扭矩传感器在轴功率测量中的应用和发展趋势

史啸寒 陈冠通

摘 要： 本文介绍了多种类型的扭矩传感器的原理和特点，以及其在轴功率测量系统中的一些应用，最后展望了扭矩传感器的发展趋势。

关键词： 扭矩传感器；轴功率测量系统；无线遥测；应变电测技术

1.引言

轴功率是水泵等动力装置关键的性能参数之一，也是实际生产中十分重要的能耗与安全指标。所以，设计制造出精确、可靠的轴功率测量仪器对于机械设备的研发测试、安全保障、性能提高等都具有很大的现实意义。

目前测量轴功率大致可以分为两类，即电测功法和扭矩测功法。其中电测功法是利用间接测量的方式，先测量相关数据得到原动机的输入功率，再间接求得轴功率。电测功法往往利用损耗分析法来计算泵轴的功率，然而损耗分析法在实际应用中数据处理繁琐复杂。测量泵轴功率更精确的方法是利用应变扭矩法，通过测量原动机动力输出轴的扭矩和转速从而得到泵轴的功率。

2.扭矩传感器概述

扭矩测量过程是一些动力设备开发调试、质量把控、工况监测、优化升级等必不可少的步骤，在此测试过程中扭矩传感器起到了至关重要的作用。 为了适应更高的精度要求以及某些复杂恶劣的工作环境，目前国内外对于扭矩传感器的研究成果颇丰，种类很多，根据原理的不同可以分成应变型、磁弹性型、转角型这三种类别。

国外在应变电测技术上的研究较早，技术成长较为成熟。德国的HBM公司研制的电阻应变式扭矩传感器，采用弧齿联轴节，减小了不同轴度引起的测量误差。 英国的霍佛科公司也开发出了类似的运用应变电测技术的测量仪。日本九州技术研究所研发出了用非晶态星形线圈制成的扭矩传感器。扭矩产生的的角变形可被线圈所感应，再输出相应的电信号。

国内的起步则较晚，但是也有令人瞩目的学术创新与产品成绩。北京冶金一局超硬材料研究所的李國林研制了一组旋转变压器，实现了能源的非接触式传递。洛阳工学院等研制的动态扭矩测试仪，能够实时显示扭矩的大小，还具有阈值报警功能， 并通过合理布线等方式提高其抗干扰性能。

应变电测技术是一项发展十分成熟的技术，电阻应变片因为其成本低、体积小、易操作而受到青睐。利用应变电测技术制成的各项仪器目前也被国内外广泛应用于土木、铁路、机械、航空航天等各个领域当中。 同时，应变电测技术现阶段还在不断创新和发展，出现了能够适用于特殊应用场景的新型电阻应变计以及更高精度与稳定性的数据采集和分析仪器。

应变型扭矩传感器操作简单，是当下应用最为广泛的一种传感器。它采用在旋转轴表面贴应变片的传统方法，旋转轴受扭矩影响产生变形，使得贴在其上的应变片变形致使电阻值发生改变，应变电桥失衡，输出与扭矩成正比的电信号，然后再进行分析处理。磁弹性型扭矩传感器是非接触式的，它是根据扭轴截面上的剪应力与扭矩成正比且磁性材料在机械应力作用下， 其导磁性能发生相应变化的原理设计的。转角型扭矩传感器是利用扭轴产生的变形角和剪应变角设计的，常常被用来测量长且细旋转轴的扭矩信息。

3.轴功率测量中的应用

轴功率测量的原理是扭矩与转速的乘积，P=Tn/9550，所以轴功率的测量工作应围绕扭矩和转速数据的获取来展开。转速和扭矩信息可以分别由转速仪和扭矩传感器测量得到。由于导线也具有电阻，其也算入桥臂电阻内，会使测量产生一定误差，另外在较为恶劣的环境下无法布线，所以目前轴功率测量更多采用无线遥测的方式。

现阶段比较成熟的无线传输技术有WIFI，蓝牙，Zigbee等。WIFI已经在笔记本电脑，智能手机等智能设备上广泛应用，基于WIFI技术的智能家庭互联也在快速推进和发展，但是其数据安全性能较差，且功耗高，辐射大。蓝牙技术采用分散式的网络架构，支持点对点和点对多点通讯，受到了市场的欢迎和青睐。相比较于前两种无线传输技术，Zigbee以其低功耗、自组网的特性在物联网和工业控制领域受到了高度关注。

市面上的轴功率测量系统一般都具有数据采集模块、数据传输模块以及数据处理模块这三个模块。天津工程机械研究所应用单片微机研制成的MSZ-12型转速扭矩功率仪具有转速和扭矩两个输入口，还可以和微机和制图仪连接，具有易操作、精度高、体积小的优点。江苏东华测试技术股份有限公司生产的DH5905无线扭矩测试系统，具有测量旋转轴的扭矩和轴功率等信息的功能。测试系统采用WiFi无线通讯技术，安装方便，无需繁琐的现场布线，更适用于狭小空间和有线传输不便的场合的应变应力测量。该仪器可以实时显示扭矩值，通过测量转速还可以得到旋转轴的轴功率值，并采用了分体设计，对称安装，测量时不会影响轴系平衡。

4.扭矩测量的发展趋势

（1）材料工业技术的发展使得研制出拥有更多功能、更高精度与稳定性的扭矩传感器成为可能。

（2）现代网络和人工智能交互技术飞速进步，扭矩测量势必会朝着自动化、智能化、集成化、网络化方向发展。

（3）相比于传统的有线测量，基于无线通信技术原理研制的、可无线遥测的非接触式扭矩传感器将会更受市场的青睐。

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