扭矩传感器的概述以及工作原理

一、扭矩传感器概述

扭矩传感器是一种检测装置，能感受到被测量的扭矩信息，其作用是将扭矩相关的自然信号转换成电信号或其它所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。

二、扭矩传感器的工作原理

1、汽车转向系统中的原理

在汽车转向时，转矩传感器会感觉到转向盘的力矩和拟转动的方向，这些信号会通过数据总线发给电子控制单元，电控单元会根据传动力矩、拟转的方向等数据信号，向电动机控制器发出动作指令，电动机会根据具体的需要输出相应大小的转动力矩。

2、静态扭矩传感器原理（电阻应变原理）

静态扭矩传感器根据电阻应变原理把扭转力矩产生的应变转换成与其成线性关系的电信号。静态是指传感器的测量弹性体不参与相对运动。从受力理解，这类测试是测试弹性体相对受的反作用力。静态扭矩传感器旋转不能超过360度，一般用来测试扭矩缓慢变动的场合，采样速度一般低于50次每秒，如测试手动扭矩扳手，变速器的静载扭矩等。

3、动态扭矩传感器原理（应变电测技术）

动态扭矩传感器可以测得该弹性轴受扭的电信号，是采用应变电测技术，在弹性轴上组成应变桥，从而向应变桥提供电源。将信号放大后，经过压频转化，变成与应变成正比的频率信号。一般用来测试扭矩剧烈变动的场合，需要实施扑捉扭矩或扭矩峰值，如拧紧机、电动扳手、电机输出扭矩、发动机输出扭矩、钻杆扭矩等。

4、非接触式扭矩传感器原理

非接触式扭矩传感器输入轴和输出轴由扭杆连接起来，输入轴上有花键，输出轴上有键槽。当扭杆受方向盘的转动力矩作用发生扭转时，输入轴上的花键和输出轴上键槽之间的相对位置就被改变了。花键和键槽的相对位移改变量等于扭转杆的扭转量，使得花键上的磁感强度改变，磁感强度的变化，通过线圈转化为电压信号。由于采用非接触的工作方式，因而寿命长、可靠性高，不易受到磨损、有更小的延时、受轴的偏转和轴向偏移的影响更小，已经广泛用于轿车领域。

5、应变片扭矩传感器原理（应变电测技术）

应变片传感器扭矩测量采用应变电测技术。在弹性轴上粘贴应变计组成测量电桥，当弹性轴受扭矩产生微小变形后引起电桥电阻值变化，应变电桥电阻的变化转变为电信号的变化从而实现扭矩测量。传感器由弹性轴、测量电桥、仪器用放大器、接口电路组成。其特点是分辨能力高、误差较小、测量范围大、价格低廉，便于选择和大量使用。

6、相位差式转矩转速传感器原理（磁电相位差式转矩测量技术）

相位差时扭转传感器就是扭转角相位差式传感器，它的原理就是根据磁电相位差式转矩测量技术，在弹性轴的两端安装两组齿数、形状及安装角完全相同的齿轮，齿轮外侧安装接近传感器。当弹性轴旋转时，两组传感器的波形产生相位差，从而计算出扭矩。它的特点主要是实现了转矩信号的非接触传递，检测的信号是数字信号，转速较高。但是这种扭矩传感器体积较大，低转速时的性能不理想，因此应用已不是很广泛。

三、扭矩传感器的分类

1、按测量状态分

静态扭矩传感器：如上述，适用于扭矩缓慢变动场合，旋转不超360度，采样速度低，依据电阻应变原理工作。

动态扭矩传感器：可用于扭矩剧烈变动场合，能捕捉扭矩或扭矩峰值，采用应变电测技术等工作原理。

2、按工作方式分

非接触式扭矩传感器：输入输出轴通过扭杆连接，通过花键和键槽相对位置变化引起磁感强度改变，进而转化为电压信号来测量扭矩，具有寿命长等优点。

应变片扭矩传感器：在弹性轴上粘贴应变计组成测量电桥，利用应变电测技术实现扭矩测量，有分辨能力高、误差小等特点。

相位差式转矩转速传感器：基于磁电相位差式转矩测量技术，通过弹性轴两端齿轮和接近传感器产生的波形相位差计算扭矩，信号为数字信号，但存在体积大、低转速性能不理想的问题。

四、扭矩传感器的应用领域

1、旋转动力设备检测方面

用于电动机、发动机、内燃机等旋转动力设备输出扭矩及功率的检测。

2、机械装置检测方面

可对风机、水泵、齿轮箱、扭力板手的扭矩及功率进行检测，也应用于铁路机车、汽车、拖拉机、飞机、船舶、矿山机械中的扭矩及功率的检测。

3、其他领域

可用于污水处理系统中的扭矩及功率的检测，用于制造粘度计，在过程工业和流程工业中也有应用，还可以应用于实验室，测试部门以及生产监控和质量控制等。

五、扭矩传感器的选型指南

1、根据被测对象转矩类型

如果测量对象是动态转矩，例如测量电机的起动曲线、停止曲线以及各种工况的变化过程情况，应选择具有模拟量输出口，可以输出模拟量的测量仪。

2、根据使用场合的工况条件

在试验室场合使用，尽量选用精度较高的转矩仪，精度等级不应该低于0.5级或1级；如果使用场合是工业现场，则必须选用可靠性高、结构简单的转矩仪，而精度不要求太高，精确度等级一般为1级、2级、3级即可。

3、根据被测对象的结构特点及测试部位

尽量使用不介入式传感器，在测量场合可以不断开轴系。如果使用介入式传感器，必须断开轴系，弹性轴作为机器的一个部件介入整个传动系统中，使用不方便。

4、根据被测对象的转速情况及额定转矩值

尽量使用非接触式信号传输方式。接触式传输使用较多的滑环式，滑环容易磨损、需要经常清洗、安装困难、信号测量准确性不高，而且测量旋转转矩时允许的测量速度受到很大限制。测量对象转速较高时，必须使用无接触式转矩仪。另外，在转矩传感器量程的选择方面，考虑到传感器的精确度是按满量程计算的，因此传感器的量程对于被测的额定转矩而言，既不能太大，以免实际测量时测量误差太大；另一方面，传感器的量程对被测对象而言，必须有充足的裕度。如果被测转矩有弦振现象，即在稳态转矩上叠加弦振转矩幅值，则传感器的量程不大于被测转矩的1.5倍；若测量的是动态转矩，所选的传感器量程一般应是额定转矩的2倍以上。