扭矩传感器的现状与发展趋势

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1、第 1 2期 综述 扭矩传感器的现状与发展趋势 文西芹张永忠 中国矿业 太学机 电与材 料工程 学院江 苏省徐 州市2 2 1 0 0 8 【摘要】综述了国内外研制的多种扭矩传感器，并介绍了 发展趋势。关键词：扭矩传感器趋势 中图分类号：T P 2 1 2 1 2 Pr e s e n t S i t u a t i o n a nd De v e l o p me n t Tr e n d o f t h e To r qu e S e n s o r s W e n Xi qi n Zh a ng Yon g z h o ng I r s t i t u t e o f Me c h a

2、t r o n i c a n d Ma t e ri a l E n g i n e e r i n g，C UMT，Xu z h o u 2 2 1 0 0 8，J i a n g s u Al t r a c t：S c rme t o r q u eII s o r s d e v e l o p e d h o me a n d a b r o a d r e c e n t l y a i-e g i v e n a n d d e v e l o p i n g a r e i n t r o d u c e d Ke y W o r d s：To r q u e；Se n s

3、o r s；Tr e n d s 1 引言 机械动力设备的扭矩变化是其运行状况的重要信 息，扭矩澳 f 试是各种机械产品开发、质量检验、优化控 制、工况监测和故障诊 断等必不可少的内容。扭矩传 感器已广泛应用于各种机械设备的动力驱动系统优化 设计和智能控制上。目前，国内外研制和开发的扭矩 传感器种类很多，从原 理上讲 主要分为应变型、磁弹 性型、转角型和其他型等 4种。2 应变型传感器 此类传感器是 目前国 内外使用最多的一利 传感 器，它采用在旋转轴表面贴应变片的传统方法，利用适 当的电路取得信号，然后进行分析处理。圈 1 所 示为 这种传感器的贴片示意图。根据材料力学理论，受纯 扭矩 的轴

4、，其表面 主应力 的方向与轴线成 4 5。和 1 3 5。角，主应力的绝对值等于最大 的剪应力。因此在传感 器的扭转轴上，沿与轴线成 4 5。和 1 3 5。两个方 向各贴两 片应变片 并将它们接成差动全桥 其输出电压正比于 扭转轴所受的扭矩。此种传感器因成本低廉和操作简 便仍广 泛使 用在静 态和低 速 旋转 系统 的扭矩 测 量 上。过去采用较多的用集流环传输扭矩信息的方法 囤 固 l 电阻应变 传感嚣贴片示意田 收稿 日期：2 0 o 1 o 3 o2 4 修改稿 日期：2 0 o 1 0 7 2 0 其触头的磨损和接触 电阻的变化，影响到传感器的测 量精度和使用寿命，而且存在着较大的噪

5、声。随着大规模集成 电路、固体模块器件及微型 电路 的发展 2 0世纪 8 0年代 来 国内外相继推 出了无线 电遥测技术在旋转轴扭矩测量上的应用。仅就国内情 况而言 具有代表性的有 3种。(1)洛阳工学院等单位研制 的在线动态扭矩测试 仪 1 将检测及发射 电路集 中在一块 2 0mm3 5m m 的印刷电路板上 与传感器固接在一起，随传感器一起 转动。它将扭矩信号经传感器转换成电信号，由发射 装置发出与扭矩成正 比关系的频率信号，经接收器和 处理电路，再转换成 电压，数字显示瞬时扭矩 的大小，且当扭矩超过设定值时，仪器报警 以保护设备。为提 高抗 自然干扰的能力，在 电路设计过程中，采取了

6、一系 列的措施如电桥、发射机、电池的屏蔽，合理的布线、正 确的接地等，使电磁干扰源对仪器的影响降低。(2)燕 山大学研制的红外扭矩测试仪 J，利用红外 线对旋转构件扭矩进行遥测。这套测试系统包括两部 分：固定于地面的红外数据接收装置(主机)和安装于 旋转轴上的测量、红外数据发射装置(测量装置)。图 2 为澳 f 量装 置工作原理框图。其工作原理是：当主机 启动测量装置的光信号后 转轴 圆盘上的接收二极管 将光信号转为电信号 经放大器输送到单片机 P 1 0 端 口 启动单 片机进行数据采集，电阻应变片组 成的 电 桥，将扭矩引起的电阻变化量转化为电信号，经放大器 放大后被采样 保持器接收并输入

7、到单片机的 A D端 口进行 模数转换 转换 后的数据 存储 在数据存 储器 R AM 中 完成一个数据块的采集后 单片机开始测量 旋转 1 周所需时间 根据旋转周期 发射的数据编码并 2 仪 表技 术 与 传 感 器 2 0 0 1 年 分时将数据经 3个红外发射管发射红外线，主机接收 后进行分析处理，并在接收装置的液晶显示屏上显示 扭矩的最大值、最小值和峰 一峰周期。利用红外线在 旋转机械上进行数据采集和发射，具有极 强的抗干扰 能力和数据可靠性 P L O霹ADC0 m _口口 旺)L l芏 I 2测 量 装 置 工 作 原 理 藿l 芏 I(3)北京冶金一局超硬材料研究所李 国林研制

8、的 环形变压器供 电的应变式扭矩传感器l 3 ，是在应变传 感器的基础上设计 了一组旋转变 压器，实现了能源 的 非接触传递。信号的传递采 用无线遥测的方法，做到 了扭矩信号的传递与是否旋转、转速大 小、旋转方向无 关。图 3为该扭矩传感器测量原理 图。将专用的应变 片用应片胶粘贴 在被测弹性轴上并组成应变桥路 向 应变桥提供 电源即可测得该轴受扭 的电信号。将该应 变信号放大后，经过压频转换，变成与扭应变成正 比的 频率信号。要 匿西匐 厂 广 园 耍 1 5 v 1 0 4-5 Id k、图 3 应变扭矩传感器副量原理图 从上面介绍可以看 出：电阻应 变式传感器无论信 号传输是采用精 环或

9、是采用无线传输，都存在有不足 之处。对于滑环方式会受到接触 电阻变 化的影响，而 无线传输固发射天线或线圈随轴转动，会造成接收装 置接到的信号强度发生变化，有时甚至会失去信号。另外从 目前国内外技术水平来看，尽管传输精度较高、抗干扰能力强 的遥测系统并不少见，但是 固为旋转遥 泓系统的电源及发射组件必须装在转轴 上 实际使用 时需要视测试对象不同而做专门的设计，因此系统的 成套性是一个较难解决的问题。3 磁弹性 型扭矩传感器 此类型传感器是基于铁磁材 料的压磁效应制成 的。固为铁磁材料 的磁 导率是 一个结 构应力敏感参 数，转轴中的应力变化将引起磁导率的相应变 化，而磁 导率的变化又导致传感

10、 器磁路磁阻的变化，最终转化 成检验线圈中磁通的变化。其信息变换过程如下：M 一 丘一 一 尺 一 V 式中：M 为扭矩；A6为被测 轴表面最 大正应力变化 量；为被测轴磁导率的变化量；AR 为被测轴磁阻 的变化量；A V 为传感器输出电压的变化量。根据这个变换原理，可 以制成各种不 同类型 的磁 弹性扭矩传感器。国内外 自 2 O世纪 舯 年代中期开始 此种类 型传感 器的研究 和开 发，具 有代表性 的是双“”逆磁致 伸缩效应传感 器 4 1，它的示意 图和等效磁 桥 图如 图 4所示。(b)臣 f 4双”n 逆 礴 致 1 申 辐 教匝 传愚 器 示 恿 囤 和 等效 磁 图 双“”型磁

11、芯正交置于轴侧，磁极上绕有线 圈，两 组励磁线圈和两组测量线 圈，交变 电流通过励磁线圈 在轴表面建立磁场，如图 4(a)所示，当轴受扭后，其表 面应力如图 4(b)所示，由于磁致伸缩逆效应轴表面磁 场发生改变，其等效磁阻的变化，使得测量线圈中产生 与扭矩成比例的感应电势 如图 4(c)所示。由于转轴常用的铁磁性材料的磁致伸缩逆效应较 弱，影响测试的灵敏度和精度，且对转轴材料的均匀性 和旋转精度的依存性较大。为发挥其优点，且有效地弥 补其不足，国外从 2 O 世纪 8 O年代开始研制基 于用非晶磁致伸缩材料制作 的扭矩传感器。1 9 8 2 年，日本福岗九州大学研制出了新型磁头扭矩 传感器L

12、5 其结构如图5所示。它采用在转轴表面用等离 子法喷覆一段磁致伸缩层的方法。采用这种结构，可以使 整个测试装置做得很小巧。如本例中，磁头两极之间的距 离是 2 8 m 磁极横截面尺寸仅为2 r n r n 2 mm 磷层 图 5 磁头与轴上磁潦层 的关系图 1 9 8 6年 S a s a d a等人 研制 的 螺线管 式扭 矩传 感 器【副采用在转轴表 面粘贴与轴成 4 5。角的八字形布置 的 F e 基非晶薄带，利用非品薄带的磁致伸缩逆效应检 测扭矩 原理示意图如图 6所示。_ 舢 第 1 2期 综述 3 图 6螺钱暂扭 矩悖感器原理示 息 1 9 9 2年，韩国科学与标准研究磁学 实验室

13、研制出 了非晶态线圈最大差分感应装置_ 7 J，其基本结构如图 7所示。它是在轴上与轴线成=4 5 方向上贴 上数条磁 致伸缩层 MR(磁 电阻)材料，轴周 围环绕激励线圈和 感应线圈。当轴 上加载扭矩时，拉应力使 MR材料的 磁导率增大，压应力则使磁导率减小，因而反映在感应 线圈中一个线圈的磁通大，另一个线 圈的磁通 小，最后 以差分方式输出，测出应力大小，再计算出扭矩。t=】二二=3 圈 圉 7 传愚器敏息 元件的原理示恿图 1 9 9 2年由王荣 等人研制 的逆磁致伸缩扭 矩传感 器 则采用在转轴的表面粘 贴一层特制的软磁合金 薄带的方法来改善“角度依存性”问题。1 9 8 6年 由日本

14、 山琦二郎研制 的线爆 喷涂膜扭矩 传感器 9，利用具有高粘 附力的线爆喷涂膜 在轴表面 进行反复喷涂得到斜条形 模，然后利用斜条形膜构成 双磁芯多谐振荡器桥路，制成扭矩传感器。此膜 的电 感因转矩 而变化，使电桥不平稳而产生输出电压，可 以获得没有磁滞、线性良好的 E一 特性。可以看出：磁弹性扭矩传感器均是非接触式传感 器 安装使用方便，且不需要占用较大的空间。通过在 轴表面粘贴或喷滁一层磁致伸缩材料可以减少轴表面 材料不均匀性所带来的误差，提 高测试灵敏度。但不 足之处在于：这些传感器最终测得的是磁致 伸缩层材 料应力。因此，如何妥善地转 化为转轴本身应力或扭 矩是一个值得进一步研究的问题

15、。4 转 角型扭矩传感 器 这 是一类利用扭矩和扭转角关系的传感器，它们 实际上是一个角位移测量的编码系统，具典型代表性 的有以下两种。由日本 日立公司研制 的 MR编码 器式扭矩 传感 罪 的结构和工怍原理是：在驱动轴和负载轴之间固 定一根扭力棒，在棒的两端各装有一个 MR编码器，这 两个编码器应尽量靠近并规格 一致。由每个编码器的 两相正弦输 出可以计算出扭力棒两端的角度 0 l 和 口 2，再 由两角度交差计算出扭矩 T。T=(G D 3 2 L)A 0 式中：G为横向弹性模量；D 为扭力捧直径；J _ 为扭力 棒 长度；A0=口 1 一口 2 1 9 8 7年 日本 九州技术研制成功

16、了非 晶态星形线 圈扭矩传感器_ l。将 N 束非 晶台金丝依次串联在一 起 放置于固定在轴上的 N极环形磁铁周 围，它 们感 应到磁场强度的变 化，与后续元件组 成一多谐振荡电 压输出型电路 扭矩产生 的位移通过 振荡 电路 以电压 形式输 出。此传感器的一大特点是通过采用非晶态星 形线回，平均了磁场强度的不均匀性分布，消除了外部 场强的干扰，同时也减少 了，旋转轴偏转带来的误 差。因此，它的角分辨率较高，静态可 以达到 0 0 0 2 ，动态 可 以达到 0 0 r。以上这两种应变测试 系统，均是采用相位测量原 理，即将扭矩产生的角变形通过感应信号的相位差形 式输 出到测量 电路，固此它

17、们实际 所测 的是 角位 移，也 就是总变形。为了达到所要求的精度，常要求 被测轴 相对长而细些，以产生较大的变形，所以此娄传感器主 要应用于长轴的扭矩测量。5 其他类型扭矩传 感器 近几年一些新型的传感器在不断被开发和研制出 来。如清华大 学 1 9 9 9年研制 的无线 无源声表 面波(S A W)扭矩传感器【就是一例。这种传感器是将雷 达技术与 S A W 传感器相结台。同电阻应变 式传感器 一样 是通过测量与轴成 4 5。方向上的应变来完成对转 轴的 扭矩 测量。它 主 要 由压 电基 片、叉 指 换 能 器(I D T)、反射栅(R1 一R 3)组成，采用光刻、真空镀膜等 工艺。其工

18、作原理是利用被反射 的 S A W 波的相速度 在应变前后所产生变化来间接测量扭矩的大小。另外还有一些其他的传感器”，如美国佛吉尼亚 西蒙斯飞行器公司利用光纤技术研制的光纤扭矩传感 器用于飞行器满轮发动机的扭 矩测试；又如英国福特 汽车公司委托南安普大学机械工程系为其研制的一种 电容式扭矩传感器可用来连续监测汽车发动机或齿轮 箱传动轴的扭矩测试。6 发展趋势 随着各种系统的 自动化程度和复杂性 的提高，需(下转第 1 1页)第 l 2期 传感器技术 i l 一 啪 I 畸 咄 亩 5 9 8 u m c b)圉5 特性曲线 曲线的灵敏度分别为 2 6 5 mv m和 4 2 0 mX U,m，

19、超 过了目前常用电涡流传感器的灵敏度，在测量范 围内 的线性度 良好，其范围亦能满足电磁轴承的应用要求。5 结论(1)电涡流传感器的形式、结构及安装位置对测量 信号的精度是有影响的，由于 传感器测量的是转子表 面运动的信号，因此，信号中既包含转子中心的偏移，也包含着转子的涡动的情况。(2)位移传感器主要影响电磁轴承的控制精度 应 选择灵敏度高、线性范围大、信噪比大的传感器。(3)若能将传感器装在轴承中，则会使系统的分析 简化，且系统的稳定性更好，这就是进 一步研究差动电 感式位移传感器的 目的。这种传感器 的另一个优点是 电磁轴承的结构更紧凑，更便于产品化。参考文献 1 盎光 阳一 碰气轴受用

20、变位 t 公开特 许公报 平 2 2一l 1 1 1 9 9 0 【2 加睁一路 磁气轴受用 非接 肚型变 位检 出装置 公开特许公报 平 12 8 4 7 0 1 1 9 89 3 B r i m J，H il t o n G I a a d a l e A P o s i t io nf o r ma g n e t ic S t l$1 l t s i o n a n d p o in t i n g s y s t e m U S P a t e n t 1 9 8 6(1 6)4 匪希平 学位论文：西安交通大学，1 9 9 4 5 Ma t s u mu m F ，F u j i t

21、 a M O i d a C A d e s ig n r o b u s t S te r e o c 0 n 口。1 I f o r a n u a b a l a n e e v i b r a t i o n in r a g ne t i b e a r i s y s t e m Pr o t o f t h e 1 s t I n t S y mp o nMa g n e t i c B e i n g s 1 9 8 8(68)：3 1 9 3 2 6 6 藏维德 F 斯图特运算放 大电路设计 手册 北京：人民邮电出版 社 1 9 8 4 (上接第 3页)要获取的信息越来越多。

22、这不仅对传感器的精度、可 靠性和响应速度提 出了越来越高的要求，还要求 传感 器有标准输出形式以便和系统挂接。根据最近几年 国内外的研究，扭矩测量正呈 现以 下的发展趋势”J：(1)由静态测试 向动态在线检测方向发展；(2)由先测应变再间接转换成应力或扭矩而向直 接测应力或扭矩方 向发展 并提高检测精度；(3)测试系统向微型化、数字化、智能化、虚拟化和 网络化方向发展；(4)从单功能向多功能发展，包括 自补偿、自修正、自适应、自诊断、远程设定、状态组合、信息存储和记 忆；(5)扭矩检测与动力装置的控制系统相结合，达到 转速、扭矩、输出功率 之间的优化配置，保证机械设备 运行在展佳状态。参考文献

23、【1 车盂然 任焕琴，孙赦敏 在线动态扭矩 试倥的研制 洛阳工学 院学报，1 9 9 8(1)【2 捌宝华 红补扭矩澍试仪的研制 仪器仪袭学 报 1 9 9 6(3)+【3 车国林 环形变压器供电应变式传感器技术性能与应用 仪表技 术与传感器，2 0 0 0(6)(4 傅愎燕 磁致伸缩放 应非接 触扭矩 传感器的 研究 学位论 文 江苏徐州：中国矿业大学 1 9 9 5 【5 s a s a d aI，Ur m n o t o S，H K No n n t a c tt o r q u e s u s i ng m fia e t l c b e a d s 且 力 d a mng n e t

24、 o s t r i c fiv e la y e r o n the 5 h a nI EEE Tr a a s Ma g n MA G一2 2，1 9 8 6 c 5)：4 0 6 6：昊国 安 磁 致伸缩 型非 品磁性 传感 器 磁 性材 料 与器件 1 9 9 4 c 9)7 S o nD，L i n S J，Kim C S N o n 一n t a c t t o r q u e u s i n gt h e d i f f e nt o f ma x i mt ml i n d u c t io n o f a mor p h o u s I EEE Tr a n s O n Ma

25、 fi a MA G一2 8 1 9 9 2(5)：2 2 0 5 【8 王荣，蔡 德耀一种逆磁致伸缩扭矩传感 器 现代科学仪器，1 9 9 2 (2)f 9 山琦二部口车应用磁学会志 1 9 8 6，1 0(2)：3 7 53 7 8 【1 0 Mi y a s h k aK H u n t R P I E E ETa r a n s Ma fia，1 9 9 0，2 6(5)：1 5 6 0 1 5 6 2 1 1 Mo h r i K Ma k a i Y Ne w t o r q u e u s i n g 8 r a o r p h o u s$i B t 一s h a p e d

26、C O t L I E E ETo nM a fia MA G 一2 3 1 9 8 7(5)=2 1 9 1 1 2 程卫末，董永贵，李潭，等 无线无源声表面渡扭矩传感器的研 究 压 电与声光，2 0 0 0(3 1 3 欧扬，张纪龙 扭矩铡试的发展动态和发展方向 华北工学院学 报，1 9 9 6(1)f 1 4 3 翁挂荣，岳强 微型遥测扭矩世 电子技术应用 1 9 9 4(5)【1 5 棘军，李春兰 旋转机械的功率在线测试技术 热能动力工程 1 9 9 9(3)1 6 张立勋 一种大刚度传动轴的扭矩j喇量方怯 机械与电子 1 9 9 5 (5)1 7 过壁君 i 莓 膜硭阻扭艇传感器 北京：计量出版社，1 9 8 5 1 8：站-H 雷 巴利琴科 北京：计量出版社 1 9 8 5