扭矩传感器原理及应用

高德亮，范振华

中石油兰州石化公司设备维修公司，甘肃 兰州 730060

1 概述

扭矩又叫转矩，是反映转动设备输出力的大小的重要参数。扭矩在物理学中用下面的公式计算。

其中：P表示转动设备的输出功率，单位千瓦（kW）；M 表示转动设备的输出扭矩，单位牛米（N·m）；N表示转动设备的转速，单位转/分钟（r/min）。

从公式（1）可以看出，扭矩是一个与功率和转速相关的物理量，它反映了转动设备输出功率和转速的比值关系。如果知道了转动设备的输出功率和转动速度，就可以利用公式1计算出转动设备的扭矩。但实际生产中，功率的测量是不容易的，而扭矩可以利用较简单的装置把扭矩转化为力和磁的测量，对于力和磁这两个物理量的检测，我们有许多成熟工具，这样扭矩的测量就变得相对简单了。

2 电阻应变式扭矩传感器的原理

我们知道，在通常情况下，当金属受外力作用时它的电阻值会发生变化，其变化大小可以依据虎克定律求得，这就是金属应变原理。电阻应变式扭矩传感器，就是利用应变原理制成的。它的结构原理图如图1所示。

图1 扭矩传感器结构图

扭矩传感器利用高档箔式应变片组成了电桥，在力的作用下电阻值增加或减小，当输入端加上直流电压后，输出端就可以得到随所施力大小而改变的电压信号。再经过信号处理计算，我们就能知道扭矩的大小了。

3 扭矩传感器应用和调试

扭矩大小是发动机台架实验的重要参数之一。“卡特皮勒1G2”发动机台架应用的就是上面介绍的电阻应变式传感器，以此为例分析扭矩信号集散电路原理和扭矩传感器的调试。

3.1 扭矩信号集散电路原理

图2中T2、T4分别接±5V电源给扭矩传感器提供激励电压。T3接传感器的信号输出端，以IC7650高稳定的自稳零放大器为核心组成信号放大电路，再经过LM348进行放大处理，输出信号给计算机。

图2 扭矩信号集散电路

3.2 扭矩传感器的调试

扭矩传感器的调试包括零点满度的标定和静校。

当进行零点标定时，测功机装好校正臂和校正盘，不放砝码，调节扭矩信号集散板上的电位器RW2及RW5，使端子输出电压为OV；再加满砝码，调节电位器RW3和RW4，使端子输出电压后9.8V。

当零点和满度标定好以后，就可以进行静校。校验的方法很简单，就是往校正盘中逐次放入适当砝码，然后根据公式（2）：

其中Me是标准力矩，G是砝码质量，g是当地重力加速度，L是校正臂的长度。

计算出的标准力矩与计算机显示力矩上比较，就可以完成校验。

4 扭矩传感器的故障与维修

“卡特皮勒1G2”发动机台架所使用的扭矩传感器内部接线为电桥型，可以通过万用表测量其桥臂间的电阻来辨别好坏。参考图1，正常时R1和R3，R2和R4的电阻值应一样，如果阻值不一样，说明桥臂平衡已被破坏，传感器不能使用。根据使用和维修经验看，扭矩传感器自身发生故障的机率很小。通常，在激励电压正常和正确安装传感器后，故障多发生在外围电路中，总结如表1所示：

表1 扭矩传感器故障与维修

5 磁电感应式扭矩传感器

除了电阻应变式扭矩传感器，还有一种较特殊的扭矩传感器，就是磁电感应式扭矩传感器，它电定子、转子、传感器轴和辅助电路组成。转子包括线圈固定在传感器轴上，定子永久磁铁固定在传感器外壳上，定、转子上都有相等的齿和槽。

测量扭矩时，用两个完全相同的传感器，它们的转子分别固定在被测轴的两端，而定子用支架固定。一个传感器的定子齿和转子齿相对，另一个则定子槽和转子槽相对。当转轴以一定角速度旋转时，则在两个传感器输出线组内感应出电势大小相等，频率相同，相位差180°的近似正弦波，而当被测轴受扭矩时，两个绕组内感应电热相位差将不再是180°，而是扭转角与定（转）子齿数的积。在弹性限度内，材料扭矩与扭转角成正比，因此，测出扭转角也就得到了扭矩的值。这种扭矩传感器反应较电阻应变式传感器反应灵敏，但抗干扰能力较弱，对应用场所的电磁强度有较高要求。

6 结论

在发动机台架试验中，大部分测功机的扭矩测量都像“卡特皮勒1G2”发动机台架一样，利用固定在定子上的平衡臂将扭矩变为拉压力的测量。这时扭矩传感器严格地说应该叫拉压传感器。当然，在发动机试验台架中也有进行纯扭矩测量的，如CL-100齿轮油试验机使用的扭矩传感器。它的工作原理与电阻应变式扭矩传感器一样，只是传感器外形不是传统的桥形，而是圆柱形，四个电阻应变片是贴在转轴上使用的，输出信号是频率信号。

[1]葛伟亮.自动控制元件[M].北京理工大学出版社，2007.