應變式動態扭矩傳感器的應用探討

沈力

深圳市鑫精誠科技有限公司，廣東深圳 518115

0 前言

應變式扭矩傳感器從大類上可以分為應變式靜態扭矩傳感器和應變式動態扭矩傳感器（以下簡稱動態扭矩傳感器）兩種。隨著我國工業技術水平日漸增強，對工業產品的質量控制以及設備工作時的狀態監測也日益受到重視[1]，新的扭矩的應用場合也不斷涌現，如：通過監控打磨拋光設備的扭力變化來確定打磨拋光的表面質量；通過給電動扭矩扳手安裝扭矩傳感器來控制擰螺絲的預緊力來實現扭力值的可控；通過對加工中心的刀柄的扭矩監控，從而檢測被加工產品的表面質量和刀具的磨損情況；通過對汽車方向盤及各旋轉按鈕的扭力檢測來獲得最佳的工藝扭矩參數；通過在機器人的6 自由度關節上安裝關節扭力傳感器，實現機器人產生力的“觸覺”；通過對筆記本電腦及折疊屏收機的折彎扭矩的測量來提升產品的品質和優化生產工藝等。所以，對于扭矩傳感器的需求越來越多，尤其是對于動態扭矩傳感器的需求數量在不斷地增加。

動態扭矩傳感器不同于常規的應變式傳感器，它對于傳感器的選型、量程的選擇、安裝和使用方法都有特殊的要求，無論進口產品還是國產產品，如果安裝使用不當，都可能造成測量結果精度不高，甚至損壞扭矩傳感器[2]。所以，本文著重對動態扭矩傳感器的分類及各類別傳感器的優缺點、量程選擇建議、聯軸器的選擇建議，以及安裝注意事項進行探討，希望能對傳感器的實際測試精度和使用壽命的提高有所幫助。

1 動態扭矩傳感器介紹

動態扭矩傳感器按結構一般分為接觸式和非接觸式兩種。

1.1 接觸式動態傳感器

接觸式動態傳感器一般是指滑環式結構。滑環式傳感器的原理和制作工藝比較簡單，通過滑環和碳刷將傳感器的內部信號傳輸到外部。滑環式傳感器通常不推薦在長時間轉動或高轉速的應用環境下使用，原因一是碳刷會有磨損現象，導致產生導電灰塵，從而影響信號傳輸；原因二是銀鎳合金集流環和銀石墨電刷的使用壽命原本就不高，一般小于6×108 轉[3]，而高速的轉動會加速碳刷的磨損，從而降低傳感器使用的壽命；原因三是摩擦產生的熱量會傳遞到傳感器上，從而引起傳感器輸出信號產生溫漂誤差。滑環式傳感器的優點在于它輸出的信號是應變式傳感器的電橋原始的差分電壓信號，該信號無需處理就可直接與常規應變式傳感器配套的儀表使用。另外，該種結構的傳感器還具有成本低廉、體積小、動態響應高等優點。

1.2 非接觸式動態傳感器

常見的非接觸式動態傳感器有電磁感應式、數字式、光電式3 種。

1.2.1 電磁感應式

電源經過處理后經耦合將能源供給惠斯通電橋，電橋將應變軸的微小變形轉化為電信號，經過放大器的放大送到電壓/頻率變換器，把電壓信號轉換成可以耦合的頻率信號，經輸出信號耦合器輸出，通過信號輸出電路整形后輸出調頻方波信號，然后測出方波頻率量，就可以得到相應的扭矩值[4]，原理示意圖如圖1 所示。

傳感器的結構示意圖如圖2 所示，傳感器主要由彈性體、內磁環組件、外磁環組件、外殼、接線盒、深溝球軸承、PCBA、電阻應變片等元器件構成。

這種非接觸式扭矩傳感器在旋轉過程中不存在磨損現象，所以可以應用于高速及長期轉動的場合。此外，該傳感器不存在摩擦發熱的問題，使用壽命長。另外，由于軸承的低摩擦使得啟動扭矩可以非常小，所以可以設計生產超小量程的扭矩傳感器。

該類傳感器因為經過了電磁感應的多次轉換，所以它的動態響應頻率沒有滑環式的高。另外，該傳感器抗外界電磁干擾的能力差。

該種原理的傳感器制作工藝簡單，生產成本低，所以目前市場上大多數中低端的非接觸式傳感器廠家用的都是該種原理。

1.2.2 數字式

數字式原理的傳感器給電橋供電的方式和電磁感應式是一樣的，兩者的區別是對于傳感器輸出信號的處理方式，即當電橋輸出微小的電壓信號后，經過數/模轉換轉化為數字信號，并將該數字信號通過無線傳輸模組傳輸到橋路外部，外部的無線接受模塊將接收到的信號傳輸到電腦或PLC。

這種數字式扭矩傳感器除了有著電磁感應式同樣的優點外，還具有抗電磁干擾能力強的優點，它的缺點也是傳感器的動態響應頻率沒有滑環式的高。

1.2.3 光電式

光電式原理的傳感器給電橋供電的方式和電橋輸出信號處理方式和數字式一樣，區別是信號傳輸到外部的方式不同，當輸出信號被轉化為數字信號后，通過發光LED 和光電探測器將信號傳送到外部的固定電路，再通過轉化為數字信號被應用[5]。

這種光電式的扭矩傳感器除兼具數字式原理的各種優點外，還有動態響應頻率高的優點，所以目前大多數國外高端品牌的傳感器廠家都是用的這種原理。

2 確定合適的量程

動態扭矩傳感器量程的選擇與常規的應變式傳感器有很大差異。量程的選擇是否正確決定著扭矩傳感器的使用壽命和測量精度，因此是一個非常關鍵的因素。如果量程選擇太小，則傳感器很容易過載損壞；如果量程選擇太大，又會對測量精度有影響。下面介紹一種比較合理的量程選擇方法。

2.1 計算電機的平均運行扭矩

電機的平均運行扭矩計算公式為：

其中，T——扭矩（單位：N·m）；

P——功率（單位：kW）

n——轉速（單位：r/min）

2.2 確定安全系數K

在大多數的使用場合，量程的選擇不僅僅是簡單計算并選擇電機的平均運行扭矩，還需要確定預留多大的安全系數來防止傳感器的過載。傳感器的兩端分別連接的是驅動端和負載端，所以需要考慮驅動端的驅動系數因子K1和負載端的負載系數因子K2，通過確定這兩個值來計算整個測試系統的最大扭矩值，從而確定合適的安全系數。

確定傳感器扭矩輸入端的驅動系數因子K1，不同類型的驅動器會影響應用程序中最大的預期峰值扭矩，具體如表1 所示。

表1 驅動系數因子K1

通過表1，根據實際使用的驅動設備來選擇相應的驅動系數因子K1。

確定傳感器扭矩輸出端的負載系數因子K2，與驅動端類似，也分為幾個等級，具體如表2 所示。

同樣，通過表2，根據實際使用時不同的應用環境來選擇對應的負載系數因子K2。

表2 負載系數因子K2

將通過上述兩個表格得到的K1和K2放入安全系數的計算公式K=K1+K2，從而得到安全系數K。

結合上述條件，可以計算出最大峰值扭矩，計算公式如下：

其中，T峰——峰值扭矩；

T——扭矩平均值；

K1——驅動系數因子；

K2——負載系數因子。

一般將計算得到的最大峰值扭矩做為動態扭矩傳感器的推薦量程。

3 聯軸器的選用

3.1 撓性聯軸器作用

由于加工誤差和裝配誤差的存在會使傳感器在裝配后產生徑向力和角度偏差，從而使得傳感器在旋轉使用的過程中導致軸承加快磨損、傳感器發熱、正反轉傳感器信號輸出差異較大等異常現象。另外，各部件在熱脹冷縮的情況下會導致裝配處產生軸向的偏差，使傳感器受到軸向力，以上幾種情況都會影響傳感器的測量精度和使用壽命，而如果使用合適的撓性聯軸器則可以補償這些誤差，延長其使用壽命。

3.2 撓性聯軸器選擇

對于設有帶墊高塊的機構的情況（如圖3 所示），使用雙撓性聯軸器比較合理，可以對平行度和角度的誤差進行補償，對于這種機構來說，好的直線度是非常有必要的。

對于傳感器懸浮式的安裝結構來說（如圖4 所示），半撓性聯軸器會比較適合，這種安裝方式很多被用于大量程的扭矩場合和需要長期測試的使用場合。

在高轉速的場合，為了避免在測試的過程中有較大的阻尼和變形，應該盡量選用剛性高一些的聯軸器，如膜片聯軸器等，尤其在啟動轉矩很大的場合，選擇剛性高的聯軸器尤其重要。

4 使用注意事項

動態扭矩傳感器的安裝使用參照如下：

（1）小量程的傳感器建議設計光軸結構。與帶鍵槽結構的軸相比，光軸結構的扭矩可以更均勻地將被測扭矩引入到測量軸，傳感器也易于組裝和拆卸，在裝配上可以做到零間隙，從而減少裝配誤差；

（2）如果用鍵槽連接的方式，鍵與鍵槽之間應該采用過盈配合，在大扭矩的結構中推薦使用雙鍵的形式；

（3）在安裝傳感器時建議先使用銅棒等替代品來預安裝，待安裝調整和設備調試完成后再用傳感器來替換；

（4）當傳感器被用于皮帶、鏈條或齒輪傳動系統直接驅動或加載的應用時（如圖5 所示），應采取預防措施，避免長期受到徑向載荷，從而導致軸承磨損或者傳感器內部損壞，可以有效地避免該種情況；

（5）在安裝傳感器時，調整驅動端、負載端和傳感器三者的直線度、同軸度和平行度，并要求誤差值均小于0.03 mm；

（6）在使用過程中，確保傳感器的殼體及輸出線不發生轉動；

（7）傳感器安裝完成后，不能直接按額定轉速進行運行，需要將傳感器按一個較低的轉速先試運行，查看傳感器的運行狀況及信號的輸出穩定性，一切正常后再慢慢加大到額定轉速；

（8）避免外界其他裝置的溫度傳遞到傳感器上，傳感器在高速旋轉的時候需要實施通風冷卻措施，避免軸承發熱。

5 傳感器應用的發展方向

隨著新技術及新工藝在動態扭矩傳感器上的應用，該系列傳感器的發展也是日新月異，根據對最近幾年國內外新研發內容的研究，動態扭矩傳感器正呈現以下的發展趨勢：

（1）智能化：將動態扭矩傳感器中安裝TEDS 智能芯片，可以實現傳感器的智能化。TEDS 是一個傳感器電子數據表窗口（Transducer ElectronicData Sheet），它可以儲存測力或稱重傳感器的各種信息，如將傳感器生產廠家、傳感器型號、產品的序列號、版本號、響應時間、橋路阻值、最小及最大的力值，最小及最大的輸出信號、最小及最大的激勵電壓、校準時間、有效期、校準人等信息儲存到存儲器中，也可以存儲其他客戶需要的傳感器獨特的屬性[5]；

（2）使用量程的微型化：隨著大量的微型受力的應用場合被開發，動態扭矩傳感器的量程也有越來越小的發展趨勢，目前市場已有0.01 N·m 及更小量程的傳感器需求；

（3）超高轉速：由于動態扭矩傳感器在研磨市場的應用需求加大，對于轉速的需求也是越來越高，市場上已有25,000 r/min 及更高轉速傳感器的需求。這對于精密的高品質及高壽命的軸承選擇、裝配件的精密機加工和優異的動平衡都提出了很高的要求。在大多數應用中，傳感器的疲勞壽命就是軸承的最大使用壽命。另外，軸承的額定轉速也決定了傳感器的額定轉速；

（4）多量程：目前有些電機功率檢測的應用場合要求傳感器可以覆蓋更寬的負載范圍，同一傳感器的最小最大量程之間相差100 倍，甚至更高，使在同一個傳感器上既可以測量恒載扭矩，也可以檢測諸如負載峰值等瞬態值，這樣可以減少在更換傳感器或重新調整測試臺上的時間浪費；

（5）圖表化：傳感器輸出信號可以直插電腦，快速讀取扭矩-轉角或扭矩-轉速-機械功率的數據與曲線，并根據需要進行數字或圖形分類，實現電腦化分析和報表。