扭矩傳感器的發展研究綜述

宋春華，徐光衛

(西華大學，四川成都 610039)

0 引 言

扭矩傳感器是扭矩測試中不可或缺的重要部分。它主要用來測量各種扭矩、轉速及機械功率，它將扭力的變化轉化成電信號，其精度關系到整個檢測系統的精度。扭矩傳感器在后面的檢測系統中起著非常重要的作用，如果傳感器沒有高的精度，后面的精度再高，也難以提高整個檢測系統的精度。因此，隨著對檢測系統精度及應用范圍要求的不斷提高，扭矩傳感器也在不斷地發展著。

1 國內扭矩傳感器的發展研究情況

非接觸式扭矩傳感器無接觸、使用壽命長、無磨損、轉換精度高;非接觸式傳感器采用微電子測量，可靠性大幅提高，可在高轉速下進行扭矩測量;內藏控制電路，可以實現各種控制補償提高精度;通過無線發送和接收可以實現直接與數字儀表和計算機相聯。非接觸式扭矩傳感器主要包括應變式、磁彈性式、磁電式和光電式傳感器。

1.1 應變非接觸式傳感器發展研究情況

應變非接觸式傳感器是從應變接觸式傳感器的基礎上發展起來的，它整合了已有的扭矩測量技術和方法，通過技術改進和革新，實現非接觸扭矩測量目標;它采用無線電遙測技術替代接觸式的用導電滑環和刷臂傳輸扭矩信息的非接觸式扭矩傳感器。下面分別介紹應變非接觸傳感器的發展研究情況。

1993年蘇州大學工學院研制的微型遙測扭矩儀［1］。工作原理是把貼于軸上的應變橋路和大規模模擬集成電路5G7650的放大器、單片集成的V/f轉換器AD537的V/f電路及發射電路固定在轉軸上，其接收放大電路用飛利浦公司的TDA7021T調頻信號處理電路。此類扭矩傳感器利用無線傳輸的總精度約為0.5%。

1994年航天工業總公司的第四十四研究所研制了CN15－1型轉矩轉速傳感器［2］，為了提高傳感器的使用壽命和測量精度，它的轉矩測量電源傳輸采用了電感引電器機構，即用電磁感應現象來傳輸能源。它的工作原理和變壓器相似，初次級線圈分別繞在一個靜止和一個旋轉的磁芯上。CN15－1型傳感器是用光電計數－測頻法進行轉速測量的。CN15－1型傳感器的轉矩測量信號輸出運用電容引電器機構。

1997年洛陽工學院和洛陽軸承集團公司共同研制了在線動態扭矩測試儀［3］。它把檢測和發射電路集成在一塊20 mm×35 mm的印刷電路板上，與扭矩傳感器固接在一起。

1.2 磁彈性式傳感器發展研究情況

基于鐵磁物質的壓磁效應制成了磁彈性式傳感器。某些鐵磁物質在外界機械力的作用下，其內部產生應力，從而引起磁導率的變化，這種現象稱為壓磁效應。反之，某些鐵磁物質在外界磁場力的作用下會產生變形，部分伸長，部分壓縮，這種現象稱為磁致伸縮。

2001年華北工學院張艷花等研究一種新型磁彈傳感器［4］。它提出一種新的測試方法，這種方法不借助涂層，直接測定軸材料應力。這種扭矩傳感器是在U形磁芯上繞上一組線圈，構成檢測磁頭，使用時將扭矩傳感器安裝在金屬表面，由被測金屬和傳感器檢測磁頭的磁芯共同構成一個磁路，通過測量閉合磁路磁阻的改變，從而測得扭應力的變化。

2001年中國礦業大學設計了一種適用于煤礦生產中的逆磁致伸縮效應扭矩傳感器［5］，這種扭矩傳感器由外罩、激勵線圈和測量線圈、激勵鐵心和測量鐵心、調節裝置和鐵心固定架等組成。兩個有相同截面形狀的U型鐵心呈十字交叉安放，各個磁極上分別繞有測量線圈和激勵線圈，其中激勵線圈和測量線圈的兩個磁極所在平面與被測軸線平行和垂直。兩對磁極與被測軸表面之間有氣隙，≥1 mm。當激勵線圈接交流電壓時，在被測軸表面的對應部分產生相應磁場，由于材料的各向同性，當軸無扭矩作用時，此磁場具有對稱性，磁橋處于平衡，測量線圈中就會有感應電勢產生;當軸受有扭矩作用時，軸體表面磁場就會失去對稱性，磁橋平衡被打破，于是在測量線圈中就有感應電動勢產生。再根據輸出電壓與被測軸扭矩的關系就可得到要測的扭矩值。

1.3 磁電式傳感器發展研究情況

磁電式傳感器是依據磁電轉換和相位差原理制成的。它將扭矩值轉換成有相位差的電信號，因而實現扭矩的測量。

2005年重慶工學院遠程測試與控制技術研究所研究了一種基于螺管形差動變壓器的非接觸式扭矩傳感器［6］。其工作原理是當軸受到扭矩作用時，軸會產生轉角，當軸產生轉角時，凸塊在銜鐵內部運動將軸的轉角轉化為銜鐵的軸向位移，進而轉換為次級線圈的感應電動勢。

2009年淮海工學院機和江蘇海洋資源開發研究院共同研制了一種新型磁電感應式動態非接觸扭矩傳感器［7］，它是在轉軸表面附著一條薄帶，其磁導率遠大于晶態合金Co基非晶態合金薄帶，它的軸向和徑向尺寸與傳感器鐵心尺寸相符，厚度為0.035 mm。扭矩傳感器探頭采用了“E”字型磁極，兩側為測量磁極，中間為激勵磁極。當激磁繞組通入一定頻率的激磁電流時，形成閉合磁路;當傳感器探頭與非晶態合金薄帶和轉軸正對時，由于氣隙的變化，磁路中的磁阻會發生變化，進而引起磁通變化，最終導致測量繞組中感應電壓的變化。確定出兩測量線圈輸出感應電壓的相位差就可以計算出轉軸所受扭矩的大小。

1.4 光電式傳感器發展研究情況

光電式扭矩傳感器的主要部件有光源和光電元件。當傳動軸受力時，光電元件把光源得到的光強度變化轉換成輸出脈沖電流的變化，通過電流的變化的測量來實現扭矩的測量。2006年重慶大學的光電技術及系統教育部重點實驗室研究了一種光柵扭矩動態測量系統［8］。它是在主軸兩端各安裝一對與主軸相連的主光柵和與光電三極管固定在一起的指示光柵，通過形成莫爾條紋，照射到光電三極管上。光電三極管實現光信號和電信號的轉換。當主軸受力時兩個光電三極管產生的電信號會因為光的衍射而具有一定的相位差。通過對相位差的處理可以得到所需的扭矩值。

2 國外扭矩傳感器發展研究情況

2.1 國外扭矩傳感器的現狀

1986年日本福岡九州大學研制出新型磁頭型扭矩傳感器［9］。此傳感器在軸上使用等離子法噴覆一小段磁致伸縮層，兩個鐵氧磁芯組成U型磁頭與軸線成±45°。磁頭與軸相距一定距離，磁頭上繞有線圈，線圈構成了橋式電路的一部分。采用這種結構可使整個測試裝置變得很小巧，這種扭矩傳感器的另一個特點是它對應力敏感，因而廣泛用于粗短、笨重的傳動軸和扭力軸上，且無需占用較大空間。

1987年日本九州技術研究所研制了用非晶態星形線圈制成的扭矩傳感器［10］。此扭矩傳感器是把n束非晶態金屬絲依次串聯在一起，并放于固定軸上的N極環形磁鐵周圍，他們可以感應到磁場強度的改變，與后續元件組成多諧振蕩電路。扭矩產生的角位移通過磁場相位差的形式被星形線圈所感應，最后通過振蕩電路以電壓形式輸出。

1992年Sasada等人提出在轉軸表面粘貼與軸成45°角的八字形布置的Fe基非晶薄帶的方法［11］。其工作原理是轉軸在扭矩的作用下，會在與軸成±45°方向上產生主應力，再由磁致伸縮逆磁效應感生出各向異性力K，非晶薄帶的磁化率將隨K變化。通過測得磁導率的改變便可求出扭力。

1989年美國弗吉尼亞西蒙精密飛行器公司研制了光纖扭矩傳感器［12］，它的主要由偏振片、反射偏振片、透鏡、光盤、光纖、頻率計和相位計等構成。它用光纖作為探頭，接收被反射的光，然后根據軸彈簧常數和相位差來計算扭矩的大小。

2.2 國外扭矩測量儀現狀

德國HBM公司是全球首家數字扭矩傳感器制造商，從1958年開始的扭矩傳感器一直是行業標準，此標準廣泛用于發動機與零部件的測試臺架、生產監控與實驗室的扭矩標定。其產品包括扭矩傳感器、非轉動式扭矩傳感器與用于扭矩傳感器的各類聯軸器以及測量儀表等。HBM公司擁有滑環和非接觸式信號傳輸的專利技術，其額定測量范圍從0.1～2 mN·m。

美國阿克來克斯公司中的一個子公司WDC(即無線數據傳輸公司)，從上世紀70年代起，開始生產“通用海上試驗功率測試系統”，其顯示板上可顯示被測試主機的轉速、扭矩和功率。這些儀器的扭矩測量是采用卡環式應變傳感器測量被測軸的扭轉變形，通過變形量來計算扭矩的。

日本小野測試社擅長制造相位差磁電式扭矩測量儀，最初的產品多用于實驗室，適用于精密測量扭矩。

德國馬霍克公司生產的振弦式扭矩測量儀聞名世界。該測量儀是利用軸扭轉時使傳感器中的鋼弦拉緊或放松，從而改變鋼弦自身頻率變化測得扭矩;數據傳輸方式有滑環式和感應式兩種。

3 扭矩傳感器將來研究重點與發展方向

3.1 扭矩傳感器研究重點

目前扭矩傳感器還存在著一些問題，今后的研究重點應該放在以下兩個方面:

(1)解決接觸式應變扭矩傳感器中應變計的引線需要靠滑環引出，長時間工作后，滑環容易發熱老化，甚至斷裂脫落問題;解決小扭矩測量時傳感器工作在非線性區的問題;解決較大扭矩測量時不易測量和變形過大等問題。

(2)解決非接觸傳感器由于溫度、算法等因素的影響以及相關信號的采集困難，精度還需要進一步提高的問題;解決靜態扭矩測量方面的技術難題。

3.2 扭矩傳感器的發展方向

非接觸式扭矩傳感器的種類較多，隨著新材料新技術的發展將會不斷出現各種類型的非接觸扭矩傳感器。基于無線信號傳輸模塊的非接觸式扭矩傳感器具有較低的研發成本因而更受市場青睞。隨著新型扭矩傳感器的不斷標準化、規格化，測量精度將不斷提高，其性價比和市場競爭力也在不斷提高，應用越來越廣泛。所以扭矩傳感器的發展趨勢:

(1)市場化、低成本化發展。各類扭矩傳感器都會隨著客戶對扭矩傳感器要求而不斷發展。客戶會對其精度和成本等各方面提出更高的要求，因而生產廠家必須考慮其市場化和低成本化的問題。

(2)智能化、數字化和網絡化發展。隨著物聯網技術的發展，扭矩傳感器會隨著這種新技術的發展而不斷發展，向智能化、數字化和網絡化方向前進。

(3)隨著新材料技術和其它傳感器技術的不斷發展，扭矩傳感器必將向著不斷開發的新型材料、新技術方向發展。

(4)向兩極化發展(即小型化和大型化發展)。隨著微機電相關技術的發展，以及一些相關小型扭矩測量的需求，扭矩傳感器向小型化發展成為一個重要的發展方向;隨著大型扭矩傳感器的市場需求不斷增加，以及相關行業的發展，扭矩傳感器向大型化發展也成為一個重要的發展方向。

扭矩傳感器在工具、電機、風電等行業有著廣泛應用，隨著市場需求不斷發展，研究新型的適應社會市場需要的扭矩傳感器是扭矩傳感器發展的方向。

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