摘要：簡述了幾種常見的電阻應變式旋轉扭矩傳感器，對包括接觸式、非接觸式，可斷軸、不可斷軸，高 轉速、低轉速等各種測量狀態(tài)下應采取哪種旋轉扭矩傳感器進行測量及各種旋轉扭矩傳感器的優(yōu)缺點都進行了詳 細的分析。

　　關鍵詞：旋轉扭矩；信號傳輸；無線傳輸；電磁感應；卡環(huán)式

　　旋轉扭矩傳感器是測量各種電動機、內燃機以及 旋轉動力設備的輸出扭矩及功率的必備設備，從上世 紀三、四十年代發(fā)展至今已有數(shù)十種產品，從最初的 光學機械變形類發(fā)展到電磁感應類、相位差類，到應 用最廣泛的應變測量類。低功耗微電子技術的發(fā)展， 又為各類旋轉扭矩傳感器賦予了新的生命，其性能也 越來越好，可測的轉速與精度也越來越高。本文主要 介紹了幾種常見的電阻應變式旋轉扭矩傳感器。

　　1　接觸式旋轉扭矩傳感器

　　接觸式旋轉扭矩傳感器的原理為傳動軸由于受 扭產生機械應變，引起貼在軸上的應變計變形使其電 阻值發(fā)生改變，從而導致應變電橋失衡，輸出與扭矩 成正比的微弱電壓信號，然后即可根據(jù)材料力學中應 變和扭矩的關系得到相應扭矩大小，這里信號的傳輸 采用接觸式的導電滑環(huán)和刷臂，圖1為接觸式旋轉扭矩傳感器測量的原理圖。旋轉軸上的應變橋把電壓信 號傳遞給和旋轉軸一起旋轉的導電滑環(huán)，導電滑環(huán)再 把信號傳遞給和其接觸的固定在傳感器外殼上的導電 刷臂，從而完成信號由旋轉到靜止的可靠傳遞。

　　一般情況下，刷臂分為兩種，一種為刷絲式，一 種為刷片式。刷絲式的刷臂和滑環(huán)的接觸面小，摩擦 小，但信號傳遞可靠性相對較低，不適合高速旋轉下 測量，一般轉速在500 r/min情況下，可采用這種測量 方式；刷片式的刷臂和滑環(huán)的接觸面大，摩擦大，信 號傳遞可靠性相對較高，一般轉速在500~3000 r/min 的情況下，可采用這種測量方式。

　　接觸式旋轉扭矩傳感器的特點是：適合測量靜止 扭矩，也可以測量低速轉動扭矩；體積小，重量輕, 易于安裝；無需復雜電路；存在導電滑環(huán)的磨損，壽命有限，不適合高轉速場合。

　　2　非接觸式旋轉扭矩傳感器

　　非接觸式旋轉扭矩傳感器中能量的傳遞都是通過 非接觸耦合的電磁感應來供電的，傳遞電壓為9V 左右。

　　電感集流環(huán)是應用初級線圈與次級線圈之間的電 磁感應現(xiàn)象來進行非接觸能源傳遞的，解決了在旋轉 運動狀態(tài)下，對旋轉扭矩傳感器進行持續(xù)、非接觸供 能的問題。電感集流環(huán)的初級線圈是繞在一個靜止的 尼龍骨架上，外面包有電磁純鐵，卡在傳感器的外殼 上；次級線圈是繞在一個圓環(huán)形電磁純鐵上，圓環(huán)形 電磁純鐵固定在彈性軸上，與軸一起旋轉。靜止的和 旋轉的線圈同軸布置，互相不接觸，有一個很小的空 氣間隙。為了提高兩個線圈之間的耦合系數(shù)，這個間 隙應該盡可能做得小，通常約為0.15 mm。加在初級線圈上的高頻電壓（一般為10 ~60Hz)，通過電磁 感應在旋轉的次級線圈上感應出電壓，經穩(wěn)壓、整流 后為應變電橋、信號處理電路及發(fā)射機提供能量。感 應供電的優(yōu)點是適合長時間測量，尤其適合實時運行狀態(tài)監(jiān)測。

　　非接觸式旋轉扭矩傳感器根據(jù)信號的傳輸方式又 分為數(shù)字信號無線傳輸型旋轉扭矩傳感器和頻率信號傳輸型旋轉扭矩傳感器。

　　2.1　數(shù)字信號無線傳輸型旋轉扭矩傳感器

　　數(shù)字信號無線傳輸型旋轉扭矩傳感器把無線傳輸技術應用到旋轉扭矩傳感器，實現(xiàn)了純數(shù)字式的無線 傳輸，測試系統(tǒng)包括電源信號、應變電橋、單片機、 數(shù)據(jù)無線發(fā)射與接收模塊、轉換電路與終端顯示與存 儲設備。其原理框圖如圖2所示。

　　圖2無線傳輸型旋轉扭矩傳感器原理框圖

　　將測扭電阻應變片粘貼在被測彈性軸上并組成應 變電橋，電感集流環(huán)的感應電壓經過整流、濾波、穩(wěn) 壓后向應變電橋提供電源，當彈性軸受扭時，彈性軸 產生變形，電阻應變片的阻值隨之發(fā)生變化，使電橋 輸出不平衡，由變換電路輸出mV級的電壓信號，模 擬信號直接接人ADC824的模擬輸人端，A/D轉換器將應變信號轉換成數(shù)字信號，單片機進行編程處理后按 照一定的格式傳送給無線發(fā)送模塊，信號通過無線數(shù) 傳模組來實現(xiàn)純數(shù)字量的無線收發(fā)，無線接收模塊將 信號接收后，再通過RS232串行通訊口傳送給上位機， 進行數(shù)據(jù)處理。

　　2.2　頻率信號無線傳輸型旋轉扭矩傳感器

　　頻率信號無線傳輸型旋轉扭矩傳感器與數(shù)字信號無線傳輸型旋轉扭矩傳感器電源的供電方式相同，都 采用無接觸耦合的電磁感應供電方式，主要區(qū)別是此 類傳感器傳遞的并非純數(shù)字信號，而是通過非接觸的電磁感應來傳遞頻率信號，同樣較好地解決了旋轉狀態(tài)下扭矩數(shù)值（轉矩）的測量。其結構原理框圖 如圖3所示。

　　圖3頻率信號無線傳輸型旋轉扭矩傳感器

　　電源經過處理后經耦合將能源供給應變橋，應變 電橋將應變軸的微小變形轉換成電信號，經過放大器 的放大送到V/F變換器，把電壓信號轉換成可以耦合 的頻率信號，經輸出信號耦合器輸出，通過信號輸出 電路整形后輸出調頻方波信號，然后測出方波頻率量， 就可以得到相應的扭矩值。

　　非接觸式旋轉扭矩傳感器的特點：無接觸，無磨損，使用壽命長，轉換精度高，A/D轉換內碼可達10萬以上；由于采用微電子技術，測量可靠性大大提高; 可在高轉速下測量，數(shù)字信號無線傳輸型可在5000 1/ min轉速下測量扭矩（取決于無線收發(fā)模塊傳遞的可 靠性）；頻率信號數(shù)據(jù)傳輸型可在8000 r/miii轉速下測 量；由于內藏CPU電路，可以實現(xiàn)各種補償，使其精 度大大提高；數(shù)字信號無線傳輸型旋轉扭矩傳感器由 于實現(xiàn)了數(shù)字的無線發(fā)射與接收，因此它可以直接與 帶有232或485的數(shù)字儀表或計算機相聯(lián)，可以實現(xiàn) 聯(lián)網(wǎng)測量與控制，是一種智能型數(shù)字旋轉扭矩傳感器。

　　以上幾種旋轉扭矩傳感器屬于介入式，即需要斷開軸系或更改軸系的布置，傳感器必須作為_傳動軸的一部分介人傳動系統(tǒng)才能使用，這樣限制了它的應用 范圍，一般僅限于實驗室、試驗臺架等的測量，不適 用于工業(yè)現(xiàn)場測量�？ōh(huán)式旋轉扭矩傳感器為非介入 式扭矩傳感器，只要將傳感器卡在軸上或安裝在軸邊， 無須斷開軸系，這樣給實際工況測量扭矩參數(shù)帶來很大的方便。

　　非介入式扭矩傳感器是解決不斷軸扭矩測量的有 效途徑，它是在一段有效長軸（通常大于80 mm)的 工作軸上卡上兩道卡環(huán)，卡環(huán)采用兩個半圓的卡盤結 構，通過螺栓的預緊力將兩個半圓緊緊固定在工作軸 上，在兩道卡環(huán)間安裝一小量程的應變傳感器。由于 被測軸受扭后，兩卡環(huán)之間產生微小扭轉角，此時安 裝在卡環(huán)上的應變傳感器也產生變形，傳感器上應變 片產生應變信號，該信號與扭矩成正比，通過實際的 標定或理論計算可以測定出轉軸上的扭矩值。

　　目前對于非介人式旋轉扭矩的測量，常用的有有 線傳輸和無線傳輸兩種方式。其中比較傳統(tǒng)的有線傳 輸方式多采用滑環(huán)和刷絲引電裝置。

　　3.1有線傳輸型卡環(huán)式旋轉扭矩傳感器

　　對于非介人式測量，如果信號的傳輸采用有線傳 輸型則采用刷絲和滑環(huán)結構，傳統(tǒng)的刷絲和滑環(huán)結構 需要進行改進和調整，滑環(huán)結構一般采用兩個半圓對 拼的結構，使用螺栓擰緊的方式將滑環(huán)固定在工作軸 上，這樣可以方便的安裝滑環(huán)。由于滑環(huán)采用對接結 構，在接縫處不免存在接觸不良的現(xiàn)象，影響測量精 度。采用如圖4所示的接縫結構，只要使得刷絲頭的 寬度大于滑環(huán)寬度的一半，即可保證在接縫處不會出 現(xiàn)接觸不良。傳感器結構原理圖如圖4。

　　3.2無線傳輸型卡環(huán)式旋轉扭矩傳感器

　　由于有線傳輸大多采用滑環(huán)和電刷等引電裝置，存在接觸部位的摩擦阻力和接觸零件的磨損、發(fā)熱等 問題，使得其信號傳輸不穩(wěn)定，工作壽命短，不適合 高速旋轉或振動較大的軸。另外，一些特殊場合，由 于受測量環(huán)境約束，往往不適合使用有線傳輸方式。
無線傳輸利用無線電波、電磁波或光波來傳輸信 號，較好地解決了有線傳輸方式存在的一系列問題。 無線傳輸方式就是要將應變電橋輸出的微弱電壓信號 經過前置處理后，通過無線的方式傳送到地面上靜止 的分析儀器或設備。

　　無線傳輸型傳感器中應變橋的供電由固定在軸上 的鋰電池提供，由于采用低功耗電路設計，普通鋰電 池充電一次，可實現(xiàn)20 h以上的連續(xù)測量。信號的傳 輸由無線數(shù)據(jù)發(fā)射模塊與無線數(shù)據(jù)接收模塊來傳輸， 其結構示意圖如圖5所示，其原理框圖見圖5。

　　卡環(huán)式旋轉扭矩傳感器的特點：無需斷開軸系， 適宜工業(yè)現(xiàn)場測量；適合大扭矩、大振動、小間距的 現(xiàn)場測量；可用于測量中低轉速的旋轉扭矩。

　　4　結束語

　　旋轉扭矩的計量及測試一直以來就是困擾計量工作者們的一個難題，隨著相關技術的發(fā)展，旋轉扭矩傳感器在結構上、測量方式上以及可靠性、長期穩(wěn)定 性和環(huán)境適應性上都有了長足的發(fā)展，本文介紹的當 前常見的的電阻應變式旋轉扭矩傳感器的原理和結構， 希望能為相關從業(yè)者提供參考。（作者：柴繼新，王恩鋒，范小燕，孫穎，徐艦）

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