扭矩傳感器原理及應用

本文介紹電阻扭矩傳感器的結構原理，以“卡特皮勒1G2”發動機臺架為例介紹了典型應用，分析了扭矩信號集散電路工作原理，以及扭矩傳感器常見故障維修，最后簡單地介紹了在發動機試驗臺架應用的磁感應扭矩傳感器的原理。 

1 概述 

扭矩又叫轉矩，是反映轉動設備輸出力的大小的重要參數。扭矩在物理學中用下面的公式計算。 

P=M?N/9550 公式（1） 

其中：P表示轉動設備的輸出功率，單位千瓦（kW）；M 表示轉動設備的輸出扭矩，單位牛米（N?m）；N表示轉動設備的轉速，單位轉/分鐘（r/min）。 

從公式（1）可以看出，扭矩是一個與功率和轉速相關的物理量，它反映了轉動設備輸出功率和轉速的比值關系。如果知道了轉動設備的輸出功率和轉動速度，就可以利用公式1計算出轉動設備的扭矩。但實際生產中，功率的測量是不容易的，而扭矩可以利用較簡單的裝置把扭矩轉化為力和磁的測量，對于力和磁這兩個物理量的檢測，我們有許多成熟工具，這樣扭矩的測量就變得相對簡單了。 

2 電阻應變式扭矩傳感器的原理 

我們知道，在通常情況下，當金屬受外力作用時它的電阻值會發生變化，其變化大小可以依據虎克定律求得，這就是金屬應變原理。電阻應變式扭矩傳感器，就是利用應變原理制成的。它的結構原理圖如圖1所示。 

扭矩傳感器利用高檔箔式應變片組成了電橋，在力的作用下電阻值增加或減小，當輸入端加上直流電壓后，輸出端就可以得到隨所施力大小而改變的電壓信號。再經過信號處理計算，我們就能知道扭矩的大小了。 

3 扭矩傳感器應用和調試 

扭矩大小是發動機臺架實驗的重要參數之一。“卡特皮勒1G2”發動機臺架應用的就是上面介紹的電阻應變式傳感器，以此為例分析扭矩信號集散電路原理和扭矩傳感器的調試。 

3.1 扭矩信號集散電路原理 

圖2中T2、T4分別接±5V電源給扭矩傳感器提供激勵電壓。T3接傳感器的信號輸出端，以IC7650高穩定的自穩零放大器為核心組成信號放大電路，再經過LM348進行放大處理，輸出信號給計算機。 

3.2 扭矩傳感器的調試 

扭矩傳感器的調試包括零點滿度的標定和靜校。 

當進行零點標定時，測功機裝好校正臂和校正盤，不放砝碼，調節扭矩信號集散板上的電位器RW2及RW5，使端子輸出電壓為OV；再加滿砝碼，調節電位器RW3和RW4，使端子輸出電壓后9.8V。 

當零點和滿度標定好以后，就可以進行靜校。校驗的方法很簡單，就是往校正盤中逐次放入適當砝碼，然后根據公式（2）：Me=G?g?L （2）其中Me是標準力矩，G是砝碼質量，g是當地重力加速度，L是校正臂的長度。 

計算出的標準力矩與計算機顯示力矩上比較，就可以完成校驗。 

4 扭矩傳感器的故障與維修 

“卡特皮勒1G2”發動機臺架所使用的扭矩傳感器內部接線為電橋型，可以通過萬用表測量其橋臂間的電阻來辨別好壞。參考圖1，正常時R1和R3，R2和R4的電阻值應一樣，如果阻值不一樣，說明橋臂平衡已被破壞，傳感器不能使用。根據使用和維修經驗看，扭矩傳感器自身發生故障的機率很小。通常，在激勵電壓正常和正確安裝傳感器后，故障多發生在外圍電路中，總結如表1所示： 

　　故障現象 故障原因 解決辦法 

　　扭矩數值漂移大 扭矩信號集散板上 

　　電容熱穩定性不好 更換電容 

　　扭矩數值不穩定 發動機點火干擾 

　　或電網干擾 發動機點火高壓帽增加阻尼；檢查系統接地 

5 磁電感應式扭矩傳感器

除了電阻應變式扭矩傳感器，還有一種較特殊的扭矩傳感器，就是磁電感應式扭矩傳感器，它電定子、轉子、傳感器軸和輔助電路組成。轉子包括線圈固定在傳感器軸上，定子永久磁鐵固定在傳感器外殼上，定、轉子上都有相等的齒和槽。 

測量扭矩時，用兩個完全相同的傳感器，它們的轉子分別固定在被測軸的兩端，而定子用支架固定。一個傳感器的定子齒和轉子齒相對，另一個則定子槽和轉子槽相對。當轉軸以一定角速度旋轉時，則在兩個傳感器輸出線組內感應出電勢大小相等，頻率相同，相位差180°的近似正弦波，而當被測軸受扭矩時，兩個繞組內感應電熱相位差將不再是180°，而是扭轉角與定（轉）子齒數的積。在彈性限度內，材料扭矩與扭轉角成正比，因此，測出扭轉角也就得到了扭矩的值。這種扭矩傳感器反應較電阻應變式傳感器反應靈敏，但抗干擾能力較弱，對應用場所的電磁強度有較高要求。 

6 結論 

在發動機臺架試驗中，大部分測功機的扭矩測量都像“卡特皮勒1G2”發動機臺架一樣，利用固定在定子上的平衡臂將扭矩變為拉壓力的測量。這時扭矩傳感器嚴格地說應該叫拉壓傳感器。當然，在發動機試驗臺架中也有進行純扭矩測量的，如CL-100齒輪油試驗機使用的扭矩傳感器。它的工作原理與電阻應變式扭矩傳感器一樣，只是傳感器外形不是傳統的橋形，而是圓柱形，四個電阻應變片是貼在轉軸上使用的，輸出信號是頻率信號。