基尔中国 扭矩传感器的基本介绍？

一、基本定义与分类

1. 定义与别名

扭矩传感器，又称力矩传感器、扭力传感器、转矩传感器或扭矩仪，是对各种旋转或非旋转机械部件上对扭转力矩感知的检测设备。

它将扭力的物理变化转换成精确的电信号，具有精度高、频响快、可靠性好、寿命长等优点。

基本分类：主要分为动态扭矩传感器和静态扭矩传感器两大类。

二、工作原理

1. 核心原理

应变片电测技术：在弹性轴上组成应变桥，当弹性轴受扭矩作用时产生微小变形，导致应变桥电阻变化，从而将扭应变转换为电信号。

信号处理过程：应变信号经过放大后，通过压/频转换变成与扭应变成正比的频率信号，然而输出为方波或脉冲波。

2. 信号传输方式

传统方式：通过导电滑环传递信号，但存在磨损和发热问题。

现代方式：采用无线电遥测或电感耦合传输，将扭矩应变信号在旋转轴上放大并进行V/F转换，通过载波调制用无线电发射至轴外接收。

非接触式传输：通过环形变压器实现静止部分与旋转部分之间的信号传递，避免了导电滑环的磨损问题。

三、主要特点与性能指标

1. 产品特点

信号输出灵活：可任意选择波形─方波或脉冲波。

高精度测量：检测精度高、稳定性好、抗干扰性强。

操作便捷：不需反复调零即可；连续测量正反扭矩。

多功能性：既可测量静止扭矩，也可测量动态扭矩。

安装便利：体积小、重量轻、易于安装，可脱离二次仪表独立使用。

2. 关键性能指标

测量范围：标准0—10000Nm，非标准可定制至200万Nm。

精度：误差小于0.2%F.S。

非线性：<±0.25% F.S。

回差：<0.2% F.S。

零飘（24小时）：<0.5% F.S。

工作温度：0—60℃。

电源要求：+15V±5%,-15V±5%。

输出信号：5KHz—15KHz频率信号。

四、常见类型及特点

1. 应变片式扭矩传感器

工作原理：在弹性轴上粘贴应变计组成测量电桥，当弹性轴受扭矩作用时产生微小变形，导致电桥电阻值变化。

特点：分辨能力高、误差小、测量范围大、价格低。

应用：广泛用于各种静态和动态扭矩测量。

2. 非接触式扭矩传感器

工作原理：输入轴和输出轴由扭杆连接，当扭杆受力矩作用发生扭转时，输入轴上的花键和输出轴上键槽的相对位置改变，导致磁感强度变化，通过线圈转化为电压信号。

特点：寿命长、可靠性高、不易磨损、延时小、受轴影响小。

应用：广泛用于轿车领域和需要高可靠性的场合。

3. 相位差式转矩转速传感器

工作原理：在弹性轴两端安装相同齿轮和接近传感器，当轴旋转时，两组传感器波形产生相位差，通过比较相位差计算扭矩。

特点：实现转矩信号非接触传递，检测信号为数字信号，适用于高转速。

局限：体积大、低转速性能不理想。

4. 高性能无线扭矩传感器

工作原理：将扭矩传感器与无线通信技术结合，实现数据的无线传输。

特点：使用灵活，摆脱线缆束缚，安装和使用不受线缆长度限制。

应用：适用于复杂环境或需要灵活移动的设备。

五、典型应用领域

1. 旋转动力设备检测

电动机、发动机、内燃机等旋转动力设备输出扭矩及功率的检测。

风机、水泵、齿轮箱、扭力板手的扭矩及功率的检测。

2. 交通运输设备

铁路机车、汽车、拖拉机、飞机、船舶、矿山机械中的扭矩及功率的检测。

汽车电子系统：用于电助力转向(EPS)系统，直接影响汽车的技术性能。

3. 工业过程控制

污水处理系统中的扭矩及功率的检测。

过程工业和流程工业中的应用。

制造粘度计和电动（气动，液力）扭力扳手。

4. 新兴应用领域

人形机器人：机器人关节运动需要进行扭矩测量，扭矩传感器在工业自动化领域发挥重要作用。

基于状态的监测：用于旋转部件、飞机、结构和车辆的健康监测。

六、发展历程

扭矩传感器的发展历程大致经历了以下几个阶段：

光学机械变形类型：早期的测量方式。

电磁感应类型：利用电磁感应原理进行测量。

相位差类型：通过测量相位差计算扭矩。

应变类型：现代主流技术，利用应变片测量扭矩。

关键里程碑：

1856年：汤姆逊发现机械应变作用下金属丝电阻变化现象，奠定电阻应变片基础。

1938年：鲁奇与西蒙斯制造纸基式电阻应变片。

1982年：日本福冈九州大学Sasada研制新型磁头扭矩传感器。

2011年：淮海工学院文西芹、李纪明研究磁弹性效应新型扭矩传感器。

七、选型与使用建议

1. 选型要点

评估精度需求：根据应用场景选择合适的精度等级。

匹配转矩范围：量程应覆盖实际扭矩值并留有余量。

考虑环境适应性：工作温度范围需兼容应用环境。

检查输出信号：确保与数据采集系统兼容。

2. 安装使用注意事项

安装要求：确保原动机和负载的轴线同轴度小于Φ0.03mm。

环境条件：避免强电磁干扰，环境温度保持在0-60℃范围内。

维护要求：每年加注润滑脂，建议使用刚性/弹性柱销联轴器。

扭矩传感器作为现代工业自动化和机械测试的关键组件，其高精度测量能力和广泛的应用范围使其成为众多行业不可或缺的工具。随着技术的不断发展，扭矩传感器在机器人技术、新能源汽车和智能制造等新兴领域将发挥越来越重要的作用。