定义:

  扭力传感器,又称扭矩传感器、力矩传感器、转矩传感器、扭矩仪。扭力传感器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。扭矩传感器将扭力的物理变化转换成精确的电信号。

  工作原理:

  通常所说的转矩是外力矩,如机床主轴旋转是动力源提供的外力矩作用的结果,而扭矩是内力矩,主轴工作时,刀具切削力对主轴的反作用使之产生扭转弹性变形,可用其衡量扭矩的大小。扭矩是使物体发生转动效应或扭转变形的力矩,等于力和力臂的乘积。

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  扭矩是在旋转动力系统中最频繁涉及到的参数,为了检测旋转扭矩,使用较多的是扭转角相位差式传感器。扭转角相位差式传感器是在弹性轴的两端安装着两组齿数、形状及安装角度完全相同的齿轮,在齿轮的外侧各安装着一只接近(磁或光)传感器。当弹性轴旋转时,这两组传感器就可以测量出两组脉冲波,比较这两组脉冲波的前后沿的相位差就可以计算出弹性轴所承受的扭矩量。

  扭矩测试比较成熟的检测手段为应变电测技术,它具有精度高、频响快、可靠性好、寿命长等优点。 将专用的测扭应变片用应变胶粘贴在被测弹性轴上,并组成应变桥,若向应变桥提供工作电源即可测试该弹性轴受扭的电信号。这就是基本的扭矩传感器模式。

  但是在旋转动力传递系统中,最棘手的问题是旋转体上的应变桥的桥压输入及检测到的应变信号输出如何可靠地在旋转部分与静止部分之间传递,通常的做法是用导电滑环来完成。 由于导电滑环属于磨擦接触,因此不可避免地存在着磨损并发热,因而限制了旋转轴的转速及导电滑环的使用寿命。并且由于接触不可靠引起信号波动,从而造成测量误差大甚至测量不成功。

  为了克服导电滑环的缺陷,另一个办法就是采用无线电遥测的方法 :将扭矩应变信号在旋转轴上放大并进行V/F转换成频率信号,通过载波调制用无线电发射的方法从旋转轴上发射至轴外,再用无线电接收的方法,就可以得到旋转轴受扭的信号。 旋转轴上的能源供应是固定在旋转轴上的电池。该方法即为遥测扭矩仪。

  发展历程:

  扭矩传感器的发展历程大致为:光学机械变形类型、电磁感应类型、相位差类型、应变类型。

  1856 年汤姆逊发现了在机械应变作用下,金属丝电阻会发生变化的现象,这奠定了电阻应变片的研制基础。

  1938 年鲁奇与西蒙斯制造了纸基式电阻应变片。此后,电阻应变片得到了快速地发展,在工程领域得到了广泛应用,电阻应变片也是用于扭矩测量的一种较佳选择。

  1982 年日本福冈九州大学 Sasada 等研究人员研制出了新型磁头扭矩传感器,利用等离子法在转轴表面喷覆了一段磁致伸缩层,可以使整个测试装置做的紧凑。1984 年,Sasada 等人提出了改进方案,为了获得较宽的动态范围和较好的线性度,采用了具有特定形状的磁场各向异性的三角形或平行四边形磁片。

  1986 年 Sasada等人研究了应用非晶薄带的磁致伸缩逆效应来检测扭矩,具体的方式是在一段圆轴表面上粘贴非晶薄带,其粘贴方向与圆轴线成 45度角,最后基于此方法成功的研制了螺线管式扭矩传感器

  1992 年王荣等人为改善“角度依存性”问题,采用在转轴的表面粘贴一层特制的软磁合金薄带的方法,研制了逆磁致伸缩扭矩传感器

  2005 年重庆工学院远程测试与控制技术研究所开发了螺杆差动变压器式的扭矩传感器,当弹性轴受到扭力时,轴会产生一定的扭矩角度,再通过内部的衔铁作用以感应电动势的形式输出。

  2010 年由淮海工学院和江苏海洋资源开发研究院共同研制了一种非接触测量方式的磁电型扭矩传感器

  2011 年由淮海工学院的文西芹、李纪明等人研究了一种磁弹性效应的新型扭矩传感器,其气隙扰动小、磁滞小、可满足电助力转向系统的使用要求。

  近年来一些新型扭矩传感器不断被开发和研制出来,包括光纤式扭矩传感器、无线声表面波式扭矩传感器、磁敏式扭矩传感器、激光多普勒式扭矩传感器、激光衍射式扭矩传感器等。如美国佛吉尼亚西蒙斯飞行器公司,为了对飞行器的涡轮发动机进行扭矩测试,研发了一种基于光纤技术的光纤式扭矩传感器

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  分类:

  扭力传感器分为动态和静态两大类,其中动态扭矩传感器又可叫做转矩传感器、转矩转速传感器、非接触扭矩传感器、旋转扭矩传感器等。

  非接触式扭矩传感器

  非接触式扭矩传感器输入轴和输出轴由扭杆连接起来,输入轴上有花键,输出轴上有键槽。当扭杆受方向盘的转动力矩作用发生扭转时,输入轴上的花键和输出轴上键槽之间的相对位置就被改变了。花键和键槽的相对位移改变量等于扭转杆的扭转量,使得花键上的磁感强度改变,磁感强度的变化,通过线圈转化为电压信号。非接触扭矩传感器由于采用的是非接触的工作方式,因而寿命长、可靠性高,不易受到磨损、有更小的延时、 受轴的偏转和轴向偏移的影响更小,已经广泛用于轿车领域。

  在非接触式扭矩传感器中,常用的主要有应变式、磁电式、光纤式和光电式传感器。

  应变式非接触传感器利用了无线传输技术。随着科技的进步和无线传输技术的发展,接触式应变片传感器输出信号所用的导电滑环和刷臂已经能够用无线传输模块替代,从而克服了导电滑环和刷臂间的磨损,提高了测量精度。

  磁电式扭矩传感器是利用磁电转换的原理,分析两路输出的电动势信号的相位差,从而达到测量扭矩的目的。主要分为闭磁路式传感器和开磁路式传感器。

  光纤式扭矩传感器主要是利用光反射原理和相位差原理,将轴上相应的两处位置反射的光信号读取后并计算出相位差,由此能算出相应的扭矩值。但是光纤式传感器易受环境影响,安装调试也相对较困难。

  光电式扭矩传感器以光电感应元件为核心部件。当传动轴上加载扭矩时,由光源发出的光的强度会发生相应变化,从而使光电元件的输出电流发生变化。通过测量该变化值即可计算出扭矩值。

  应变片扭矩传感器

  应变片传感器扭矩测量采用应变电测技术。在弹性轴上粘贴应变计组成测量电桥,当弹性轴受扭矩产生微小变形后引起电桥电阻值变化,应变电桥电阻的变化转变为电信号的变化从而实现扭矩测量。传感器就完成如下的信息转换;传感器由弹性轴、测量电桥、仪器用放大器、接口电路组成。

  高性能无线型

  高性能无线扭矩传感器将传感器与无线通信技术结合在一起,实现了数据的无线传输。扭矩电信号由单片机控制的信号处理电路进行放大、A/D转换之后,编码器将采集到的数字量编码传送给发射模块进行发送。接收模块接收到数据后,解码器将译出的数据传送给单片机,由LED显示得到的扭矩数据值。传感器数据采集发射电路由扭矩传感器、信号处理部分、单片机和无线发射电路组成。扭矩传感器将电阻应变片产生的应变电信号传送到信号处理电路。信号处理部分对传感器模拟信号提取放大,并进行模/数转换。微处理器负责控制系统各部分器件的工作,并对数字信号进行处理。无线发射电路在微处理器的控制下,由编码器将采集到的信息数据进行相应的编码和处理,并用发射模块发射出。实现无线传输。

  电子式

  电子式扭矩仪是一种针对风机、水泵试验及现场能效评测的便携式高性能轴功率测量仪器。电子式扭矩仪创造性的摒弃了传统机电式扭矩传感器繁琐、复杂、在很多现场环境下不易实现的安装过程,实现了风机、水泵电机效率的实时测量,监测风机、水泵电机在使用过程中各环节的运行状态,对研究风机、水泵电机的使用状态提供了实时、真实、可靠的数据;避免了因机电式扭矩传感器安装不当对试验结果造成的影响。

  电子式扭矩仪能完全取代传统扭矩传感器的轴功率测量功能,并且能获取风机、水泵电机的实时效率,为风机、水泵机组节能提供了严谨、科学评测手段。

  应用:

  扭矩传感器是一种测量各种扭矩、转速及机械功率的精密测量仪器。应用范围十分广泛,主要用于:

  1、交(直)流电动机、伺服电机、步进电机;

  2、汽车发动机、柴油机、转向器、车身整体刚性扭转以及其他部件加工过程的控制和检测;

  3、电(手)动执行器,各种阀门自动开闭控制。

  4、石油开采和提炼过程控制和监测、火(水)力发电设备的监测、矿石筛选控制,风力发电设备的监测。

  5、各种材料扭矩寿命试验。

  6、铁路机械设备过程控制等等,具体如下:

  (1)、检测发电机、电动机、内燃机等旋转动力设备输出扭矩极功率。

  (2)、检测减速机、风机、泵、搅拌机、卷扬机、螺旋桨,钻探机械等设备的负载扭矩极输入功率。

  (3)、检测各种机械加工中心,自动机床的工作过程中的扭矩。

  (4)、各种旋转动力设备系统所传递的扭矩极效率。

  (5)、检测扭矩的同时可以检测转速、轴向力。

  (6)、可用于制造粘度计,电动(气动,液力)扭力扳手。

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