数值模拟在扭矩传感器设计的应用*

陈金明 钟文斌

（广州计量检测技术研究院）

数值模拟在扭矩传感器设计的应用*

陈金明 钟文斌

（广州计量检测技术研究院）

针对现有扭矩传感器结构设计问题，根据材料力学原理设计分析传感器结构，给出总体设计方案和结构图，利用数值模拟软件Ansys对传感器的弹性元件进行结构分析和优化，得出传感器弹性体表面应变和整体的受力情况，有针对性地指导弹性体后期粘贴应变片，得到较好的使用效果。传感器样品实测结果表明，该结构传感器的线性度可达0.01%。

扭矩；传感器；数值模拟

0 引言

在工业机器人、汽车和机械加工等行业迅速发展的形势下，各类动力机械设备需持续、稳定地高效工作，因此，需监控机械设备的状态参数。扭矩量是监控机械设备工作状态的重要参数。准确测量和监控机械设备的扭矩量，可较准确地控制机械传动的能耗，监控设备运行状况，有利于系统优化设计。为得到理想的扭矩测量结果，需准确度高和性能稳定可靠的扭矩传感器。

本文简要介绍扭矩传感器常用结构的设计，以及几种不同原理扭矩传感器的优缺点；详细分析应变式扭矩传感器结构特点和力学数学模型，建立扭矩传感器弹性体3D模型；利用Ansys分析软件进行有限元分析和适当优化。软件模拟分析的结果在样机制作过程中对使用应变片类型的选择及应变片的粘贴位置都有较好指导意义，因此通过这种方法可以进一步提高扭矩传感器准确度，从而提高扭矩测量精度。

1 常用扭矩传感器类型和工作原理

使用扭矩传感器测量时，需要考虑传感器的准确度、结构特点、电源供给和信号调制等方面因素，其中传感器的准确度是重点因素。目前常用的扭矩传感器结构种类较多，按其原理主要可分为磁电式、光电式和应变式等。

1) 磁电式扭矩传感器是利用磁场中导体与所在磁场相对运动产生交变感应电动势的原理。测量轴上均布齿牙与磁体间隙交替变化引起磁通量交替变化，产生感应电动势。通过测量感应电动势的相位差，根据测量轴材料的本构关系，从而得出测量轴所受扭矩载荷值。这种扭矩传感器对于低转速、微小转角测量灵敏度不高，准确度较低，且易受环境电磁干扰。

2) 光电式扭矩传感器原理是测量轴的两端设置光发射和反射结构，传感器内置转换器将反射光信号变换为可测量的电信号，通过运算电路计算两路反射信号的相位差，得到测量轴两端相对扭转角度，根据测量轴材料的本构关系，进而得到测量轴所承受的扭矩载荷值。这种传感器的缺点是测量准确度受反射装置的精度限制。

3) 应变式扭矩传感器是目前应用范围最广的一种传感器，其原理是将应变片粘贴在测量轴表面，测量轴在受到扭矩作用时产生形变后引起应变片电阻值变化，通过电桥和解调电路将应变片阻值的变化转换成可测量的电压、电流或频率等信号，从而得到测量轴所承受的扭矩值。应变式扭矩传感器的优点主要有：① 适用范围广、测量精度高；② 由于应变片自身尺寸小、质量轻，此种传感器对测量轴在受载荷时的应力分布没有影响。

2 扭矩传感器设计原理

合理的外观结构是获得较高准确度测量结果的重要保证。将扭矩与载荷的对应关系准确地反映到弹性元件的应力与应变成为结构设置的关键。

应变式传感器利用弹性元件的弯曲、拉伸和剪切等基本形变形式，将形变通过电桥方式转换为可以测量的电信号量[1]。在扭矩传感器结构中常见的剪切梁式，可看作是由悬臂梁式或双固定端梁式的不同贴片位置转化而来的，剪切梁式结构如图1所示。图1中，根据材料力学原理[2-3]，弹性元件在力F作用下产生剪切ε为

其中μ为材料的泊松比。

图1 剪切梁式结构

以剪切轮辐式扭矩传感器弹性元件（图2）为例进行实际模拟测试。弹性元件的每条轮辐臂都可以看作两端固定的剪切梁，因此使用这种结构的传感器测量时，可看成是用4条剪切梁作为敏感结构进行测量，同时这种结构有利于提高传感器测量精度和敏感度[2]。

图2 剪切轮辐式弹性元件结构

剪切轮辐式结构的弹性体在扭矩T作用下，弹性体弹性转角和应变参数分别为

其中，B为弹性梁横截面宽/mm；H为弹性梁横截面高/ mm；R为弹性梁横截面中心分布圆半径/ mm；L为弹性梁长度/ mm；E为弹性体材料的弹性模量/Pa。

3 设计计算及结果讨论

使用Ansys软件对传感器弹性体在受到扭矩载荷时，表面形变及应力分布情况进行仿真模拟和分析。Ansys是一款成熟的CAE软件。对模型分析时，在程序中设置相应的计算参数和约束条件，提交给求解器进行求解，计算结果返回Ansys程序进行结果显示。若对当前设计方案所模拟出的结果不满意，可重新设置参数后再分析，直到对设计方案满意为止。

上述轮辐式扭矩传感器结构及受力状况，为应变片粘贴位置的选择提供指导依据。在模拟分析中，设定扭矩传感器所受最大测量扭矩T = 150 Nm，材料力学性能参数设置为划分有限元网格后计算得到变形云图，模型变形情况如图3所示。

图3 模型变形云图

从变形云图表面形变模拟结果情况来看，轮辐式弹性体结构在受到扭矩载荷后，在4条轮辐臂梁上产生较好的剪应变效应。这个分析对实际测量中安装布置电阻应变片具有较好的指导意义。参考轮辐式弹性体模拟的变形云图结果，在实物样品上布置安装电阻应变片，贴片组桥，组成测试桥路进行实际测试。使用0.03级扭矩标准机进行测试，通过连续实测得到一组数据（如表1所示），通过计算该传感器线性度接近0.01%，得到较好的测试结果。

表1 轮辐式扭矩传感器试验数据

4 结语

本文利用传统的传感器设计经验和现代3D数值模拟分析，进一步优化传感器的结构和性能，缩短传感器开发周期。在扭矩测试过程中扭矩传感器和测量仪表易受环境中温度、电磁等因素干扰，所测的扭矩值可能会偏离真实值。应变式扭矩传感器从原理上将扭矩测量转化为对弹性形变敏感材料的性能研究，建立扭矩与弹性材料相应的本构关系，设计适用、合理的检测装置结构，完善扭矩测量方案，同时从原理分析着手，使用模拟仿真软件加以辅助验证，设计研制出精度较高的、适应性强应变式扭矩传感器。

[1] 张家全.静动态扭矩传感器的设计方案[J].中国电子学会力敏专业论文集,2000:69-73.

[2] 吴吉利,杨明亮,梁应选.四梁式扭矩传感器的设计与优化[J].陕西理工学院学报(自然科学版),2011,27(4):1-6.

[3] 林福严,周宁闻,付朝英,等.轮辐结构的联轴器式扭矩传感器研究[J].传感器与微系统,2012,31(11):40-42,46.

The Application of Mechanical Simulationin the Design of Torque Sensor

Chen Jinming Zhong Wenbin
(Guangzhou Institute of Measurement and Testing Technology)

For existing torque sensor design, this paper introduced the principle of mechanical design analysis, given the overall design and structure diagrams, using simulation software ansys elastic sensor element structural analysis and optimization, obtained elastic sensor surface strain and overall stress situation, targeted guidance of the late adhesive elastomer strain gauge to obtain better results. And sensor samples were measured by actual tests show that the linearity of the sensor was 0.01%.

Torque; Sensors; Mechanical Analysis

陈金明，男，1979年生，工程师，硕士，主要研究方向：力学计量和测试等。E-mail: Chenjinming000@163.com

广东省质监局科研项目“标准扭力扳手研发”（2014PJ04）

钟文斌，男，1979年生，高级工程师，硕士，主要研究方向：力学计量和质量技术管理等。