數值模擬在扭矩傳感器設計的應用*

陳金明 鐘文斌

（廣州計量檢測技術研究院）

數值模擬在扭矩傳感器設計的應用*

陳金明 鐘文斌

（廣州計量檢測技術研究院）

針對現有扭矩傳感器結構設計問題，根據材料力學原理設計分析傳感器結構，給出總體設計方案和結構圖，利用數值模擬軟件Ansys對傳感器的彈性元件進行結構分析和優化，得出傳感器彈性體表面應變和整體的受力情況，有針對性地指導彈性體后期粘貼應變片，得到較好的使用效果。傳感器樣品實測結果表明，該結構傳感器的線性度可達0.01%。

扭矩；傳感器；數值模擬

0 引言

在工業機器人、汽車和機械加工等行業迅速發展的形勢下，各類動力機械設備需持續、穩定地高效工作，因此，需監控機械設備的狀態參數。扭矩量是監控機械設備工作狀態的重要參數。準確測量和監控機械設備的扭矩量，可較準確地控制機械傳動的能耗，監控設備運行狀況，有利于系統優化設計。為得到理想的扭矩測量結果，需準確度高和性能穩定可靠的扭矩傳感器。

本文簡要介紹扭矩傳感器常用結構的設計，以及幾種不同原理扭矩傳感器的優缺點；詳細分析應變式扭矩傳感器結構特點和力學數學模型，建立扭矩傳感器彈性體3D模型；利用Ansys分析軟件進行有限元分析和適當優化。軟件模擬分析的結果在樣機制作過程中對使用應變片類型的選擇及應變片的粘貼位置都有較好指導意義，因此通過這種方法可以進一步提高扭矩傳感器準確度，從而提高扭矩測量精度。

1 常用扭矩傳感器類型和工作原理

使用扭矩傳感器測量時，需要考慮傳感器的準確度、結構特點、電源供給和信號調制等方面因素，其中傳感器的準確度是重點因素。目前常用的扭矩傳感器結構種類較多，按其原理主要可分為磁電式、光電式和應變式等。

1) 磁電式扭矩傳感器是利用磁場中導體與所在磁場相對運動產生交變感應電動勢的原理。測量軸上均布齒牙與磁體間隙交替變化引起磁通量交替變化，產生感應電動勢。通過測量感應電動勢的相位差，根據測量軸材料的本構關系，從而得出測量軸所受扭矩載荷值。這種扭矩傳感器對于低轉速、微小轉角測量靈敏度不高，準確度較低，且易受環境電磁干擾。

2) 光電式扭矩傳感器原理是測量軸的兩端設置光發射和反射結構，傳感器內置轉換器將反射光信號變換為可測量的電信號，通過運算電路計算兩路反射信號的相位差，得到測量軸兩端相對扭轉角度，根據測量軸材料的本構關系，進而得到測量軸所承受的扭矩載荷值。這種傳感器的缺點是測量準確度受反射裝置的精度限制。

3) 應變式扭矩傳感器是目前應用范圍最廣的一種傳感器，其原理是將應變片粘貼在測量軸表面，測量軸在受到扭矩作用時產生形變后引起應變片電阻值變化，通過電橋和解調電路將應變片阻值的變化轉換成可測量的電壓、電流或頻率等信號，從而得到測量軸所承受的扭矩值。應變式扭矩傳感器的優點主要有：① 適用范圍廣、測量精度高；② 由于應變片自身尺寸小、質量輕，此種傳感器對測量軸在受載荷時的應力分布沒有影響。

2 扭矩傳感器設計原理

合理的外觀結構是獲得較高準確度測量結果的重要保證。將扭矩與載荷的對應關系準確地反映到彈性元件的應力與應變成為結構設置的關鍵。

應變式傳感器利用彈性元件的彎曲、拉伸和剪切等基本形變形式，將形變通過電橋方式轉換為可以測量的電信號量[1]。在扭矩傳感器結構中常見的剪切梁式，可看作是由懸臂梁式或雙固定端梁式的不同貼片位置轉化而來的，剪切梁式結構如圖1所示。圖1中，根據材料力學原理[2-3]，彈性元件在力F作用下產生剪切ε為

其中μ為材料的泊松比。

圖1 剪切梁式結構

以剪切輪輻式扭矩傳感器彈性元件（圖2）為例進行實際模擬測試。彈性元件的每條輪輻臂都可以看作兩端固定的剪切梁，因此使用這種結構的傳感器測量時，可看成是用4條剪切梁作為敏感結構進行測量，同時這種結構有利于提高傳感器測量精度和敏感度[2]。

圖2 剪切輪輻式彈性元件結構

剪切輪輻式結構的彈性體在扭矩T作用下，彈性體彈性轉角和應變參數分別為

其中，B為彈性梁橫截面寬/mm；H為彈性梁橫截面高/ mm；R為彈性梁橫截面中心分布圓半徑/ mm；L為彈性梁長度/ mm；E為彈性體材料的彈性模量/Pa。

3 設計計算及結果討論

使用Ansys軟件對傳感器彈性體在受到扭矩載荷時，表面形變及應力分布情況進行仿真模擬和分析。Ansys是一款成熟的CAE軟件。對模型分析時，在程序中設置相應的計算參數和約束條件，提交給求解器進行求解，計算結果返回Ansys程序進行結果顯示。若對當前設計方案所模擬出的結果不滿意，可重新設置參數后再分析，直到對設計方案滿意為止。

上述輪輻式扭矩傳感器結構及受力狀況，為應變片粘貼位置的選擇提供指導依據。在模擬分析中，設定扭矩傳感器所受最大測量扭矩T = 150 Nm，材料力學性能參數設置為劃分有限元網格后計算得到變形云圖，模型變形情況如圖3所示。

圖3 模型變形云圖

從變形云圖表面形變模擬結果情況來看，輪輻式彈性體結構在受到扭矩載荷后，在4條輪輻臂梁上產生較好的剪應變效應。這個分析對實際測量中安裝布置電阻應變片具有較好的指導意義。參考輪輻式彈性體模擬的變形云圖結果，在實物樣品上布置安裝電阻應變片，貼片組橋，組成測試橋路進行實際測試。使用0.03級扭矩標準機進行測試，通過連續實測得到一組數據（如表1所示），通過計算該傳感器線性度接近0.01%，得到較好的測試結果。

表1 輪輻式扭矩傳感器試驗數據

4 結語

本文利用傳統的傳感器設計經驗和現代3D數值模擬分析，進一步優化傳感器的結構和性能，縮短傳感器開發周期。在扭矩測試過程中扭矩傳感器和測量儀表易受環境中溫度、電磁等因素干擾，所測的扭矩值可能會偏離真實值。應變式扭矩傳感器從原理上將扭矩測量轉化為對彈性形變敏感材料的性能研究，建立扭矩與彈性材料相應的本構關系，設計適用、合理的檢測裝置結構，完善扭矩測量方案，同時從原理分析著手，使用模擬仿真軟件加以輔助驗證，設計研制出精度較高的、適應性強應變式扭矩傳感器。

[1] 張家全.靜動態扭矩傳感器的設計方案[J].中國電子學會力敏專業論文集,2000:69-73.

[2] 吳吉利,楊明亮,梁應選.四梁式扭矩傳感器的設計與優化[J].陜西理工學院學報(自然科學版),2011,27(4):1-6.

[3] 林福嚴,周寧聞,付朝英,等.輪輻結構的聯軸器式扭矩傳感器研究[J].傳感器與微系統,2012,31(11):40-42,46.

The Application of Mechanical Simulationin the Design of Torque Sensor

Chen Jinming Zhong Wenbin
(Guangzhou Institute of Measurement and Testing Technology)

For existing torque sensor design, this paper introduced the principle of mechanical design analysis, given the overall design and structure diagrams, using simulation software ansys elastic sensor element structural analysis and optimization, obtained elastic sensor surface strain and overall stress situation, targeted guidance of the late adhesive elastomer strain gauge to obtain better results. And sensor samples were measured by actual tests show that the linearity of the sensor was 0.01%.

Torque; Sensors; Mechanical Analysis

陳金明，男，1979年生，工程師，碩士，主要研究方向：力學計量和測試等。E-mail: Chenjinming000@163.com

廣東省質監局科研項目“標準扭力扳手研發”（2014PJ04）

鐘文斌，男，1979年生，高級工程師，碩士，主要研究方向：力學計量和質量技術管理等。