机械传动试验台的转矩传感器

刘杰　黄文峰　俞航

摘要：本文先对机械传动试验台的结构进行简单分析，针对其结构特点，再对各种转矩传感器进行详细分析，分析其在该试验台测试机械传动性能时的使用性及特点。

关键词：转矩传感器；机械传动；试验台；传动性能

机械传动在机械工程中应用非常广泛，对其研究具有重要意义，而衡量机械传动性能的有转速、转矩、功率、效率等参数。 这些参数之间又存在者相互关系，所以大部分机械传动试验台在测量机械传动性能时，只需测量转矩、转速这两个基本参数，其他参数则根据这两个参数推导得出。本文主要研究在该装置中测量转矩的方法和相应的传感器。

一般的机械传动试验台的结构如图1：

由图1可知：该实验台主要由提供动力的驱动装置、测量机械传动性能的测量装置、机械传动机构组成的被测装置，模拟负载的加载装置等几部分组成。这样，转矩矩传感器被安置在传动机构的两侧，分别测量输入、输出转矩。一般是通过测量被测装置两端的传动轴的扭矩来获得的。根据各种传感器的特点，这个传动轴可以是直接连接到驱动装置或加载装置，也可以是经与测量装置相连，再连入驱动装置或加载装置。后者一般通过联轴器相连，这也属于一种传动机构，但联轴器的传动效率很高，在做常见的几种传动机构时一般可以忽略。如果是非常精密的传动机构时，就要考虑这种影响或换传感器。

转矩测量按其基本原理分为三类：能量转换法、平衡力法、传递法。能量转化法根据能量转化守恒定律，用其他量参数（如电能、热能等）来测量转矩，这种误差大，只有在直接测量无法进行时才考虑此法，很少采用。平衡力法是利用当轴受到转矩时，在他的机体上必定存在着方向相反的平衡力矩，通过测量机体上的力臂和力臂上的作用力得到，这种需要机体悬空，且仅可测量匀速工作情况的转矩，不能测量动态转矩。这两种都不适合本试验台，传递法是根据弹性元件在传递转矩时产生的物理参数（变形、应力和应变）的变化而测量转矩的方法。这种方法应用广泛，适合本实验台，主要介绍此类传感器。此类传感器按转矩信号的产生方式可分为应变式、磁电式、电容式、光电式、振弦式、压磁式及磁敏式等，下面分析这些传感器。

应变式，在扭力轴的轴向 ±45°方向分别粘贴4个应变片，组成全桥电路的四个桥臂，当扭力轴受扭时 ， 应变片的电阻率发生变化，引起电压变化，便可得到转矩。

磁电式，在被测的扭力轴上相距一定距离的两端处各安装一个齿形转轮（相差盘） ，靠近转轮沿径向各放置一个感应式脉冲发生器。当转轮旋转时，便在两个脉冲发生器中产生正弦信号，而这两个正弦信号的相位差与外加转矩成正比，便可得到扭矩。

电容式，在旋转轴上安装一个无源谐振电路 ， 电路中的电感量或电容量随作用在旋转轴上的转矩变化而改变，这将使电路中的谐振频率改变 ，便可得到转矩。

光电式：在扭力轴上相距一定的位置上安装两片圆盘形光栅，光线通过明暗条纹相错的两片光栅照射在光敏元件上，产生电信号。当轴受扭时，光栅会错位，通过的光线越多，电信号越强，便可得到转矩。

振弦式，在被测轴的两个相邻截面上分别安装两个套筒 ，其钢弦的两端分别固定在两个套筒上 ， 当受扭变形时， 钢弦产生振动，其振动频率与转矩成比例。便可得到转矩。

压磁式，在轴测正交放置双“π”型磁芯，磁极上分别绕有两组励磁线圈和两组测量线圈，交变电流通过励磁线圈在轴表面建立磁场。当轴受扭后， 由于磁致伸缩逆效应，轴表面的磁场发生变化，其等效磁阻的变化使得测量线圈中产生与转矩成比例的感应电势， 便可得到转矩。

磁敏式：在轴的一端相邻位置安放两个磁块交替的相差盘，在相差盘中间放置由磁敏元件组成的磁头，当受到扭时，磁敏元件所处的磁场发送变化，产生相应的电信号变化，便可得到转矩。

除此之外，还有光纤式、无线声表面波式、激光多普勒式等，这些还没普及，有待实践考验。

上面介绍了各种应用广泛的转矩传感器的工作原理，根据不同原理，其使用、安装等各有特点。属于非接触测量的有磁电式、电容式、光电式、压磁式等，可减少接触磨损。应变式，结构简单，测量精度高，但抗干扰能力较差，温度、湿度和粘结剂都会影响精度，不适用高速转轴测量，此类传感器关键技术在于信号传输，比较成熟的有，集流环传输、电感成熟、无线传输，后两种属于非接触式。磁电式，无源、测量精度高、抗干扰能力强，但动态特性不好，不适用高速转动轴测量。电容式，原理简单，不受转速影响，但必须保证套筒同轴度，不适用转轴尺寸过大的测量。光电式，相应速度快，可实时监测，但结构复杂，静标困难，抗干扰能力差，不适用用于刚启动和低速转轴测量。振弦式，可直接利用传动轴作为扭轴，抗干扰性好，但结构复杂，精度较低，适用大型转轴而不适用高速测量。压磁式灵敏度高，抗干扰性好，但存在沿轴圆周分布的磁导率固有偏差，使其精度较低。磁敏式，测量精度较高，抗干扰、抗震动能力强，但结构复杂，对磁敏元件的灵敏度要求高。

本文对机械传动试验台结构进行了分析，再对各种转矩传感器的工作原理和结构特点进行了分析，为在机械传动试验台设计时，选择合适的转矩传感器提供参考。

参考文献：

[1]王雪雁，黄小龙.机械传动试验台的研制与应用[J].实验技术与管理，2004

[2]成都通达恒力科技有限公司 ZJS系列综合型机械设计试验台使用说明书[Z]，2004

[3]張岩.传感器应用技术[M]福建科学技术出版社，2006

[4]王岩，储江伟.扭矩测量方法现状及发展趋势[J].林业机械与木工设备，2010

[5]胡香玲.新型转矩测量系统的研究与实践[D]浙江工业大学，2006

作者简介：刘杰（1992—），男，汉族，新疆乌鲁木齐市人，工学学士，单位：成都理工大学机械工程及其自动化专业，研究方向：机械设计制造及自动化。