摘要：簡(jiǎn)述了幾種常見的電阻應(yīng)變式旋轉(zhuǎn)扭矩傳感器，對(duì)包括接觸式、非接觸式，可斷軸、不可斷軸，高 轉(zhuǎn)速、低轉(zhuǎn)速等各種測(cè)量狀態(tài)下應(yīng)采取哪種旋轉(zhuǎn)扭矩傳感器進(jìn)行測(cè)量及各種旋轉(zhuǎn)扭矩傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)都進(jìn)行了詳 細(xì)的分析。

　　關(guān)鍵詞：旋轉(zhuǎn)扭矩；信號(hào)傳輸；無線傳輸；電磁感應(yīng)；卡環(huán)式

　　旋轉(zhuǎn)扭矩傳感器是測(cè)量各種電動(dòng)機(jī)、內(nèi)燃機(jī)以及 旋轉(zhuǎn)動(dòng)力設(shè)備的輸出扭矩及功率的必備設(shè)備，從上世 紀(jì)三、四十年代發(fā)展至今已有數(shù)十種產(chǎn)品，從最初的 光學(xué)機(jī)械變形類發(fā)展到電磁感應(yīng)類、相位差類，到應(yīng) 用最廣泛的應(yīng)變測(cè)量類。低功耗微電子技術(shù)的發(fā)展， 又為各類旋轉(zhuǎn)扭矩傳感器賦予了新的生命，其性能也 越來越好，可測(cè)的轉(zhuǎn)速與精度也越來越高。本文主要 介紹了幾種常見的電阻應(yīng)變式旋轉(zhuǎn)扭矩傳感器。

　　1　接觸式旋轉(zhuǎn)扭矩傳感器

　　接觸式旋轉(zhuǎn)扭矩傳感器的原理為傳動(dòng)軸由于受 扭產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)變，引起貼在軸上的應(yīng)變計(jì)變形使其電 阻值發(fā)生改變，從而導(dǎo)致應(yīng)變電橋失衡，輸出與扭矩 成正比的微弱電壓信號(hào)，然后即可根據(jù)材料力學(xué)中應(yīng) 變和扭矩的關(guān)系得到相應(yīng)扭矩大小，這里信號(hào)的傳輸 采用接觸式的導(dǎo)電滑環(huán)和刷臂，圖1為接觸式旋轉(zhuǎn)扭矩傳感器測(cè)量的原理圖。旋轉(zhuǎn)軸上的應(yīng)變橋把電壓信 號(hào)傳遞給和旋轉(zhuǎn)軸一起旋轉(zhuǎn)的導(dǎo)電滑環(huán)，導(dǎo)電滑環(huán)再 把信號(hào)傳遞給和其接觸的固定在傳感器外殼上的導(dǎo)電 刷臂，從而完成信號(hào)由旋轉(zhuǎn)到靜止的可靠傳遞。

　　一般情況下，刷臂分為兩種，一種為刷絲式，一 種為刷片式。刷絲式的刷臂和滑環(huán)的接觸面小，摩擦 小，但信號(hào)傳遞可靠性相對(duì)較低，不適合高速旋轉(zhuǎn)下 測(cè)量，一般轉(zhuǎn)速在500 r/min情況下，可采用這種測(cè)量 方式；刷片式的刷臂和滑環(huán)的接觸面大，摩擦大，信 號(hào)傳遞可靠性相對(duì)較高，一般轉(zhuǎn)速在500~3000 r/min 的情況下，可采用這種測(cè)量方式。

　　接觸式旋轉(zhuǎn)扭矩傳感器的特點(diǎn)是：適合測(cè)量靜止 扭矩，也可以測(cè)量低速轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩；體積小，重量輕, 易于安裝；無需復(fù)雜電路；存在導(dǎo)電滑環(huán)的磨損，壽命有限，不適合高轉(zhuǎn)速場(chǎng)合。

　　2　非接觸式旋轉(zhuǎn)扭矩傳感器

　　非接觸式旋轉(zhuǎn)扭矩傳感器中能量的傳遞都是通過 非接觸耦合的電磁感應(yīng)來供電的，傳遞電壓為9V 左右。

　　電感集流環(huán)是應(yīng)用初級(jí)線圈與次級(jí)線圈之間的電 磁感應(yīng)現(xiàn)象來進(jìn)行非接觸能源傳遞的，解決了在旋轉(zhuǎn) 運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，對(duì)旋轉(zhuǎn)扭矩傳感器進(jìn)行持續(xù)、非接觸供 能的問題。電感集流環(huán)的初級(jí)線圈是繞在一個(gè)靜止的 尼龍骨架上，外面包有電磁純鐵，卡在傳感器的外殼 上；次級(jí)線圈是繞在一個(gè)圓環(huán)形電磁純鐵上，圓環(huán)形 電磁純鐵固定在彈性軸上，與軸一起旋轉(zhuǎn)。靜止的和 旋轉(zhuǎn)的線圈同軸布置，互相不接觸，有一個(gè)很小的空 氣間隙。為了提高兩個(gè)線圈之間的耦合系數(shù)，這個(gè)間 隙應(yīng)該盡可能做得小，通常約為0.15 mm。加在初級(jí)線圈上的高頻電壓（一般為10 ~60Hz)，通過電磁 感應(yīng)在旋轉(zhuǎn)的次級(jí)線圈上感應(yīng)出電壓，經(jīng)穩(wěn)壓、整流 后為應(yīng)變電橋、信號(hào)處理電路及發(fā)射機(jī)提供能量。感 應(yīng)供電的優(yōu)點(diǎn)是適合長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量，尤其適合實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

　　非接觸式旋轉(zhuǎn)扭矩傳感器根據(jù)信號(hào)的傳輸方式又 分為數(shù)字信號(hào)無線傳輸型旋轉(zhuǎn)扭矩傳感器和頻率信號(hào)傳輸型旋轉(zhuǎn)扭矩傳感器。

　　2.1　數(shù)字信號(hào)無線傳輸型旋轉(zhuǎn)扭矩傳感器

　　數(shù)字信號(hào)無線傳輸型旋轉(zhuǎn)扭矩傳感器把無線傳輸技術(shù)應(yīng)用到旋轉(zhuǎn)扭矩傳感器，實(shí)現(xiàn)了純數(shù)字式的無線 傳輸，測(cè)試系統(tǒng)包括電源信號(hào)、應(yīng)變電橋、單片機(jī)、 數(shù)據(jù)無線發(fā)射與接收模塊、轉(zhuǎn)換電路與終端顯示與存 儲(chǔ)設(shè)備。其原理框圖如圖2所示。

　　圖2無線傳輸型旋轉(zhuǎn)扭矩傳感器原理框圖

　　將測(cè)扭電阻應(yīng)變片粘貼在被測(cè)彈性軸上并組成應(yīng) 變電橋，電感集流環(huán)的感應(yīng)電壓經(jīng)過整流、濾波、穩(wěn) 壓后向應(yīng)變電橋提供電源，當(dāng)彈性軸受扭時(shí)，彈性軸 產(chǎn)生變形，電阻應(yīng)變片的阻值隨之發(fā)生變化，使電橋 輸出不平衡，由變換電路輸出mV級(jí)的電壓信號(hào)，模 擬信號(hào)直接接人ADC824的模擬輸人端，A/D轉(zhuǎn)換器將應(yīng)變信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，單片機(jī)進(jìn)行編程處理后按 照一定的格式傳送給無線發(fā)送模塊，信號(hào)通過無線數(shù) 傳模組來實(shí)現(xiàn)純數(shù)字量的無線收發(fā)，無線接收模塊將 信號(hào)接收后，再通過RS232串行通訊口傳送給上位機(jī)， 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

　　2.2　頻率信號(hào)無線傳輸型旋轉(zhuǎn)扭矩傳感器

　　頻率信號(hào)無線傳輸型旋轉(zhuǎn)扭矩傳感器與數(shù)字信號(hào)無線傳輸型旋轉(zhuǎn)扭矩傳感器電源的供電方式相同，都 采用無接觸耦合的電磁感應(yīng)供電方式，主要區(qū)別是此 類傳感器傳遞的并非純數(shù)字信號(hào)，而是通過非接觸的電磁感應(yīng)來傳遞頻率信號(hào)，同樣較好地解決了旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下扭矩?cái)?shù)值（轉(zhuǎn)矩）的測(cè)量。其結(jié)構(gòu)原理框圖 如圖3所示。

　　圖3頻率信號(hào)無線傳輸型旋轉(zhuǎn)扭矩傳感器

　　電源經(jīng)過處理后經(jīng)耦合將能源供給應(yīng)變橋，應(yīng)變 電橋?qū)��?yīng)變軸的微小變形轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)過放大器 的放大送到V/F變換器，把電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成可以耦合 的頻率信號(hào)，經(jīng)輸出信號(hào)耦合器輸出，通過信號(hào)輸出 電路整形后輸出調(diào)頻方波信號(hào)，然后測(cè)出方波頻率量， 就可以得到相應(yīng)的扭矩值。

　　非接觸式旋轉(zhuǎn)扭矩傳感器的特點(diǎn)：無接觸，無磨損，使用壽命長(zhǎng)，轉(zhuǎn)換精度高，A/D轉(zhuǎn)換內(nèi)碼可達(dá)10萬以上；由于采用微電子技術(shù)，測(cè)量可靠性大大提高; 可在高轉(zhuǎn)速下測(cè)量，數(shù)字信號(hào)無線傳輸型可在5000 1/ min轉(zhuǎn)速下測(cè)量扭矩（取決于無線收發(fā)模塊傳遞的可 靠性）；頻率信號(hào)數(shù)據(jù)傳輸型可在8000 r/miii轉(zhuǎn)速下測(cè) 量；由于內(nèi)藏CPU電路，可以實(shí)現(xiàn)各種補(bǔ)償，使其精 度大大提高；數(shù)字信號(hào)無線傳輸型旋轉(zhuǎn)扭矩傳感器由 于實(shí)現(xiàn)了數(shù)字的無線發(fā)射與接收，因此它可以直接與 帶有232或485的數(shù)字儀表或計(jì)算機(jī)相聯(lián)，可以實(shí)現(xiàn) 聯(lián)網(wǎng)測(cè)量與控制，是一種智能型數(shù)字旋轉(zhuǎn)扭矩傳感器。

　　以上幾種旋轉(zhuǎn)扭矩傳感器屬于介入式，即需要斷開軸系或更改軸系的布置，傳感器必須作為_傳動(dòng)軸的一部分介人傳動(dòng)系統(tǒng)才能使用，這樣限制了它的應(yīng)用 范圍，一般僅限于實(shí)驗(yàn)室、試驗(yàn)臺(tái)架等的測(cè)量，不適 用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。卡環(huán)式旋轉(zhuǎn)扭矩傳感器為非介入 式扭矩傳感器，只要將傳感器卡在軸上或安裝在軸邊， 無須斷開軸系，這樣給實(shí)際工況測(cè)量扭矩參數(shù)帶來很大的方便。

　　非介入式扭矩傳感器是解決不斷軸扭矩測(cè)量的有 效途徑，它是在一段有效長(zhǎng)軸（通常大于80 mm)的 工作軸上卡上兩道卡環(huán)，卡環(huán)采用兩個(gè)半圓的卡盤結(jié) 構(gòu)，通過螺栓的預(yù)緊力將兩個(gè)半圓緊緊固定在工作軸 上，在兩道卡環(huán)間安裝一小量程的應(yīng)變傳感器。由于 被測(cè)軸受扭后，兩卡環(huán)之間產(chǎn)生微小扭轉(zhuǎn)角，此時(shí)安 裝在卡環(huán)上的應(yīng)變傳感器也產(chǎn)生變形，傳感器上應(yīng)變 片產(chǎn)生應(yīng)變信號(hào)，該信號(hào)與扭矩成正比，通過實(shí)際的 標(biāo)定或理論計(jì)算可以測(cè)定出轉(zhuǎn)軸上的扭矩值。

　　目前對(duì)于非介人式旋轉(zhuǎn)扭矩的測(cè)量，常用的有有 線傳輸和無線傳輸兩種方式。其中比較傳統(tǒng)的有線傳 輸方式多采用滑環(huán)和刷絲引電裝置。

　　3.1有線傳輸型卡環(huán)式旋轉(zhuǎn)扭矩傳感器

　　對(duì)于非介人式測(cè)量，如果信號(hào)的傳輸采用有線傳 輸型則采用刷絲和滑環(huán)結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的刷絲和滑環(huán)結(jié)構(gòu) 需要進(jìn)行改進(jìn)和調(diào)整，滑環(huán)結(jié)構(gòu)一般采用兩個(gè)半圓對(duì) 拼的結(jié)構(gòu)，使用螺栓擰緊的方式將滑環(huán)固定在工作軸 上，這樣可以方便的安裝滑環(huán)。由于滑環(huán)采用對(duì)接結(jié) 構(gòu)，在接縫處不免存在接觸不良的現(xiàn)象，影響測(cè)量精 度。采用如圖4所示的接縫結(jié)構(gòu)，只要使得刷絲頭的 寬度大于滑環(huán)寬度的一半，即可保證在接縫處不會(huì)出 現(xiàn)接觸不良。傳感器結(jié)構(gòu)原理圖如圖4。

　　3.2無線傳輸型卡環(huán)式旋轉(zhuǎn)扭矩傳感器

　　由于有線傳輸大多采用滑環(huán)和電刷等引電裝置，存在接觸部位的摩擦阻力和接觸零件的磨損、發(fā)熱等 問題，使得其信號(hào)傳輸不穩(wěn)定，工作壽命短，不適合 高速旋轉(zhuǎn)或振動(dòng)較大的軸。另外，一些特殊場(chǎng)合，由 于受測(cè)量環(huán)境約束，往往不適合使用有線傳輸方式。
無線傳輸利用無線電波、電磁波或光波來傳輸信 號(hào)，較好地解決了有線傳輸方式存在的一系列問題。 無線傳輸方式就是要將應(yīng)變電橋輸出的微弱電壓信號(hào) 經(jīng)過前置處理后，通過無線的方式傳送到地面上靜止 的分析儀器或設(shè)備。

　　無線傳輸型傳感器中應(yīng)變橋的供電由固定在軸上 的鋰電池提供，由于采用低功耗電路設(shè)計(jì)，普通鋰電 池充電一次，可實(shí)現(xiàn)20 h以上的連續(xù)測(cè)量。信號(hào)的傳 輸由無線數(shù)據(jù)發(fā)射模塊與無線數(shù)據(jù)接收模塊來傳輸， 其結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示，其原理框圖見圖5。

　　卡環(huán)式旋轉(zhuǎn)扭矩傳感器的特點(diǎn)：無需斷開軸系， 適宜工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量；適合大扭矩、大振動(dòng)、小間距的 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量；可用于測(cè)量中低轉(zhuǎn)速的旋轉(zhuǎn)扭矩。

　　4　結(jié)束語

　　旋轉(zhuǎn)扭矩的計(jì)量及測(cè)試一直以來就是困擾計(jì)量工作者們的一個(gè)難題，隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，旋轉(zhuǎn)扭矩傳感器在結(jié)構(gòu)上、測(cè)量方式上以及可靠性、長(zhǎng)期穩(wěn)定 性和環(huán)境適應(yīng)性上都有了長(zhǎng)足的發(fā)展，本文介紹的當(dāng) 前常見的的電阻應(yīng)變式旋轉(zhuǎn)扭矩傳感器的原理和結(jié)構(gòu)， 希望能為相關(guān)從業(yè)者提供參考。（作者：柴繼新，王恩鋒，范小燕，孫穎，徐艦）

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