数字式扭矩传感器原理及应用

zhu272

一
传统扭矩传感器同数字式扭矩传感器的比较
　　在旋转动力系统中最频繁涉及到的参数:旋转扭矩,为了检测旋转扭矩，传统使用较多的是扭转角相位差式传感器，该方法是在弹性轴的两端安装着两组齿数、形状及安装角度完全相同的齿轮，在齿轮的外侧各安装着一只接近(磁或光)传感器。当弹性轴旋转时，这两组传感器就可以测量出两组脉冲波，比较这两组脉冲波的前后沿的相位差就可以计算出弹性轴所承受的扭矩量。该方法的优点：实现了转矩信号的非接触传递，检测信号为数字信号；缺点：体积较大，不易安装，低转速时由于脉冲波的前后沿较缓不易比较，因此低速性能不理想。（见图一）

扭矩测试比较成熟的检测手段为应变电测技术。它具有精度高，频响快，可靠性好，寿命长等优点。 9 n* j! \& E3 w' g将专用的测扭应变片用应变胶粘贴在被测弹性轴上，并组成应变桥，若向应变桥提供工作电源即可测试该弹性轴受扭的电信号。这就是基本的扭矩传感器模式。 (见图二)但是在旋转动力传递系统中，最棘手的问题是旋转体上的应变桥的桥压输入及检测到的应变信号输出如何可靠地在旋转部分与静止部分之间传递，通常的做法是用导电滑环来完成。 ; T1 w9 x8 {1 R* T4 @+ I( \/ I# x, q

图一 扭转角相位差式扭矩传感器示意图 * ?3 X, W, ], S+ i# Z! d( R( O9 j

由于导电滑环属于磨擦接触，因此不可避免地存在着磨损并发热，因而限制了旋转轴的转速及导电滑环的使用寿命。及由于接触不可靠引起信号波动，因而造成测量误差大甚至测量不成功。为了克服导电滑环的缺陷，另一个办法就是采用无线电遥测的方法 :将扭矩应变信号在旋转轴上放大并进行V/F转换成频率信号，通过载波调制用无线电发射的方法从旋转轴上发射至轴外，再用无线电接收的方法，就可以得到旋转轴受扭的信号。 4 M/ n, C1 L. M. @	' Q6 m" t9 t& t; c
	图二 基本的扭矩传感器
	6 J6 E! o$ B3 V# Y3 t) `8 R; G0 p

旋转轴上的能源供应是固定在旋转轴上的电池。该方法即为遥测扭矩仪。 (见图四)遥测扭矩仪成功之处在于克服了电滑环的两项缺陷，但也存在着三个不足之处，其一：易受使用现场电磁波的干扰；其二：由于是电池供电，所以只能短期使用。其三：由于在旋转轴上附加了结构，易引起高转速时的动平衡问题。在小量程及小直径轴时更突出。数字式扭矩传感器吸取了上述各种方法的优点并克服了其缺陷,在应变传感器的基础上设计了两组旋转变压器,实现了能源及信号的非接触传递。并做到了扭矩信号的传递与是否旋转无关，与转速大小无关，与旋转方向无关。 二 数字式扭矩传感器的特点 $ I* b8 h4 P* {& G0 Y7 ?6 q  B　　1. 既可以测量静止扭矩，也可以测量旋转转矩; 6 c- W5 e) \& I) O6 B( ^　　2..既可以测量静态扭矩，也可以测量动态扭矩； . d. X5 h) Z+ W  t! q, j

3. 检测精度高，稳定性好；抗干扰性强; 0 b+ [' j$ X( ]0 m& s: b* S( u6 u- h) g  b

4. 体积小，重量轻，多种安装结构，易于安装使用； 　　5. 不需反复调零即可连续测量正反转扭矩; 2 `& ^. G0 A0 K　　6.没有导电环等磨损件，可以高转速长时间运行； 　　7．传感器输出高电平频率信号可直接送计算机处理； 2 G  P' w/ n2 e! t; M% F0 I; |　　8．测量弹性体强度大可承受100%的过载。 : z! u, T( |8 A( j1 Z  @三 数字式扭矩传感器的测量原理 将专用的测扭应变片用应变胶粘贴在被测弹性轴上并组成应变桥 ,向应变桥提供电源即可测得该弹性轴受扭的电信号。将该应变信号放大后，经过压/频转换，变成与扭应变成正比的频率信号。本系统的能源输入及信号输出是由两组带间隙的特殊环型变压器承担的,因此实现了无接触的能源及信号传递功能。(虚线内为旋转部分)

- I, ~. |- G+ R) [" S4 `	0 c" h( I4 K9 _9 O3 O3 D+ h / a) N1 u" o8 Z' k7 l: E	2 s: p* P7 A+ t* B2 h
* X+ G/ `* p6 i6 d" X, A9 X	+ I; y: ^# q$ U( a4 N	d* h* S3 G- z: t6 E( x' {

激磁电路，(2)能源环形变压器的初级线圈(输入)，(3) 信号环形变压器次级线圈(输出)，(4)信号处理电路

五
数字式扭矩传感器输出
本传感器输出的频率信号在零点时为 10kHz.正向旋转满量程时为15KHz.反向旋转满量程时为5KHz。即满量程变量为5000个数/每秒。转速测量采用光电齿轮或者磁电齿轮的测量方法，轴每旋转一周可产生60个脉冲，高速或中速采样时可以用测频的方法，低速采样时可以用测周期的方法。本传感器精度可达 ± 0.2%～ ± 0.5%（F · S）。由于传感器输出为频率信号，所以无需AD转换即可直接送至计算机进行数据处理。
3 f) c3 Y+ y. A六
1 `1 b, f5 f9 z1 J0 V/ K" N$ }6 {安装使用
1 d/ j/ l( b8 Q　　1.使用两组联轴器，将传感器安装在动力源和负载之间。

图六

2.建议用挠性、弹性或万向节联轴器，以保证同心度 ∠ 0.1mm以下。
　　3.动力及负载设备必须固定可靠避免振动。
　　4.将本传感器的基座与设备的基座固定可靠，中心高须垫合适平稳避免产生弯矩 。
附表
主要功能及性能指标：

扭矩示值误差： ＜± 0.5 % F · S	/ w3 t3 V: l+ t9 Y! c9 n! ~0 _  ^: w& e灵敏度： 1±0.2 mv / V
2 W) C5 d) i  r3 c; |非线性： ＜±0.25 % F· S	重复性： ＜±0.2% F· S
回差： ＜0.2 % F· S 6 Q/ `$ M8 P/ [5 ?3 _2 ]	1 s7 c& O, r0 z- I1 c" @# `+ I9 U零飘（24小时）： ＜0.5 % F· S 4 Z- R- x- B) F
零点温飘： ＜0.5 % F· S /10℃	输出阻抗： 1KΩ ±3Ω
绝缘阻抗： >500MΩ	# z" g8 U* t  H0 Z2 ~4 m& e5 _静态超载： 120 % / X5 s. R! x& j6 j, {! ]
0 k$ C, T- l; z" S/ ]断裂负载： 200 % 9 J" d7 ]+ I$ x6 p' h, k# s	8 B% E9 w5 w7 G/ N8 w6 \使用温度： 0 ～ 60℃
3 z- r2 F. \/ z3 L1 S! F& `: {& ]1 h储存温度： －20 ～ 70℃	( F; v( u% e& k3 z6 b  e电源电压： +15V±5%,-15V±5% - ]" @2 }4 {0 Z. W) z
9 f6 B2 U" x3 A1 X. v总消耗电流： ＜130mA / O! _5 X* k# N9 w# h	频率信号输出： 5KHz—15KHz
( z! u3 X- I9 d7 d! l负额定扭矩：5KHz±10Hz 9 O5 o# F9 h5 }8 ?	零扭矩：10KHz±10Hz
正额定扭矩：15KHz±10Hz # T: h; h! q; d5 ?" h	! c# n! J+ z* \- d4 a8 J信号占空比： （50±10）%

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