扭矩传感器的发展研究综述

宋春华，徐光卫

(西华大学，四川成都 610039)

0 引 言

扭矩传感器是扭矩测试中不可或缺的重要部分。它主要用来测量各种扭矩、转速及机械功率，它将扭力的变化转化成电信号，其精度关系到整个检测系统的精度。扭矩传感器在后面的检测系统中起着非常重要的作用，如果传感器没有高的精度，后面的精度再高，也难以提高整个检测系统的精度。因此，随着对检测系统精度及应用范围要求的不断提高，扭矩传感器也在不断地发展着。

1 国内扭矩传感器的发展研究情况

非接触式扭矩传感器无接触、使用寿命长、无磨损、转换精度高;非接触式传感器采用微电子测量，可靠性大幅提高，可在高转速下进行扭矩测量;内藏控制电路，可以实现各种控制补偿提高精度;通过无线发送和接收可以实现直接与数字仪表和计算机相联。非接触式扭矩传感器主要包括应变式、磁弹性式、磁电式和光电式传感器。

1.1 应变非接触式传感器发展研究情况

应变非接触式传感器是从应变接触式传感器的基础上发展起来的，它整合了已有的扭矩测量技术和方法，通过技术改进和革新，实现非接触扭矩测量目标;它采用无线电遥测技术替代接触式的用导电滑环和刷臂传输扭矩信息的非接触式扭矩传感器。下面分别介绍应变非接触传感器的发展研究情况。

1993年苏州大学工学院研制的微型遥测扭矩仪［1］。工作原理是把贴于轴上的应变桥路和大规模模拟集成电路5G7650的放大器、单片集成的V/f转换器AD537的V/f电路及发射电路固定在转轴上，其接收放大电路用飞利浦公司的TDA7021T调频信号处理电路。此类扭矩传感器利用无线传输的总精度约为0.5%。

1994年航天工业总公司的第四十四研究所研制了CN15－1型转矩转速传感器［2］，为了提高传感器的使用寿命和测量精度，它的转矩测量电源传输采用了电感引电器机构，即用电磁感应现象来传输能源。它的工作原理和变压器相似，初次级线圈分别绕在一个静止和一个旋转的磁芯上。CN15－1型传感器是用光电计数－测频法进行转速测量的。CN15－1型传感器的转矩测量信号输出运用电容引电器机构。

1997年洛阳工学院和洛阳轴承集团公司共同研制了在线动态扭矩测试仪［3］。它把检测和发射电路集成在一块20 mm×35 mm的印刷电路板上，与扭矩传感器固接在一起。

1.2 磁弹性式传感器发展研究情况

基于铁磁物质的压磁效应制成了磁弹性式传感器。某些铁磁物质在外界机械力的作用下，其内部产生应力，从而引起磁导率的变化，这种现象称为压磁效应。反之，某些铁磁物质在外界磁场力的作用下会产生变形，部分伸长，部分压缩，这种现象称为磁致伸缩。

2001年华北工学院张艳花等研究一种新型磁弹传感器［4］。它提出一种新的测试方法，这种方法不借助涂层，直接测定轴材料应力。这种扭矩传感器是在U形磁芯上绕上一组线圈，构成检测磁头，使用时将扭矩传感器安装在金属表面，由被测金属和传感器检测磁头的磁芯共同构成一个磁路，通过测量闭合磁路磁阻的改变，从而测得扭应力的变化。

2001年中国矿业大学设计了一种适用于煤矿生产中的逆磁致伸缩效应扭矩传感器［5］，这种扭矩传感器由外罩、激励线圈和测量线圈、激励铁心和测量铁心、调节装置和铁心固定架等组成。两个有相同截面形状的U型铁心呈十字交叉安放，各个磁极上分别绕有测量线圈和激励线圈，其中激励线圈和测量线圈的两个磁极所在平面与被测轴线平行和垂直。两对磁极与被测轴表面之间有气隙，≥1 mm。当激励线圈接交流电压时，在被测轴表面的对应部分产生相应磁场，由于材料的各向同性，当轴无扭矩作用时，此磁场具有对称性，磁桥处于平衡，测量线圈中就会有感应电势产生;当轴受有扭矩作用时，轴体表面磁场就会失去对称性，磁桥平衡被打破，于是在测量线圈中就有感应电动势产生。再根据输出电压与被测轴扭矩的关系就可得到要测的扭矩值。

1.3 磁电式传感器发展研究情况

磁电式传感器是依据磁电转换和相位差原理制成的。它将扭矩值转换成有相位差的电信号，因而实现扭矩的测量。

2005年重庆工学院远程测试与控制技术研究所研究了一种基于螺管形差动变压器的非接触式扭矩传感器［6］。其工作原理是当轴受到扭矩作用时，轴会产生转角，当轴产生转角时，凸块在衔铁内部运动将轴的转角转化为衔铁的轴向位移，进而转换为次级线圈的感应电动势。

2009年淮海工学院机和江苏海洋资源开发研究院共同研制了一种新型磁电感应式动态非接触扭矩传感器［7］，它是在转轴表面附着一条薄带，其磁导率远大于晶态合金Co基非晶态合金薄带，它的轴向和径向尺寸与传感器铁心尺寸相符，厚度为0.035 mm。扭矩传感器探头采用了“E”字型磁极，两侧为测量磁极，中间为激励磁极。当激磁绕组通入一定频率的激磁电流时，形成闭合磁路;当传感器探头与非晶态合金薄带和转轴正对时，由于气隙的变化，磁路中的磁阻会发生变化，进而引起磁通变化，最终导致测量绕组中感应电压的变化。确定出两测量线圈输出感应电压的相位差就可以计算出转轴所受扭矩的大小。

1.4 光电式传感器发展研究情况

光电式扭矩传感器的主要部件有光源和光电元件。当传动轴受力时，光电元件把光源得到的光强度变化转换成输出脉冲电流的变化，通过电流的变化的测量来实现扭矩的测量。2006年重庆大学的光电技术及系统教育部重点实验室研究了一种光栅扭矩动态测量系统［8］。它是在主轴两端各安装一对与主轴相连的主光栅和与光电三极管固定在一起的指示光栅，通过形成莫尔条纹，照射到光电三极管上。光电三极管实现光信号和电信号的转换。当主轴受力时两个光电三极管产生的电信号会因为光的衍射而具有一定的相位差。通过对相位差的处理可以得到所需的扭矩值。

2 国外扭矩传感器发展研究情况

2.1 国外扭矩传感器的现状

1986年日本福冈九州大学研制出新型磁头型扭矩传感器［9］。此传感器在轴上使用等离子法喷覆一小段磁致伸缩层，两个铁氧磁芯组成U型磁头与轴线成±45°。磁头与轴相距一定距离，磁头上绕有线圈，线圈构成了桥式电路的一部分。采用这种结构可使整个测试装置变得很小巧，这种扭矩传感器的另一个特点是它对应力敏感，因而广泛用于粗短、笨重的传动轴和扭力轴上，且无需占用较大空间。

1987年日本九州技术研究所研制了用非晶态星形线圈制成的扭矩传感器［10］。此扭矩传感器是把n束非晶态金属丝依次串联在一起，并放于固定轴上的N极环形磁铁周围，他们可以感应到磁场强度的改变，与后续元件组成多谐振荡电路。扭矩产生的角位移通过磁场相位差的形式被星形线圈所感应，最后通过振荡电路以电压形式输出。

1992年Sasada等人提出在转轴表面粘贴与轴成45°角的八字形布置的Fe基非晶薄带的方法［11］。其工作原理是转轴在扭矩的作用下，会在与轴成±45°方向上产生主应力，再由磁致伸缩逆磁效应感生出各向异性力K，非晶薄带的磁化率将随K变化。通过测得磁导率的改变便可求出扭力。

1989年美国弗吉尼亚西蒙精密飞行器公司研制了光纤扭矩传感器［12］，它的主要由偏振片、反射偏振片、透镜、光盘、光纤、频率计和相位计等构成。它用光纤作为探头，接收被反射的光，然后根据轴弹簧常数和相位差来计算扭矩的大小。

2.2 国外扭矩测量仪现状

德国HBM公司是全球首家数字扭矩传感器制造商，从1958年开始的扭矩传感器一直是行业标准，此标准广泛用于发动机与零部件的测试台架、生产监控与实验室的扭矩标定。其产品包括扭矩传感器、非转动式扭矩传感器与用于扭矩传感器的各类联轴器以及测量仪表等。HBM公司拥有滑环和非接触式信号传输的专利技术，其额定测量范围从0.1～2 mN·m。

美国阿克来克斯公司中的一个子公司WDC(即无线数据传输公司)，从上世纪70年代起，开始生产“通用海上试验功率测试系统”，其显示板上可显示被测试主机的转速、扭矩和功率。这些仪器的扭矩测量是采用卡环式应变传感器测量被测轴的扭转变形，通过变形量来计算扭矩的。

日本小野测试社擅长制造相位差磁电式扭矩测量仪，最初的产品多用于实验室，适用于精密测量扭矩。

德国马霍克公司生产的振弦式扭矩测量仪闻名世界。该测量仪是利用轴扭转时使传感器中的钢弦拉紧或放松，从而改变钢弦自身频率变化测得扭矩;数据传输方式有滑环式和感应式两种。

3 扭矩传感器将来研究重点与发展方向

3.1 扭矩传感器研究重点

目前扭矩传感器还存在着一些问题，今后的研究重点应该放在以下两个方面:

(1)解决接触式应变扭矩传感器中应变计的引线需要靠滑环引出，长时间工作后，滑环容易发热老化，甚至断裂脱落问题;解决小扭矩测量时传感器工作在非线性区的问题;解决较大扭矩测量时不易测量和变形过大等问题。

(2)解决非接触传感器由于温度、算法等因素的影响以及相关信号的采集困难，精度还需要进一步提高的问题;解决静态扭矩测量方面的技术难题。

3.2 扭矩传感器的发展方向

非接触式扭矩传感器的种类较多，随着新材料新技术的发展将会不断出现各种类型的非接触扭矩传感器。基于无线信号传输模块的非接触式扭矩传感器具有较低的研发成本因而更受市场青睐。随着新型扭矩传感器的不断标准化、规格化，测量精度将不断提高，其性价比和市场竞争力也在不断提高，应用越来越广泛。所以扭矩传感器的发展趋势:

(1)市场化、低成本化发展。各类扭矩传感器都会随着客户对扭矩传感器要求而不断发展。客户会对其精度和成本等各方面提出更高的要求，因而生产厂家必须考虑其市场化和低成本化的问题。

(2)智能化、数字化和网络化发展。随着物联网技术的发展，扭矩传感器会随着这种新技术的发展而不断发展，向智能化、数字化和网络化方向前进。

(3)随着新材料技术和其它传感器技术的不断发展，扭矩传感器必将向着不断开发的新型材料、新技术方向发展。

(4)向两极化发展(即小型化和大型化发展)。随着微机电相关技术的发展，以及一些相关小型扭矩测量的需求，扭矩传感器向小型化发展成为一个重要的发展方向;随着大型扭矩传感器的市场需求不断增加，以及相关行业的发展，扭矩传感器向大型化发展也成为一个重要的发展方向。

扭矩传感器在工具、电机、风电等行业有着广泛应用，随着市场需求不断发展，研究新型的适应社会市场需要的扭矩传感器是扭矩传感器发展的方向。

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