高精度动态扭矩仪的设计

孔祥飞 徐丹辉 纪永刚 王松亭 张立 刘承文

【摘  要】本文采用一种非接触电测量旋转扭矩的方法，在旋转系中利用应变体传递扭矩并按所传递扭矩产生相应转动变形，测量头通过光电或磁效应非接触地测得固联于应变体上的两个栅体因应变体相对转动而产生的相对变化，并输出正比于所传递扭矩信号和轴频率信号。在旋转系中扭矩测量且具有较高精度和良好的稳定性。

一、前言

随着社会的发展，动力机械的发展越来越快，扭矩、转速和轴功率是旋转动力机械的重要工作参数。若能准确、可靠、方便地测出受试机械的平均或瞬时的扭矩值、转速和功率，这将有利于改进和提高机械设备的性能，同时可作旋转动力机械日常运行的监测，起到故障诊断或可用作自动控制系统的检测装置，这样才能使动力机械的智能化程度越来越高。为此我们需要一种简洁、紧凑、易用、低成本、耐用的旋转动力测量动态扭矩传感器。

二、扭矩传感器设计原理

非接触式扭矩测量方法是在扭矩传递系统中测量驱动侧金属旋转体与从动侧金属旋转体之间传递的扭矩的扭矩测量方法，即对在圆周上一部分或者轴向端面设置有凹凸状的标记部的所述金属旋转体分别以非接触的方式邻近配置由电磁线圈构成的检测元件，在所述检测元件与所述金属旋转体之间引起电磁感应，并且通过测量所述检测部中的感应负荷来检测所述检测部与所述金属旋转体之间的相对相位偏差以及所述标记部的位置，通过随着扭矩传递测量在所述两个金属旋转体产生的所述标记部的旋转速度以及旋转相位差进行运算处理，计算出传递扭矩值。

本设计以弹性体联轴部件获取传动信号为受力载体，该弹性体分为主动部和被动部分别加以信号测试点，并通过对应两个信号测试点设置的信号接收器，非接触地获取主动部分呢被动部分在转动时的相对位置及其运动（转速转向）信号。

应用弹性体联轴测量在动力传递动力时主动半与被动半之间有相对位移，且传递的扭矩越大其相对位移也越大的原理，制作该联轴器的静态扭矩与主动半和被动半之间相对位移的关系图表，将该关系表输入信号处理信息系统作为基础数据表，在对不同状态，参数下的各种分量分别描制出各种相对应的数据表。

对比由信号接收器获取的主动半与被动半的位置信号，获得机械传动时两个连接半的相对位移的参数，该参数与基础数据对比可得到该机械传动的瞬时扭矩数据。

信号接收器可采用光感应、电磁感应等各种类型。推荐采用电磁类型，它具有结构更简单和获取信号更可靠和高效的特点。当信号接收器采用电磁信号，信号测试点可以是凸点，也可以是凹点，只要微凸或微凹即可;还可以利用弹性体联轴器上原有的凹凸点作为信号测试点。为此我们设计成三个等距离段分别进行测试和数据对比分析及纠错等方法，如图1所示。

信号处理电路可以根据从信号接收器获得的相对位移和运动信号，通过对比和换算获得扭矩和转速数据，并且根据轴功率与扭矩、转速的关系推导出机械传动的即时轴功率。

本设计对金属旋转体仅增设凹凸状的标记部，无需组装应变仪、磁性圆盘等检测体，因此，不会由于旋转负荷而在检测体上发生故障、异常。另外，能够大幅度削减扭矩检测所需的部件数、组装工时。另外，凹凸状的标记部较为微小，因此构造简单，无需设置为密闭构造。另外，对于检测部的配置而言可以增大自由度、调整灵活。

三、动态扭矩的计算与分析

我们采用非接触式扭矩测量方法测量作为扭矩传递系统的联轴器中的驱动侧金属旋转体与从动侧金属旋转体之间传递的传递扭矩大小。在检测及信号处理上，我们采用中心检测到方法和可变阈值的方法来调整修正测量误差，提高测量精度。

1、中心检测

根据现有的用于周期计算的基准点计算方法，将标记部的数据脉冲化，通过将中心的位置代替上述上升边缘的位置作为相位检测的基准点（中心的基准点），能够考虑到抽样数据量的变化，从而提高基准点检测精度。

首先我们先抽样数据作為计算对象数据求出中心点值。针对求出计算对象数据的合计，从合计数据的中心处依次减去各计算对象数据，将加法运算结果为零以下时刻的计算对象数据作为包含中心的抽样数据。然后，根据该包含中心的抽样数据与剩余差值的比例，求出抽样时间内的位置作为中心测量基准值。用于中心值计算的阈值可以是后面所述的由可变阈值确定的阈值。对于一个抽样时间，可以根据旋转速度等使用条件进行最适当的时间设定。

2、可变阈值

在现有的方法中，所有设备都使用者确定阈值，设定在寄存器中，但是在由于旋转而发生偏心的情况下或者轴向上发生位移的情况下，预计传感器数据的基础值发生变化，设定的阈值会偏离正常条件。因此，通过反映当前的基础值而自动确定最适合的阈值，能够提高脉冲化精度。

由此可修正测量动态扭矩的精度及偏移误差等参数。针对一组比例脉冲波形频率和相位相一致，当转动开始产生扭矩后，主动半与被动半之间随着弹性体的扭矩而产生了相对相位差的脉冲波形如图2。经理论分析与计算分析，此方法简单易行，稳定可靠，大大提高了动态扭矩的测量精度和稳定性。

四、结束

本设计提供了一种非接触式扭矩传感器。其主要是通过测量相对位置角度的变化而换算成扭矩值，且设计结构紧凑、动态扭矩测量的精度高、抗干扰能力强、性价比高等特点，具有广泛的应用及社会意义。

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