非接触式可拆卸扭矩传感器的设计

朱敬旭辉

摘要

在大扭矩机械传动应用场合中，扭矩是旋转轴的主要负荷形式，扭矩测量更是传动线路中的重要内容。低成本、易维护、高稳定性的非接触式扭矩测量方案是更是当今扭矩测量仪器研究的重中之重。首先对各类扭矩测量方案进行分析，提出旋转轴上施加的扭矩可以通过传动轴两端面相对位移量进行衡量的理论。然后通过SolidWorks对传动轴进行建模，再通过ANSYS对轴体进行有限元仿真，确定了大扭矩传动轴的扭矩与端平面相对位移量的数量关系，标定了传动轴扭矩与端平面相对位移的曲线。进而得出扭矩传感器可以转为通过非接触方式测量旋转轴两端相对位移大小的结论。为达到易维护、低成本的目的，最终在传感器结构设计上，采用了可拆卸结构。传感器不再依附于弹性轴之上，而是一个可以随意安装在任意旋转轴上的独立配件。设计改变了传感器供电方式，新式传感器已不需要外接供电。同时为降低传动轴振动对传感器采集精度带来的影响，扭矩传感器内部已设置有多级滤波系统，可达到10Hz的低通滤波效果。最后对传感器进行了整体仿真实验，仿真结果与理论结果保持一致。

【关键词】扭矩传感器 非接触式 可拆卸 有限元法 精密绳传动

1 引言

扭矩测量需求十分广泛，涉及到工业、农业、科研、生活等众多领域。旋转轴的扭矩测量主要分接触式和非接触式两种。传统的接触式测量存在一些致命的缺点，如大扭矩杆件，传感器从接触到旋转轴开始便受到极大的剪切应力，剪切应力极易造成弹性轴以及弹性轴上的应变片的损坏。

目前国内外比较推行先进的非接触式测量，但非接触式测量存在供电、信号传输、测量精度低等问题，致使国内外尚未找到比较理想的扭矩测量方法。

2 扭矩测量方法及传感器

扭矩测量的实现共有三方面问题需要解决，分别为传感器、电源供给和信号传输。目前，传感器的准确度和电源供给尚未很好的解决。国内外研制和开发的扭矩传感器种类很多，按照扭矩传感器测量方式，扭矩测量主要有应变式、磁弹性式、转角式三类。

非接触式可拆卸扭矩传感器是一种特别适合大扭矩旋转轴的扭矩测量方案。根据剪切虎克定律，当剪切应力不超过材料的剪切比例极限时，弹性轴横截面上任一点Q的剪应力Tp与该点处的剪应变γp成正比。当旋转轴正常工作时完全符合剪切胡克定律，扭轴的两端切面会产生相对位移，通过位移传感器将相对位移提取，滤除振动等无关因素，再通过数学模型便可转换为转轴受到的扭矩值。

3 旋转轴数学建模

3.1 旋转轴轴体力学模型建立

旋转轴的乘载能力要求高，大部分都采用W6Mo5Cr4V2钢制造。

建模之前，首先对旋转轴进行理想化。假设旋转轴的固定端与旋转轴同步没有相对位移，旋转轴正常工作时，固定端不会产生非弹性形变。工业应用中，旋转轴正常工作时，轴体受到的扭矩都是从旋转轴端面传出。在ANSYS建模时，将扭矩加载在旋转轴端面上最大程度的模拟实际应用。

在采用ANSYS进行有限元分析时，单元类型的选择和网格的划分非常重要，它将直接影响有限元计算结果的正确与否和精确程度。对于模型前期采用solidworks2012进行三维建模，共有三维二十节点六面体单元，每个节点有三个自由度，即XYZ坐標轴方向。ANSYS采用更高求解精度的映射网格划分。

模型建立后，对其进行有限元分析。传动轴主要受到扭矩和一定的弯曲负载，为了限制传动轴端面的刚性位移，在非扭矩施加端进行了全约束。

3.2 有限元结果分析

旋转轴材料为W6Mo5Cr4V2钢，该材料在1200℃淬火，550℃回火状态下的性能参数为：E=2.18xl05Mpa，泊松比μ=0.3，旋转轴主要承受0?2800kN·m的扭矩，以1400kN·m为间距对旋转轴进行有限元仿真，数据如表1所示。

将上述数据导入Matlab中，得到扭矩值与相对位移量的相关曲线。可以准确的看到在弹性形变范围内，旋转轴上的扭矩值与端平面相对位移量呈线性关系。

4 非接触式可拆卸扭矩传感器结构设计

根据ANSYS仿真实验得出传动轴在0?2800kN*m扭矩范围内严格遵循虎克定律，所以可以将扭矩值提取问题直接换为相对位移量采集问题。

假设位移采集设备可以达到无限大的采集精度，那么对应的扭矩值的精度便可以无限大。但在生产生活中这种理想情况不可能出现。为了尽可能的提高扭矩采集精度，设计中决定采用5mm量程的LVDT位移传感器。实际设计使用时发现，LVDT传感器普遍较长，而且旋转轴为圆柱形，假设直接测量相对位移量，LVDT传感器需要与旋转轴轴向垂直，在安装时根本无法安装。而将LVDT与旋转轴轴向平行安装，既能很好的固定LVDT，安装空间也更加宽裕。所以需要将垂直于旋转轴轴向的相对位移量转向为平行于旋转轴轴向的位移量。

4.1 位移转向装置设计

扭矩测量时，扭矩随时间在不断变化，扭矩传感器需要具备很高的动态特性。必须采用一种高精度、高动态特性的传动方式。传统的齿轮传动存在齿间间隙、空回、磨损、弹性变形等缺陷，不符合条件。而精密绳传动作为一种新型传动形式，具有高刚度、高效率、轻量化、无摩擦、低空回以及无需润滑等明显优势。绳传动结构简洁，研究结构指出该精密绳传动机构具有99%的传递效率，高的传动刚度和力矩容量，传动精度可高达1微弧度。

在精密绳传动中，钢丝绳与主动轮之间的静态摩擦力作为扭矩传动的介质。

设计时需要丝绳传动提供位移转向，不需要传递扭矩，所以主动轮和从动轮可以去除。设计时在传感器轴线方向加装一个回转机构，回转机构由精密加工的V形槽微型轴承组成，钢丝绳通过回转机构进行90度的位移转向。钢丝绳本身也遵循虎克定律，在往返运动过程中，钢丝绳上张力的变化会引起钢丝绳形变量的变化，这会对传动系统引入空回。虽然与齿轮传动、链传动等传动结构相比，丝绳传动的空回已经很小，但是在ANSYS仿真中，可以得到旋转轴相对位移量为Mm级别，丝绳传动的空回已经能影响到测量结果，是不可以忽略的。

根据虎克定律，自由段钢丝绳在外载荷作用下产生的弹性伸长量可以表示为：

（Lfree为自由段长度，Tload为钢丝绳空回时的载荷，A为钢丝绳等效截面积，E为钢丝绳的弹性模量）

设计目的是最大程度的降低钢丝绳的空回程度，所以在设计时要最大程度的减少自由段钢丝绳长度，采用弹性模量较大、等效截面积较大的钢丝绳。普通单股钢丝绳在等效横截面积较大时普遍弹性模量大但柔軔性较差，不适合传动系统，采用多丝交互互捻的钢丝绳效果最佳。传动过程中还要对钢丝绳施加合理预紧力，最大可能消除钢丝绳因悬空段自由移动以及弹性伸长而造成的传递误差，实验发现10N.M的预紧力可以达到系统的传动刚度和传动精度最优化。

4.2 外壳结构设计

本传感器在设计之初便采用可拆卸结构，如图1所示由两个半圆弧形结构连接而成。传感器安装时只需要将两个半圆弧在万向轴轴体上对接后通过螺丝拧紧就可以固定在万向轴轴体上。传统扭矩传感器自身与转轴轴体是一体结构，当传感器需要维护或者转轴轴体损坏后，整个传感器都需要更换，成本非常高。而新式的扭矩传感器在后期更换转轴或者传感器出现故障时，传感器壳体可以很方便的和转轴轴体进行分离，可以单独更换转轴轴体或者单独更换传感器电路部分，极大的减少了传感器维护的时间和成本。

5 整体电路设计

传感器装配体爆炸图如图2所示，发电部分采用无刷永磁式结构，整体由三大部分组成，分别为外壳、轴承、线圈。轴承与在外壳壳体通过螺栓紧固，与传感器保持相对静止。在两个轴承中间放置有多组线圈，线圈固定在传感器壳体与轴承之间，也与传感器壳体保持相对静止。外壳镶嵌有稀土钕铁硼强磁铁，安装在线圈外部，为线圈发电提供磁场，同时对线圈起保护作用。

发电线圈黏贴在传感器外壳上与转轴保持同步旋转。转轴旋转时，线圈与转轴是保持相对静止的，线圈切割磁感线产生的感应电动势直接供后端电路使用，所有不需要集电环、电刷等易损结构，极大的增加了系统的稳定性。发电部分最外层有一个外壳，外壳上镶嵌有稀土钕铁硼强磁铁。外壳通过缆绳与外界框架固定，当转轴旋转时，外壳保持静止，转轴上的发电线圈相对于外壳旋转，切割磁感线产生电能。

传感器传动轴在旋转时产生的是不稳定的交流电。而传感器、单片机、无线设备等需要的是不同电压的直流电，所以需要对发出的电流进行稳压整流。如图3所示交流电首先通过变压器降低到12V左右，然后通过整流为直流电，再通过后端的LM2596整流为稳定的12V直流电为后端传感器、单片机、无线设备等供电。考虑到设备启动瞬间以及转轴设备出现故障，在设计时预留了低电压自动切换电路，P2与P5端口为外接锂电池。当设备正常运转时，锂电池并不工作，当设备运转不正常，P4的电压值低于安全值时锂电池将自动接入系统中，代替自发电装置给后端用电器供电。

6 信号处理

传感器在进行数据采集的同时，不仅采集到了转轴的形变量，同时采集到了转轴上的其它干扰信号。转轴在转动的过程中，一般同时受到拉、弯、扭等多重力的作用，同时在轴向上还会产生很多震动，这些干扰信号都会通过传动机构传送到傳感器端。单片机采集到的传感器数据内包含有有效扭矩值和无关噪音两种信号，要想提取出有效扭矩值就要对信号进行滤波处理，过滤掉无关的噪音信号。

除启动瞬间外，转轴上的扭矩值不会在短时间内进行多次的突变。而杂波信号有一个典型的特征便是高频率、无规律。将传感器的信号采集限制在10Hz以内，单片机进行数据处理的同时进行重复对比运算，通过程序算法，分辨出静态值与动态值，同时保留静态值，剔除动态值，保留下的静态值便是需要的传感器数值。

6.1 Sallen-Key低通滤波器设计

传动轴扭矩数据采集时，会有多种因素对有效数据进行影响，为保证数据准确性，首先需要设计一个滤波器。实际使用中，上位机对数据的灵敏度要求并不高，10Hz的低通滤波器便可满足应用。在设计低通滤波器时，希望它的幅度增益在10Hz后一直下降，采用Sallen-Key结构，加以合适的元器件选择便可达到。

传递函数：

实际截止频率：

fc=9.9471839Hz

用Matlab对文中设计的低通滤波器进行仿真，从图5中可以清楚的看到，当输入信号频率超过10Hz后，增益开始快速衰减。幅值裕度和相角裕度图像都表明，低通滤波器达到了预定效果。

6.2 Sallen-Key低通滤波器使用中发现的问题与改进。

实际使用中，Sallen-Key滤波器却并非和仿真曲线一样完美。设计中的Sallen-Key滤波器实际为拓扑结构，模拟量信号Vin到Vout有两条通路。一条为理论上的正常运放增益曲线另一条是流过C1，R1的电流注入到运放闭环输出阻抗上的结果。运算放大器的开环增益会随着频率的升高而下降，闭环输出阻抗会随着频率的升高而增加。频率升高到一定程度后，闭环输出阻抗的电压会等会正向输出电压，运放增益持续降低，信号将难以通过运放，此时低通滤波器会发生高频馈通。同时在传感器与AD采集之间，还可能会引入其它干扰。传感器本身输出信号变化幅度很小，来自数据线上的轻微扰动将会使结果产生很大的偏差，所以需要在单片机内部需要进行二级滤波。

使用中大都采用柴油发动机，根据柴油发动机属性，扭矩轴上的扭矩值不会突变，所以采集到的扭矩信号不应出现突变。建立柴油发动机的数学模型后，对采集到的数据再采用限幅平均滤波法进行二次滤波。实验中以0.5mm等间距进行传感器输出测试，测试结果如表2所示。

将上述数据导入Matlab 中1进行曲线绘制。

通过Matlab 计算得到滤波后的传感器输出值线性度可以达到0.11112%，灵敏度达到了0.9847V/mm。

6.3 STM32内置ADC数据处理结果

通过二级滤波后的信号为模拟量信号，需要经过ADC转换为数字量才能传输和进一步处理。STM32内置12位的ADC转换器，假设12位全部能用，STM32自身的ADC分辨率可以达到

，STM32能够承受的最高电压为3.3V，所以自身ADC最高分辨率可达0.0008V。

将传感器固定后，通过高精度ADC仪器测得传感器输出端电压为1.6255V，然后将再传感器输出端接入STM32ADC引脚提取多组数据，对数据处理进行误差分析，測试结果如表3所示。

当ADC稳定工作后，ADC采集到数据，最大误差为△=0.027-0.0255=0.0015V能够满足测量要求。

误差分析时同时发现，ADC并没有达到说明手册上的0.0008V精度，分析其原因有两点。

第一从STM32的AD转换方式来看，STM32的AD模块本身就具有偏移误差、增益误差和微分线性误差，这三种误差会给结果带来轻微影响。

第二环境因素的影响。STM32前端采用开关电源进行供电，同时STM32内部并没有基准电压芯片，需要模拟电源输入引脚为转换提供参考电压。STM32模数转换的数字量输出结果是输入模拟量电压信号和参考电压之间的比例数值，因此参考电源上的任何电压噪声都会使转换的数值产生变化。通常开关式电源具有内部的快速开关功率晶体管，会产生很大的高频噪声，根据公式

可以看出如果参考电压变化，数字输出结果会随之变化。

7 结束语

首先采用有限元的方法对旋转轴进行扭矩与相对位移量分析。验证了通过测量端平面相对位移量来间接测量旋转轴扭矩的可能性。又通过丝绳传动做到了端平面位移量的方向变换。最终通过LVDT提取出旋转轴的端平面位移量，通过单片机对数据处理得到旋转轴的扭矩值。

新式非接触式扭矩传感器实现了传感器与传动轴的完全分离，而且传感器不需要外界供电，供电电缆和数据传送电缆的简化，使扭矩传感器在安装时不需要考虑线路安全问题，在使用过程中更不会发生线路损坏而导致的故障。

可拆卸结构的设计，使得被测轴体发生损坏后，传感器可以拆卸下来继续使用，极大的降低了扭矩传感器的成本。

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