，可用其衡量扭矩的大小。扭矩是使物体发生转动效应或扭转变形的力矩，等于力和力臂的乘积。
扭矩是在旋转动力系统中最频繁涉及到的参数，为了检测旋转扭矩，使用较多的是扭转角相位差式传感器。该传感器是在弹性轴的两端安装着两组齿数、形状及安装角度完全相同的齿轮，在齿轮的外侧各安装着一只接近(磁或光)传感器。当弹性轴旋转时，这两组传感器就可以测量出两组脉冲波，比较这两组脉冲波的前后沿的相位差就可以计算出弹性轴所承受的扭矩量。该方法的优点：实现了转矩信号的非接触传递，检测信号为数字信号；缺点：体积较大，不易安装，低转速时由于脉冲波的前后沿较缓不易比较，因此低速性能不理想。
扭矩测试比较成熟的检测手段为应变电测技术，它具有精度高、频响快、可靠性好、寿命长等优点。将专用的测扭应变片用应变胶粘贴在被测弹性轴上，并组成应变桥，若向应变桥提供工作电源即可测试该弹性轴受扭的电信号。这就是基本的扭矩传感器模式。但是在旋转动力传递系统中，最棘手的问题是旋转体上的应变桥的桥压输入及检测到的应变信号输出如何可靠地在旋转部分与静止部分之间传递，通常的做法是用导电滑环来完成。由于导电滑环属于磨擦接触，因此不可避免地存在着磨损并发热，因而限制了旋转轴的转速及导电滑环的使用寿命。并且由于接触不可靠引起信号波动，从而造成测量误差大甚至测量不成功。为了克服导电滑环的缺陷，另一个办法就是采用无线电遥测的方法：将扭矩应变信号在旋转轴上放大并进行V/F转换成频率信号，通过载波调制用无线电发射的方法从旋转轴上发射至轴外，再用无线电接收的方法，就可以得到旋转轴受扭的信号。旋转轴上的能源供应是固定在旋转轴上的电池。该方法即为遥测扭矩仪。

分类：
非接触式扭矩传感器
非接触式扭矩传感器输入轴和输出轴由扭杆连接起来，输入轴上有花键，输出轴上有键槽。当扭杆受方向盘的转动力矩作用发生扭转时，输入轴上的花键和输出轴上键槽之间的相对位置就被改变了。花键和键槽的相对位移改变量等于扭转杆的扭转量，使得花键上的磁感强度改变，磁感强度的变化，通过线圈转化为电压信号。非接触扭矩传感器由于采用的是非接触的工作方式，因而寿命长、可靠性高，不易受到磨损、有更小的延时、受轴的偏转和轴向偏移的影响更小，已经广泛用于轿车领域。
在非接触式扭矩传感器中，常用的主要有应变式、磁电式、光纤式和光电式传感器。
应变式非接触传感器利用了无线传输技术。随着科技的进步和无线传输技术的发展，接触式应变片传感器输出信号所用的导电滑环和刷臂已经能够用无线传输模块替代，从而克服了导电滑环和刷臂间的磨损，提高了测量精度。
磁电式扭矩传感器是利用磁电转换的原理，分析两路输出的电动势信号的相位差，从而达到测量扭矩的目的。主要分为闭磁路式传感器和开磁路式传感器。
光纤式扭矩传感器主要是利用光反射原理和相位差原理，将轴上相应的两处位置反射的光信号读取后并计算出相位差，由此能算出相应的扭矩值。但是光纤式传感器易受环境影响，安装调试也相对较困难。
光电式扭矩传感器以光电感应元件为核心部件。当传动轴上加载扭矩时，由光源发出的光的强度会发生相应变化，从而使光电元件的输出电流发生变化。通过测量该变化值即可计算出扭矩值。

应变片扭矩传感器
应变片传感器扭矩测量采用应变电测技术。在弹性轴上粘贴应变计组成测量电桥，当弹性轴受扭矩产生微小变形后引起电桥电阻值变化，应变电桥电阻的变化转变为电信号的变化从而实现扭矩测量。传感器就完成如下的信息转换；传感器由弹性轴、测量电桥、仪器用放大器、接口电路组成。

高性能无线型
高性能无线扭矩传感器将传感器与无线通信技术结合在一起，实现了数据的无线传输。扭矩电信号由单片机控制的信号处理电路进行放大、A/D转换之后，编码器将采集到的数字量编码传送给发射模块进行发送。接收模块接收到数据后，解码器将译出的数据传送给单片机，由LED显示得到的扭矩数据值。传感器数据采集发射电路由扭矩传感器、信号处理部分、单片机和无线发射电路组成。扭矩传感器将电阻应变片产生的应变电信号传送到信号处理电路。信号处理部分对传感器模拟信号提取放大，并进行模/数转换。微处理器负责控制系统各部分器件的工作，并对数字信号进行处理。无线发射电路在微处理器的控制下，由编码器将采集到的信息数据进行相应的编码和处理，并用发射模块发射出。实现无线传输。

电子式
电子式扭矩仪是一种针对风机、水泵试验及现场能效评测的便携式高性能轴功率测量仪器。电子式扭矩仪创造性的摒弃了传统机电式扭矩传感器繁琐、复杂、在很多现场环境下不易实现的安装过程，实现了风机、水泵电机效率的实时测量，监测风机、水泵电机在使用过程中各环节的运行状态，对研究风机、水泵电机的使用状态提供了实时、真实、可靠的数据；避免了因机电式扭矩传感器安装不当对试验结果造成的影响。
电子式扭矩仪能完全取代传统扭矩传感器的轴功率测量功能，并且能获取风机、水泵电机的实时效率，为风机、水泵机组节能提供了严谨、科学评测手段。

应用
旋转扭矩传感器是一种测量各种扭矩、转速及机械功率的精密测量仪器。应用范围十分广泛，主要用于：
1、电动机、发动机、内燃机等旋转动力设备输出扭矩及功率的检测；
2、风机、水泵、齿轮箱、扭力板手的扭矩及功率的检测；
3、铁路机车、汽车、拖拉机、飞机、船舶、矿山机械中的扭矩及功率的检测；
4、可用于污水处理系统中的扭矩及功率的检测；
5、可用于制造粘度计；
6、可用于过程工业和流程工业中。

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