彭家瑤等

作者簡介：彭家瑤（1988-），男，漢族，四川江油市人，學生，研究生在讀，西華大學機械工程學院，研究方向：控制工程與電子技術。

摘要：本文主要介紹了轉矩傳感器的基本工作原理及分類，比較了各類轉矩傳感器的優(yōu)缺點，認識了各類轉矩傳感器的應用類型及應用特點，了解了各類轉矩傳感器市場前景以及國內外研究的具體情況，預測了未來轉矩傳感器的發(fā)展趨勢和應用方向，為進一步研究轉矩傳感器奠定了基礎。

關鍵詞：電動；轉向系統(tǒng)；傳感器；發(fā)展趨勢

1.緒論

電動轉向系統(tǒng)（EPS）是近年來取代了傳統(tǒng)的液電式轉向系統(tǒng)，迅速發(fā)展起來的一種新型動力轉向裝置。目前，電動轉向系統(tǒng)主要用于輕型車和經濟型轎車上，由于耗油少，在一定程度上降低了汽車的燃油費用[1]。

電子控制單元（ECU）、轉矩傳感器、電磁離合器、電動機、蝸輪蝸桿等共同組成了電動轉向系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，轉矩傳感器的作用相當于整個系統(tǒng)的眼睛，因此，轉矩傳感器是電動轉向系統(tǒng)中最為重要的器件之一[2]。

2.轉矩傳感器的基本工作原理

轉矩傳感器是汽車電動助力轉向系統(tǒng)的關鍵零部件，其主要的工作原理是：用來檢測作用在方向盤下面轉向軸上的轉矩，這個轉矩的大小通過彈性軸（也就是轉向軸）的扭轉彈性形變的程度來衡量，轉矩傳感器就把這個檢測到的轉矩大小的信號傳遞給電子控制單元（ECU），此時，電子控制單元就發(fā)出準確的指令，來控制驅動電機輸出與之匹配的轉矩，實現(xiàn)轉向軸的轉向。

3.轉矩傳感器的國內外現(xiàn)狀

目前，轉矩傳感器種類很多，按測量原理可分為電位計式、光式、電感式、電磁式、磁阻式等[3]；按測量方式通常分為接觸式、非接觸式。

3.1轉矩傳感器按測量原理的分類

3.1.1電位計式

電位計式轉矩傳感器是將扭桿的變形轉換為電位計電阻值的變化，通過測量電位計輸出電壓的變化而實現(xiàn)轉矩測量[8]。它的主要特點是成本低廉，但是由于是采用接觸式，工作時產生的摩擦磨損，進而影響測量精度，縮短了壽命，維護不方便，不利于集成化，將逐漸淘汰，被非接觸式轉矩傳感器所替代。

3.1.2光式

光式轉矩傳感器的輸入/輸出軸由扭桿連接，將兩光碼盤分別固定在輸入軸和輸出軸，每個光碼盤有兩圈一定個數(shù)的孔，其中一個光碼盤的孔同相分布，另一個反相位分布，發(fā)光管和光敏二極管固定在光碼盤兩側。有扭矩作用時，扭桿的扭轉變形引起光碼盤的錯動，使得光碼盤內外孔的重疊面積發(fā)生變化，照射到光敏二極管的光發(fā)生變化，輸出相應的電壓信號。光電式轉矩傳感器測量精度較高、響應速度快、不受電磁干擾、屬于非接觸測量、性能可靠、受溫度影響小。但是對光碼盤上孔的加工精度和位置精度要求很高，且光源壽命有限，受環(huán)境影響較大，安裝密封性要求較高，價格比較貴。

3.1.3電感式

電感式轉矩傳感器的輸入/輸出軸通過扭桿連接，輸入軸上分布有由非磁性材料制成帶兩排孔的鍵槽，輸出軸上分布有由磁性材料制成的花鍵，花鍵與鍵槽外面與線軸套和線圈對應。有扭矩作用時，扭桿產生扭轉變形，扭桿變形與傳遞扭矩大小呈一線性關系。扭桿變形，使得鍵槽和花鍵產生相對位移，導致鍵槽帶孔位置的磁感強度發(fā)生變化，通過磁通量探測線圈將電感變化轉換為電壓信號，據(jù)此檢測扭矩的大小和方向。電感式轉矩傳感器屬于非接觸式，不易受到磨損、可靠性高、壽命長、有更小的延時、精度適中。但是此種傳感器存在磁性元件，受溫度影響較大，增加溫度補償線圈后，傳感器體積較大，不利于集成化。

3.1.4電磁式

電磁式轉矩傳感器由定子和轉子兩部分組成，定子是印刷電路板，其上分布有激勵線圈、接收線圈和相應的信號處理電路。轉子由上下對稱的雙層轉子片組成，每層轉子片均有特定個數(shù)的轉子環(huán)均勻分布在圓周上。當激勵線圈通入高頻交流電時，激勵線圈包圍區(qū)域產生均衡的交變磁場，轉子處于交變磁場中，由于渦流的作用，造成磁場分布不勻衡，這種不均衡導致接收線圈端輸出電壓發(fā)生相應變化，因此，方向盤扭矩轉換為相應的電壓變化。信號處理單元接收接收線圈的電壓信號，進行相應處理實現(xiàn)扭矩的測量。電磁式傳感器屬于非接觸式、結構簡單，利于集成化，不需要額外的磁性材料，無需設定溫度補償、對傳感器定子接收線圈進行相應的處理，可以實現(xiàn)扭矩和方向盤轉角的復合測量，是轉矩傳感器未來發(fā)展方向之一。

3.1.5磁阻式

磁阻式轉矩傳感器是根據(jù)磁阻效應或巨磁阻效應制成的傳感器。其輸入軸和輸出軸通過扭桿連接，輸入軸裝有鐵磁材料制成的齒輪信號盤A，輸出軸上裝有鐵磁材料制成的齒輪信號盤B、C，信號盤分別對應安裝著MR傳感器A、B、C，因為空氣與信號盤磁導率不同，扭桿發(fā)生扭轉，信號盤A、B發(fā)生錯動，通過齒輪信號盤的齒頂和齒根對磁場的影響，使得MR傳感器A，B的阻值大小改變，轉換為相應的電壓變化，實現(xiàn)扭矩的測量。同理，根據(jù)信號盤B，C可以測量方向盤轉角[4]。

此類轉矩傳感器測量精度較高、有效性好、便于集成化。其靈敏度、頻率特性、精度、線性度等均滿足電動助力轉向的性能要求，代表了電動助力轉向轉矩傳感器的發(fā)展方向。

3.2轉矩傳感器按測量方式的分類

3.2.1接觸式轉矩傳感器

接觸式轉矩傳感器的線性度和靈敏度之間存在矛盾，不利于提高準確性和靈敏性，且存在接觸磨損的問題。這類傳感器共有的一大缺陷就是接觸磨損，這是使用中最為棘手的問題，使用壽命短，要想保證良好的特性就要多次更換，這樣帶來了資源浪費和成本問題，即使采用好的材料來減小磨損，也會帶來成本問題，接觸磨損不會消除。所以接觸式轉矩傳感器會逐3.2.2非接觸式轉矩傳感器

電動轉向系統(tǒng)轉矩傳感器的非接觸工作方式，使其壽命長，可靠性高，不易受磨損，同時受軸向偏移影響小，所以非接觸式早已成為研究和應用熱點。國外將其分為兩大類，光電式和電磁感應式。電磁感應式的轉矩傳感器就是上面介紹的電感式、電磁式和磁阻式三大類，他們具有精度適中、耐污染、抗干擾、穩(wěn)定性高、結構簡單等諸多優(yōu)點，在轉向傳感器方向得到廣泛的應用。

4.轉矩傳感器發(fā)展方向

隨著對電動轉向成本、空間、結構簡單等要求的提高，傳統(tǒng)的轉角、扭矩單一傳感器已不能滿足要求。電動助力轉向傳感器開始從提供單一扭矩信號向提供復合扭矩轉角信號方向發(fā)展。

轉矩傳感器是測量技術、信息處理技術、計算機技術、材料科學和微電子學等綜合密集型技術，轉矩傳感器將向具有自診斷功能、自校準功能、自補償功能、自修正功能、自適應、自尋故障等更高級的智能化發(fā)展。

總之，電動轉向系統(tǒng)轉矩傳感器整體上都會朝著小型化，實用溫度范圍更廣化，向大型車、重型車方向發(fā)展。

5.結束語

本文從工作原理、研究發(fā)展現(xiàn)狀及應用情況等幾方面對國內外主導的幾類轉矩傳感器進行了論述，比較了各轉矩傳感器的優(yōu)缺點。隨著汽車電動轉向裝配率的提高，對滿足結構簡單、工作可靠、精度適中、價格便宜的電動助力轉向專用轉矩傳感器的研究成為必然。（作者單位：西華大學機械工程學院）

參考文獻：

[1]于振州.77種汽車最新電器構造、原理與維修[M].電子工業(yè)出版社，2000.

[2]林逸，施國標.汽車電動助力轉向技術的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢[J].公路交通科技，2001，18（3）：79-81.

[3]周廷明，劉志輝，劉夢奇.電動助力轉向系統(tǒng)及其關鍵技術[J].機床與液壓，2012，40（7）：177-179.

[4]王巖，儲江偉.扭矩測量方法現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].林業(yè)機械與木工設備，2010，38（11）：15-18.