扭矩傳感器原理與應(yīng)用知識(shí)

一、扭矩傳感器的應(yīng)用范圍

扭矩傳感器是一種測(cè)量各種扭矩、轉(zhuǎn)速及機(jī)械功率的精密測(cè)量?jī)x器。應(yīng)用范圍十分廣泛，主要用于：

1、電動(dòng)機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、內(nèi)燃機(jī)等旋轉(zhuǎn)動(dòng)力設(shè)備輸出扭矩及功率的檢測(cè)；

2、風(fēng)機(jī)、水泵、齒輪箱、扭力板手的扭矩及功率的檢測(cè)；

3、鐵路機(jī)車、汽車、拖拉機(jī)、飛機(jī)、船舶、礦山機(jī)械中的扭矩及功率的檢測(cè)；

4、可用于污水處理系統(tǒng)中的扭矩及功率的檢測(cè)；

5、可用于制造粘度計(jì)；

6、可用于過程工業(yè)和流程工業(yè)中。

二、扭矩傳感器的種類

扭矩傳感器的種類有很多，主要有電位計(jì)式扭矩傳感器、金屬電阻應(yīng)變片的扭矩傳感器、非接觸式扭矩傳感器等，隨技術(shù)的進(jìn)步將會(huì)有精度更高、成本更低的傳感器出現(xiàn)。

1、電位計(jì)式扭矩傳感器

電位計(jì)式扭矩傳感器主要可以分為旋臂式、雙級(jí)行星齒輪式、扭桿式。其中扭桿式測(cè)量結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性能相對(duì)比較高，在早期應(yīng)用比較多。

扭桿式扭矩傳感器主要由扭桿彈簧、轉(zhuǎn)角-位移變換器、電位計(jì)組成。扭桿彈簧主要作用是檢測(cè)司機(jī)作用在方向盤上的扭矩，并將其轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的轉(zhuǎn)角值。轉(zhuǎn)角-位移變換器是一對(duì)螺旋機(jī)構(gòu)，將扭桿彈簧兩端的相對(duì)轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)化為滑動(dòng)套的軸向位移，由剛球、螺旋槽和滑塊組成。滑塊相對(duì)于輸入軸可以在螺旋方向上移動(dòng)，同時(shí)滑塊通過一個(gè)銷安裝到輸出軸上，可以相對(duì)于輸出軸在垂直方向上移動(dòng)。因此，當(dāng)輸入軸相對(duì)于輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，滑塊按照輸入軸的旋轉(zhuǎn)方向和相對(duì)于輸出軸的旋轉(zhuǎn)量，垂直移動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤的時(shí)候，鈕矩被傳遞到扭力桿，輸入軸相對(duì)于輸出軸方向出現(xiàn)偏差。該偏差是滑塊出現(xiàn)移動(dòng)，這些軸方向的移動(dòng)轉(zhuǎn)化為電位計(jì)的杠桿旋轉(zhuǎn)角度，滑動(dòng)觸點(diǎn)在電阻線上的移動(dòng)使電位計(jì)的電阻值隨之變化，電阻的變化通過電位計(jì)轉(zhuǎn)化為電壓。這樣扭矩信號(hào)就轉(zhuǎn)化為了電壓信號(hào)。

扭桿式扭矩傳感器在早期應(yīng)用比較多，但由于是接觸式的，工作時(shí)產(chǎn)生的摩擦使其易磨損，影響其精度，將會(huì)被逐步淘汰。

2、金屬電阻應(yīng)變片的扭矩傳感器     

傳感器扭矩測(cè)量采用應(yīng)變電測(cè)技術(shù)。在彈性軸上粘貼應(yīng)變計(jì)組成測(cè)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(cè)量。

傳感器由彈性軸、測(cè)量電橋、儀器用放大器、接口電路組成。彈性軸是敏感元件，在45度和135度的方向上產(chǎn)生最大壓應(yīng)力和拉應(yīng)力，這個(gè)時(shí)候承受的主應(yīng)力和剪應(yīng)力相等。

測(cè)量電橋可以采用半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片，并將它們接成差動(dòng)全橋，其輸出電壓正比于扭轉(zhuǎn)軸所受的扭矩。

放大電路采用儀器用放大電路，它由專用儀器用放大電路構(gòu)成，也有三只單運(yùn)放電路組合而成，為了使一起具有高精度，必須使靈敏度系數(shù)為常數(shù)。

在金屬電阻應(yīng)變片的扭矩傳感器中，需要解決的技術(shù)關(guān)鍵是：

（1）彈性軸的工作區(qū)域不應(yīng)該大于彈性區(qū)域的1/3，且取初始段。為了將遲滯誤差減低到最底，按照超載能力指數(shù)選取最大的軸徑。

（2）采用LM型硅擴(kuò)散力敏全橋應(yīng)變片，較好的敏感性，很小的非線形度。

（3）采用高精度的穩(wěn)壓電源。

3、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。花鍵和鍵槽的相對(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)。信號(hào)的高頻部分由檢測(cè)電路濾波，僅有扭矩信號(hào)部分被放大。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(zhǎng)、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，現(xiàn)已成為廣泛應(yīng)用的主流產(chǎn)品。

4、其它扭矩傳感器

相位差傳感方式來檢測(cè)扭矩的扭矩傳感器，這種傳感器具有高精度，高重復(fù)性的特點(diǎn)。其測(cè)量原理為：在受扭軸的兩端各安上一個(gè)齒輪，對(duì)著齒面再各裝一個(gè)電磁傳感器，從傳感器上就能感應(yīng)出兩個(gè)與動(dòng)力軸非接觸的交流信號(hào)。取出其信號(hào)的相位差，在這兩個(gè)相位差之間，插入由晶體震蕩器產(chǎn)生的高精度，高穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào)。以這個(gè)時(shí)鐘信號(hào)為基準(zhǔn)，巧妙運(yùn)用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)就能精確地測(cè)出所承受的扭矩。

三、扭矩傳感器的發(fā)展趨勢(shì)

隨著自控系統(tǒng)的不斷完善和發(fā)展，對(duì)扭矩傳感器的精度、可靠性和響應(yīng)速度提出了跟高的要求。扭矩傳感器正呈現(xiàn)以下的發(fā)展趨勢(shì)：

1、測(cè)試系統(tǒng)向微型化!數(shù)字化、智能化、虛擬化和網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展；

2、從單功能向多功能發(fā)展，包括自補(bǔ)償、自修正、自適應(yīng)、自診斷、遠(yuǎn)程設(shè)定、狀態(tài)組合、信息存儲(chǔ)和記憶；

3、向著小型化、集成化方向發(fā)展。傳感器的檢測(cè)部分可以通過結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)和優(yōu)化來實(shí)現(xiàn)小型化，IC部分可以整合盡可能多的半導(dǎo)體部件、電阻到一個(gè)單獨(dú)的IC部件上，減少外部部件的數(shù)量。

4、由靜態(tài)測(cè)試向動(dòng)態(tài)在線檢測(cè)方向發(fā)展。

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