宋春華，徐光衛(wèi)

(西華大學(xué)，四川成都 610039)

0 引 言

扭矩傳感器是扭矩測(cè)試中不可或缺的重要部分。它主要用來(lái)測(cè)量各種扭矩、轉(zhuǎn)速及機(jī)械功率，它將扭力的變化轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，其精度關(guān)系到整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的精度。扭矩傳感器在后面的檢測(cè)系統(tǒng)中起著非常重要的作用，如果傳感器沒(méi)有高的精度，后面的精度再高，也難以提高整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的精度。因此，隨著對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)精度及應(yīng)用范圍要求的不斷提高，扭矩傳感器也在不斷地發(fā)展著。

1 國(guó)內(nèi)扭矩傳感器的發(fā)展研究情況

非接觸式扭矩傳感器無(wú)接觸、使用壽命長(zhǎng)、無(wú)磨損、轉(zhuǎn)換精度高;非接觸式傳感器采用微電子測(cè)量，可靠性大幅提高，可在高轉(zhuǎn)速下進(jìn)行扭矩測(cè)量;內(nèi)藏控制電路，可以實(shí)現(xiàn)各種控制補(bǔ)償提高精度;通過(guò)無(wú)線發(fā)送和接收可以實(shí)現(xiàn)直接與數(shù)字儀表和計(jì)算機(jī)相聯(lián)。非接觸式扭矩傳感器主要包括應(yīng)變式、磁彈性式、磁電式和光電式傳感器。

1.1 應(yīng)變非接觸式傳感器發(fā)展研究情況

應(yīng)變非接觸式傳感器是從應(yīng)變接觸式傳感器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，它整合了已有的扭矩測(cè)量技術(shù)和方法，通過(guò)技術(shù)改進(jìn)和革新，實(shí)現(xiàn)非接觸扭矩測(cè)量目標(biāo);它采用無(wú)線電遙測(cè)技術(shù)替代接觸式的用導(dǎo)電滑環(huán)和刷臂傳輸扭矩信息的非接觸式扭矩傳感器。下面分別介紹應(yīng)變非接觸傳感器的發(fā)展研究情況。

1993年蘇州大學(xué)工學(xué)院研制的微型遙測(cè)扭矩儀［1］。工作原理是把貼于軸上的應(yīng)變橋路和大規(guī)模模擬集成電路5G7650的放大器、單片集成的V/f轉(zhuǎn)換器AD537的V/f電路及發(fā)射電路固定在轉(zhuǎn)軸上，其接收放大電路用飛利浦公司的TDA7021T調(diào)頻信號(hào)處理電路。此類(lèi)扭矩傳感器利用無(wú)線傳輸?shù)目偩燃s為0.5%。

1994年航天工業(yè)總公司的第四十四研究所研制了CN15－1型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器［2］，為了提高傳感器的使用壽命和測(cè)量精度，它的轉(zhuǎn)矩測(cè)量電源傳輸采用了電感引電器機(jī)構(gòu)，即用電磁感應(yīng)現(xiàn)象來(lái)傳輸能源。它的工作原理和變壓器相似，初次級(jí)線圈分別繞在一個(gè)靜止和一個(gè)旋轉(zhuǎn)的磁芯上。CN15－1型傳感器是用光電計(jì)數(shù)－測(cè)頻法進(jìn)行轉(zhuǎn)速測(cè)量的。CN15－1型傳感器的轉(zhuǎn)矩測(cè)量信號(hào)輸出運(yùn)用電容引電器機(jī)構(gòu)。

1997年洛陽(yáng)工學(xué)院和洛陽(yáng)軸承集團(tuán)公司共同研制了在線動(dòng)態(tài)扭矩測(cè)試儀［3］。它把檢測(cè)和發(fā)射電路集成在一塊20 mm×35 mm的印刷電路板上，與扭矩傳感器固接在一起。

1.2 磁彈性式傳感器發(fā)展研究情況

基于鐵磁物質(zhì)的壓磁效應(yīng)制成了磁彈性式傳感器。某些鐵磁物質(zhì)在外界機(jī)械力的作用下，其內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，從而引起磁導(dǎo)率的變化，這種現(xiàn)象稱(chēng)為壓磁效應(yīng)。反之，某些鐵磁物質(zhì)在外界磁場(chǎng)力的作用下會(huì)產(chǎn)生變形，部分伸長(zhǎng)，部分壓縮，這種現(xiàn)象稱(chēng)為磁致伸縮。

2001年華北工學(xué)院張艷花等研究一種新型磁彈傳感器［4］。它提出一種新的測(cè)試方法，這種方法不借助涂層，直接測(cè)定軸材料應(yīng)力。這種扭矩傳感器是在U形磁芯上繞上一組線圈，構(gòu)成檢測(cè)磁頭，使用時(shí)將扭矩傳感器安裝在金屬表面，由被測(cè)金屬和傳感器檢測(cè)磁頭的磁芯共同構(gòu)成一個(gè)磁路，通過(guò)測(cè)量閉合磁路磁阻的改變，從而測(cè)得扭應(yīng)力的變化。

2001年中國(guó)礦業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)了一種適用于煤礦生產(chǎn)中的逆磁致伸縮效應(yīng)扭矩傳感器［5］，這種扭矩傳感器由外罩、激勵(lì)線圈和測(cè)量線圈、激勵(lì)鐵心和測(cè)量鐵心、調(diào)節(jié)裝置和鐵心固定架等組成。兩個(gè)有相同截面形狀的U型鐵心呈十字交叉安放，各個(gè)磁極上分別繞有測(cè)量線圈和激勵(lì)線圈，其中激勵(lì)線圈和測(cè)量線圈的兩個(gè)磁極所在平面與被測(cè)軸線平行和垂直。兩對(duì)磁極與被測(cè)軸表面之間有氣隙，≥1 mm。當(dāng)激勵(lì)線圈接交流電壓時(shí)，在被測(cè)軸表面的對(duì)應(yīng)部分產(chǎn)生相應(yīng)磁場(chǎng)，由于材料的各向同性，當(dāng)軸無(wú)扭矩作用時(shí)，此磁場(chǎng)具有對(duì)稱(chēng)性，磁橋處于平衡，測(cè)量線圈中就會(huì)有感應(yīng)電勢(shì)產(chǎn)生;當(dāng)軸受有扭矩作用時(shí)，軸體表面磁場(chǎng)就會(huì)失去對(duì)稱(chēng)性，磁橋平衡被打破，于是在測(cè)量線圈中就有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生。再根據(jù)輸出電壓與被測(cè)軸扭矩的關(guān)系就可得到要測(cè)的扭矩值。

1.3 磁電式傳感器發(fā)展研究情況

磁電式傳感器是依據(jù)磁電轉(zhuǎn)換和相位差原理制成的。它將扭矩值轉(zhuǎn)換成有相位差的電信號(hào)，因而實(shí)現(xiàn)扭矩的測(cè)量。

2005年重慶工學(xué)院遠(yuǎn)程測(cè)試與控制技術(shù)研究所研究了一種基于螺管形差動(dòng)變壓器的非接觸式扭矩傳感器［6］。其工作原理是當(dāng)軸受到扭矩作用時(shí)，軸會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)角，當(dāng)軸產(chǎn)生轉(zhuǎn)角時(shí)，凸塊在銜鐵內(nèi)部運(yùn)動(dòng)將軸的轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)化為銜鐵的軸向位移，進(jìn)而轉(zhuǎn)換為次級(jí)線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。

2009年淮海工學(xué)院機(jī)和江蘇海洋資源開(kāi)發(fā)研究院共同研制了一種新型磁電感應(yīng)式動(dòng)態(tài)非接觸扭矩傳感器［7］，它是在轉(zhuǎn)軸表面附著一條薄帶，其磁導(dǎo)率遠(yuǎn)大于晶態(tài)合金Co基非晶態(tài)合金薄帶，它的軸向和徑向尺寸與傳感器鐵心尺寸相符，厚度為0.035 mm。扭矩傳感器探頭采用了“E”字型磁極，兩側(cè)為測(cè)量磁極，中間為激勵(lì)磁極。當(dāng)激磁繞組通入一定頻率的激磁電流時(shí)，形成閉合磁路;當(dāng)傳感器探頭與非晶態(tài)合金薄帶和轉(zhuǎn)軸正對(duì)時(shí)，由于氣隙的變化，磁路中的磁阻會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而引起磁通變化，最終導(dǎo)致測(cè)量繞組中感應(yīng)電壓的變化。確定出兩測(cè)量線圈輸出感應(yīng)電壓的相位差就可以計(jì)算出轉(zhuǎn)軸所受扭矩的大小。

1.4 光電式傳感器發(fā)展研究情況

光電式扭矩傳感器的主要部件有光源和光電元件。當(dāng)傳動(dòng)軸受力時(shí)，光電元件把光源得到的光強(qiáng)度變化轉(zhuǎn)換成輸出脈沖電流的變化，通過(guò)電流的變化的測(cè)量來(lái)實(shí)現(xiàn)扭矩的測(cè)量。2006年重慶大學(xué)的光電技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究了一種光柵扭矩動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)［8］。它是在主軸兩端各安裝一對(duì)與主軸相連的主光柵和與光電三極管固定在一起的指示光柵，通過(guò)形成莫爾條紋，照射到光電三極管上。光電三極管實(shí)現(xiàn)光信號(hào)和電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。當(dāng)主軸受力時(shí)兩個(gè)光電三極管產(chǎn)生的電信號(hào)會(huì)因?yàn)楣獾难苌涠哂幸欢ǖ南辔徊?。通過(guò)對(duì)相位差的處理可以得到所需的扭矩值。

2 國(guó)外扭矩傳感器發(fā)展研究情況

2.1 國(guó)外扭矩傳感器的現(xiàn)狀

1986年日本福岡九州大學(xué)研制出新型磁頭型扭矩傳感器［9］。此傳感器在軸上使用等離子法噴覆一小段磁致伸縮層，兩個(gè)鐵氧磁芯組成U型磁頭與軸線成±45°。磁頭與軸相距一定距離，磁頭上繞有線圈，線圈構(gòu)成了橋式電路的一部分。采用這種結(jié)構(gòu)可使整個(gè)測(cè)試裝置變得很小巧，這種扭矩傳感器的另一個(gè)特點(diǎn)是它對(duì)應(yīng)力敏感，因而廣泛用于粗短、笨重的傳動(dòng)軸和扭力軸上，且無(wú)需占用較大空間。

1987年日本九州技術(shù)研究所研制了用非晶態(tài)星形線圈制成的扭矩傳感器［10］。此扭矩傳感器是把n束非晶態(tài)金屬絲依次串聯(lián)在一起，并放于固定軸上的N極環(huán)形磁鐵周?chē)?，他們可以感?yīng)到磁場(chǎng)強(qiáng)度的改變，與后續(xù)元件組成多諧振蕩電路。扭矩產(chǎn)生的角位移通過(guò)磁場(chǎng)相位差的形式被星形線圈所感應(yīng)，最后通過(guò)振蕩電路以電壓形式輸出。

1992年Sasada等人提出在轉(zhuǎn)軸表面粘貼與軸成45°角的八字形布置的Fe基非晶薄帶的方法［11］。其工作原理是轉(zhuǎn)軸在扭矩的作用下，會(huì)在與軸成±45°方向上產(chǎn)生主應(yīng)力，再由磁致伸縮逆磁效應(yīng)感生出各向異性力K，非晶薄帶的磁化率將隨K變化。通過(guò)測(cè)得磁導(dǎo)率的改變便可求出扭力。

1989年美國(guó)弗吉尼亞西蒙精密飛行器公司研制了光纖扭矩傳感器［12］，它的主要由偏振片、反射偏振片、透鏡、光盤(pán)、光纖、頻率計(jì)和相位計(jì)等構(gòu)成。它用光纖作為探頭，接收被反射的光，然后根據(jù)軸彈簧常數(shù)和相位差來(lái)計(jì)算扭矩的大小。

2.2 國(guó)外扭矩測(cè)量?jī)x現(xiàn)狀

德國(guó)HBM公司是全球首家數(shù)字扭矩傳感器制造商，從1958年開(kāi)始的扭矩傳感器一直是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，此標(biāo)準(zhǔn)廣泛用于發(fā)動(dòng)機(jī)與零部件的測(cè)試臺(tái)架、生產(chǎn)監(jiān)控與實(shí)驗(yàn)室的扭矩標(biāo)定。其產(chǎn)品包括扭矩傳感器、非轉(zhuǎn)動(dòng)式扭矩傳感器與用于扭矩傳感器的各類(lèi)聯(lián)軸器以及測(cè)量?jī)x表等。HBM公司擁有滑環(huán)和非接觸式信號(hào)傳輸?shù)膶?zhuān)利技術(shù)，其額定測(cè)量范圍從0.1～2 mN·m。

美國(guó)阿克來(lái)克斯公司中的一個(gè)子公司W(wǎng)DC(即無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸公司)，從上世紀(jì)70年代起，開(kāi)始生產(chǎn)“通用海上試驗(yàn)功率測(cè)試系統(tǒng)”，其顯示板上可顯示被測(cè)試主機(jī)的轉(zhuǎn)速、扭矩和功率。這些儀器的扭矩測(cè)量是采用卡環(huán)式應(yīng)變傳感器測(cè)量被測(cè)軸的扭轉(zhuǎn)變形，通過(guò)變形量來(lái)計(jì)算扭矩的。

日本小野測(cè)試社擅長(zhǎng)制造相位差磁電式扭矩測(cè)量?jī)x，最初的產(chǎn)品多用于實(shí)驗(yàn)室，適用于精密測(cè)量扭矩。

德國(guó)馬霍克公司生產(chǎn)的振弦式扭矩測(cè)量?jī)x聞名世界。該測(cè)量?jī)x是利用軸扭轉(zhuǎn)時(shí)使傳感器中的鋼弦拉緊或放松，從而改變鋼弦自身頻率變化測(cè)得扭矩;數(shù)據(jù)傳輸方式有滑環(huán)式和感應(yīng)式兩種。

3 扭矩傳感器將來(lái)研究重點(diǎn)與發(fā)展方向

3.1 扭矩傳感器研究重點(diǎn)

目前扭矩傳感器還存在著一些問(wèn)題，今后的研究重點(diǎn)應(yīng)該放在以下兩個(gè)方面:

(1)解決接觸式應(yīng)變扭矩傳感器中應(yīng)變計(jì)的引線需要靠滑環(huán)引出，長(zhǎng)時(shí)間工作后，滑環(huán)容易發(fā)熱老化，甚至斷裂脫落問(wèn)題;解決小扭矩測(cè)量時(shí)傳感器工作在非線性區(qū)的問(wèn)題;解決較大扭矩測(cè)量時(shí)不易測(cè)量和變形過(guò)大等問(wèn)題。

(2)解決非接觸傳感器由于溫度、算法等因素的影響以及相關(guān)信號(hào)的采集困難，精度還需要進(jìn)一步提高的問(wèn)題;解決靜態(tài)扭矩測(cè)量方面的技術(shù)難題。

3.2 扭矩傳感器的發(fā)展方向

非接觸式扭矩傳感器的種類(lèi)較多，隨著新材料新技術(shù)的發(fā)展將會(huì)不斷出現(xiàn)各種類(lèi)型的非接觸扭矩傳感器?；跓o(wú)線信號(hào)傳輸模塊的非接觸式扭矩傳感器具有較低的研發(fā)成本因而更受市場(chǎng)青睞。隨著新型扭矩傳感器的不斷標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)格化，測(cè)量精度將不斷提高，其性價(jià)比和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力也在不斷提高，應(yīng)用越來(lái)越廣泛。所以扭矩傳感器的發(fā)展趨勢(shì):

(1)市場(chǎng)化、低成本化發(fā)展。各類(lèi)扭矩傳感器都會(huì)隨著客戶對(duì)扭矩傳感器要求而不斷發(fā)展?？蛻魰?huì)對(duì)其精度和成本等各方面提出更高的要求，因而生產(chǎn)廠家必須考慮其市場(chǎng)化和低成本化的問(wèn)題。

(2)智能化、數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，扭矩傳感器會(huì)隨著這種新技術(shù)的發(fā)展而不斷發(fā)展，向智能化、數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化方向前進(jìn)。

(3)隨著新材料技術(shù)和其它傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展，扭矩傳感器必將向著不斷開(kāi)發(fā)的新型材料、新技術(shù)方向發(fā)展。

(4)向兩極化發(fā)展(即小型化和大型化發(fā)展)。隨著微機(jī)電相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，以及一些相關(guān)小型扭矩測(cè)量的需求，扭矩傳感器向小型化發(fā)展成為一個(gè)重要的發(fā)展方向;隨著大型扭矩傳感器的市場(chǎng)需求不斷增加，以及相關(guān)行業(yè)的發(fā)展，扭矩傳感器向大型化發(fā)展也成為一個(gè)重要的發(fā)展方向。

扭矩傳感器在工具、電機(jī)、風(fēng)電等行業(yè)有著廣泛應(yīng)用，隨著市場(chǎng)需求不斷發(fā)展，研究新型的適應(yīng)社會(huì)市場(chǎng)需要的扭矩傳感器是扭矩傳感器發(fā)展的方向。

［1］翁桂榮，岳強(qiáng)，金志峰.微型遙測(cè)扭矩儀［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，1994(5):19－20.

［2］曹德慧，鄧海濤.CN15－1型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器的研制與應(yīng)用［J］.儀表技術(shù)與傳感器，1995(3):11 －39.

［3］李孟源，任煥琴，孫淑敏.在線動(dòng)態(tài)扭矩測(cè)試儀的研制［J］.洛陽(yáng)工學(xué)院學(xué)報(bào)，1998(3):29－32.

［5］張艷花，潘保武，宋文愛(ài)，等.一種新型磁彈扭矩傳感器的研究［J］.火炮發(fā)射與控制學(xué)報(bào)，2002(1):40 －45.

［6］文西芹，傅俊杰，張永忠.逆磁致伸縮效應(yīng)扭矩傳感器的設(shè)計(jì)［J］.煤礦機(jī)電，2001(4):3 －6.

［7］余成波，張蓮，陳學(xué)軍，等.基于螺管形差動(dòng)變壓器的非接觸式扭矩傳感器的研究［J］.傳感器學(xué)報(bào)，2006(6):713－715.

［8］石延平，陳季萍，周慶貴.一種新型磁電感應(yīng)式動(dòng)態(tài)非接觸扭矩傳感器［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2010(5):3 －6.

［9］喻洪麟，朱傳新，楊張利.光柵扭矩動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)［J］.應(yīng)用光學(xué)，2006(5):442 －445.

［10］Sasada I，Uramoto S，Harad K.Noncontact torque sensors using magnetic heads and a magnetostrictive layer on the shaft［J］.IEEE Trans on Magn.MAG －22，1986(5):406 －409.

［11］Mohri K，Mukai Y.New torque sensors using amorphous starshaped cores［J］.IEEE Trans on Magn.MAG － 23，1987(5):2191－2193.

［12］吳安國(guó).磁致伸縮型非晶磁性傳感器－磁性傳感器的現(xiàn)狀和未來(lái)(二)［J］.磁性材料及器件，1994(3):34－40.

［13］Rudd R E，Kline B R.Fiber potic torquemeter design and development［J］.ISA Trans，1989(2):19－23.