扭矩傳感器原理及應用

高德亮，范振華

中石油蘭州石化公司設備維修公司，甘肅 蘭州 730060

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。

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。

圖1 扭矩傳感器結構圖

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。

圖2 扭矩信號集散電路

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）：

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：

表1 扭矩傳感器故障與維修

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。

[1]葛偉亮.自動控制元件[M].北京理工大學出版社，2007.