數字式扭矩傳感器技術性能及應用

摘 要：本文介紹了數字式扭矩傳感器原理結構，該方式利用兩組環形變壓器非接觸地傳遞能源及信號，克服了集流環及無線電遙測的一系列問題 ,本傳感器體積小便于安裝，精度高、抗干擾性強.已取得五項國家專利.

關鍵詞：傳感器，扭矩，環形變壓器
Compress: This article introduces theory and frame of digital moment of force sensor. This mode untouched passes energy sources and signal with two group of annular transformer .It conquers a series of problems about circle current and wireless remote sensing. This sensor’s volume is small and easy to install. Its performance against disturbance is better and precision is higher. It has already achieved five-item national patent and CMC production license and achieved national emphases new product certificate, which was promulgated by national five ministries and office in 1998.

一 前言
　在旋轉動力系統中最頻繁涉及到的參數:旋轉扭矩,為了檢測旋轉扭矩傳統使用較多的是扭轉角相位差式傳感器，該方法是在彈性軸的兩端安裝著兩組齒數、形狀及安裝角度完全相同的齒輪，在齒輪的外側各安裝著一只接近(磁或光)傳感器。當彈性軸旋轉時，這兩組傳感器就可以測量出兩組脈沖波，比較這兩組脈沖波的前后沿的相位差就可以計算出彈性軸所承受的扭矩量。該方法的優點：實現了轉矩信號的非接觸傳遞，檢測信號為數字信號；缺點：體積較大，不易安裝，低轉速時由于脈沖波的前后沿較緩不易比較，因此低速性能不理想。（見圖一）

圖一 扭轉角相位差式扭矩傳感器示意圖

　扭矩測試比較成熟的檢測手段為應變電測技術。它具有精度高，頻響快，可靠性好，壽命長等優點。
將專用的測扭應變片用應變膠粘貼在被測彈性軸上，并組成應變橋，若向應變橋提供工作電源即可測試該彈性軸受扭的電信號。這就是基本的扭矩傳感器模式。 (見圖二)但是在旋轉動力傳遞系統中，最棘手的問題是旋轉體上的應變橋的橋壓輸入及檢測到的應變信號輸出如何可靠地在旋轉部分與靜止部分之間傳遞，通常的做法是用導電滑環來完成。

圖二 基本的扭矩傳感器

由于導電滑環屬于磨擦接觸，因此不可避免地存在著磨損并發熱，因而限制了旋轉軸的轉速及導電滑環的使用壽命。及由于接觸不可靠引起信號波動，因而造成測量誤差大甚至測量不成功。為了克服導電滑環的缺陷，另一個辦法就是采用無線電遙測的方法 :將扭矩應變信號在旋轉軸上放大并進行V/F轉換成頻率信號，通過載波調制用無線電發射的方法從旋轉軸上發射至軸外，再用無線電接收的方法，就可以得到旋轉軸受扭的信號。

圖三導電滑環式扭矩傳感器

旋轉軸上的能源供應是固定在旋轉軸上的電池。該方法即為遙測扭矩儀。 (見圖四)遙測扭矩儀成功之處在于克服了電滑環的兩項缺陷，但也存在著三個不足之處，其一：易受使用現場電磁波的干擾；其二：由于是電池供電，所以只能短期使用。其三：由于在旋轉軸上附加了結構，易引起高轉速時的動平衡問題。在小量程及小直徑軸時更突出。數字式扭矩傳感器吸取了上述各種方法的優點并克服了其缺陷,在應變傳感器的基礎上設計了兩組旋轉變壓器,實現了能源及信號的非接觸傳遞。并做到了扭矩信號的傳遞與是否旋轉無關，與轉速大小無關，與旋轉方向無關。

圖四 無線電遙測扭矩傳感器

二 特點
　

1. 既可以測量靜止扭矩，也可以測量旋轉轉矩;
2..既可以測量靜態扭矩，也可以測量動態扭矩；
3. 檢測精度高，穩定性好；抗干擾性強;
4. 體積小，重量輕，多種安裝結構，易于安裝使用；
5. 不需反復調零即可連續測量正反轉扭矩;
6.沒有導電環等磨損件，可以高轉速長時間運行；
7．傳感器輸出高電平頻率信號可直接送計算機處理；
8．測量彈性體強度大可承受100%的過載。
三 測量原理
將專用的測扭應變片用應變膠粘貼在被測彈性軸上并組成應變橋 ,向應變橋提供電源即可測得該彈性軸受扭的電信號。將該應變信號放大后，經過壓/頻轉換，變成與扭應變成正比的頻率信號。本系統的能源輸入及信號輸出是由兩組帶間隙的特殊環型變壓器承擔的,因此實現了無接觸的能源及信號傳遞功能。(虛線內為旋轉部分)

四 傳感器原理結構 （見圖五）
在一段特制的彈性軸上粘貼上專用的測扭應片并組成變橋，即為基礎扭矩傳感器；在軸上固定著： (1)能源環形變壓器的次級線圈，(2)信號環形變壓器初級線圈，(3)軸上印刷電路板，電路板上包含整流穩定電源、儀表放大電路、V/F變換電路及信號輸出電路。在傳感器的外殼上固定著

圖五 數字式扭矩傳感器測量原理圖

(1)激磁電路，(2)能源環形變壓器的初級線圈(輸入)，(3) 信號環形變壓器次級線圈(輸出)，(4)信號處理電路

五 工作過程
向傳感器提供 ± 15V電源，激磁電路中的晶體振蕩器產生４００Hz的方波，經過TDA2030功率放大器即產生交流激磁功率電源，通過能源環形變壓器T1從靜止的初級線圈傳遞至旋轉的次級線圈，得到的交流電源通過軸上的整流濾波電路得到 ± ５ V的直流電源，該電源做運算放大器AD822的工作電源；由基準電源AD589與雙運放AD822組成的高精度穩壓電源產生 ± 4.5V的精密直流電源，該電源既作為電橋電源，又作為放大器及V/F轉換器的工作電源。當彈性軸受扭時，應變橋檢測得到的mV級的應變信號通過儀表放大器AD620放大成1.5v ± 1v的強信號，再通過V/F轉換器LM131變換成頻率信號，通過信號環形變壓器T2從旋轉的初級線圈傳遞至靜止次級線圈，再經過傳感器外殼上的信號處理電路濾波、整形即可得到與彈性軸承受的扭矩成正比的頻率信號，該信號為TTL電平,既可提供給專用二次儀表或頻率計顯示也可直接送計算機處理。由于該旋轉變壓器動--靜環之間只有零點幾毫米的間隙，加之傳感器軸上部分都密封在金屬外殼之內，形成有效的屏蔽，因此具有很強的抗干擾能力。
本傳感器輸出的頻率信號在零點時為 10kHz.正向旋轉滿量程時為15KHz.反向旋轉滿量程時為5KHz。即滿量程變量為5000個數/每秒。轉速測量采用光電齒輪或者磁電齒輪的測量方法，軸每旋轉一周可產生60個脈沖，高速或中速采樣時可以用測頻的方法，低速采樣時可以用測周期的方法。本傳感器精度可達 ± 0.2%～ ± 0.5%（F · S）。由于傳感器輸出為頻率信號，所以無需AD轉換即可直接送至計算機進行數據處理。

六 應用范圍
　1. 檢測發電機，電動機 ，內燃機等旋轉動力設備輸出扭矩及功率。
　2. 檢測減速機，風機，泵，攪拌機，卷揚機，螺旋槳，鉆探機械等設備的負載扭矩及輸入功率。
　3. 檢測各種機械加工中心，自動機床的工作過程中的扭矩

4. 各種旋轉動力設備系統所傳遞的扭矩及效率；
　5. 檢測扭矩的同時可以檢測轉速，軸向力。
　6. 可用于制造粘度計，電動(氣動，液力)扭力扳手。
七 安裝使用
　1.使用兩組聯軸器，將傳感器安裝在動力源和負載之間。

圖六

2.建議用撓性、彈性或萬向節聯軸器，以保證同心度 ∠ 0.1mm以下。
　3.動力及負載設備必須固定可靠避免振動。
　4.將本傳感器的基座與設備的基座固定可靠，中心高須墊合適避免產生彎矩 。
八 多種安裝方式
本傳感器經過五年的批量試產，廣泛受到用戶的好評。本傳感器屬貫通形安裝方法，一般需要通過聯軸器安裝，為了便于在特殊要求的條件下使用，本傳感器還有七種變形結構：
　1.如果要求傳動系統的軸向不因安裝了傳感器而加長，則可使用智能聯軸器--既可以檢測扭矩，又可以承擔聯軸器的功能。也就是一種帶檢測功能的聯軸器。
　2.被測傳動系統不允許加長但可以拆卸時，則可以使用套裝式扭矩傳感器--套在被測軸上即可測試。
　3.被測傳動系統既不允許加長又不可以拆卸時，則可以使用在現場組裝的卡裝式扭矩傳感器。從軸的兩側卡在軸上即可進行測試。即可長期監測也可短期檢測。與電流鉗形表相似。
　4．有的測試系統既有扭力又有軸向力時則可以使用轉矩轉速軸向力三參數傳感器；既可以避免軸向力對扭力測試的干擾又可以測量軸向力的信號；
　5．在高轉速或超高轉速下測試時可以使用無軸承式轉矩轉速傳感器；
　6．如果被測系統為不旋轉狀態時可以使用扭矩傳感變送器；
　7．如果被測系統最大值在5mN · m至1N · m時可以使用小量程轉矩轉速傳感器
這幾種傳感器的結構及使用方法將陸續介紹。

九 智能轉矩轉速測量儀
為了更方便的使用本系列扭矩傳感器特配合設計了智能轉矩轉速測量儀與計算機虛擬儀器，該兩種儀器可以直接顯示出正在測量的轉矩，轉速，功率值的數值及曲線，也可以設定轉矩的限定值，超值報警，還可以保存本次測量的轉矩峰值及曲線，并且可以打印出上述各參數及曲線圖。