数字式扭矩传感器技术性能及应用

摘 要：本文介绍了数字式扭矩传感器原理结构，该方式利用两组环形变压器非接触地传递能源及信号，克服了集流环及无线电遥测的一系列问题 ,本传感器体积小便于安装，精度高、抗干扰性强.已取得五项国家专利.

关键词：传感器，扭矩，环形变压器
Compress: This article introduces theory and frame of digital moment of force sensor. This mode untouched passes energy sources and signal with two group of annular transformer .It conquers a series of problems about circle current and wireless remote sensing. This sensor’s volume is small and easy to install. Its performance against disturbance is better and precision is higher. It has already achieved five-item national patent and CMC production license and achieved national emphases new product certificate, which was promulgated by national five ministries and office in 1998.

一 前言
　在旋转动力系统中最频繁涉及到的参数:旋转扭矩,为了检测旋转扭矩传统使用较多的是扭转角相位差式传感器，该方法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。该方法的优点：实现了转矩信号的非接触传递，检测信号为数字信号；缺点：体积较大，不易安装，低转速时由于脉冲波的前后沿较缓不易比较，因此低速性能不理想。（见图一）

图一 扭转角相位差式扭矩传感器示意图

　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。 (见图二)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。

图二 基本的扭矩传感器

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。及由于接触不可靠引起信号波动，因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。

图三导电滑环式扭矩传感器

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。 (见图四)遥测扭矩仪成功之处在于克服了电滑环的两项缺陷，但也存在着三个不足之处，其一：易受使用现场电磁波的干扰；其二：由于是电池供电，所以只能短期使用。其三：由于在旋转轴上附加了结构，易引起高转速时的动平衡问题。在小量程及小直径轴时更突出。数字式扭矩传感器吸取了上述各种方法的优点并克服了其缺陷,在应变传感器的基础上设计了两组旋转变压器,实现了能源及信号的非接触传递。并做到了扭矩信号的传递与是否旋转无关，与转速大小无关，与旋转方向无关。

图四 无线电遥测扭矩传感器

二 特点
　

1. 既可以测量静止扭矩，也可以测量旋转转矩;
2..既可以测量静态扭矩，也可以测量动态扭矩；
3. 检测精度高，稳定性好；抗干扰性强;
4. 体积小，重量轻，多种安装结构，易于安装使用；
5. 不需反复调零即可连续测量正反转扭矩;
6.没有导电环等磨损件，可以高转速长时间运行；
7．传感器输出高电平频率信号可直接送计算机处理；
8．测量弹性体强度大可承受100%的过载。
三 测量原理
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 ,向应变桥提供电源即可测得该弹性轴受扭的电信号。将该应变信号放大后，经过压/频转换，变成与扭应变成正比的频率信号。本系统的能源输入及信号输出是由两组带间隙的特殊环型变压器承担的,因此实现了无接触的能源及信号传递功能。(虚线内为旋转部分)

四 传感器原理结构 （见图五）
在一段特制的弹性轴上粘贴上专用的测扭应片并组成变桥，即为基础扭矩传感器；在轴上固定着： (1)能源环形变压器的次级线圈，(2)信号环形变压器初级线圈，(3)轴上印刷电路板，电路板上包含整流稳定电源、仪表放大电路、V/F变换电路及信号输出电路。在传感器的外壳上固定着

图五 数字式扭矩传感器测量原理图

(1)激磁电路，(2)能源环形变压器的初级线圈(输入)，(3) 信号环形变压器次级线圈(输出)，(4)信号处理电路

五 工作过程
向传感器提供 ± 15V电源，激磁电路中的晶体振荡器产生４００Hz的方波，经过TDA2030功率放大器即产生交流激磁功率电源，通过能源环形变压器T1从静止的初级线圈传递至旋转的次级线圈，得到的交流电源通过轴上的整流滤波电路得到 ± ５ V的直流电源，该电源做运算放大器AD822的工作电源；由基准电源AD589与双运放AD822组成的高精度稳压电源产生 ± 4.5V的精密直流电源，该电源既作为电桥电源，又作为放大器及V/F转换器的工作电源。当弹性轴受扭时，应变桥检测得到的mV级的应变信号通过仪表放大器AD620放大成1.5v ± 1v的强信号，再通过V/F转换器LM131变换成频率信号，通过信号环形变压器T2从旋转的初级线圈传递至静止次级线圈，再经过传感器外壳上的信号处理电路滤波、整形即可得到与弹性轴承受的扭矩成正比的频率信号，该信号为TTL电平,既可提供给专用二次仪表或频率计显示也可直接送计算机处理。由于该旋转变压器动--静环之间只有零点几毫米的间隙，加之传感器轴上部分都密封在金属外壳之内，形成有效的屏蔽，因此具有很强的抗干扰能力。
本传感器输出的频率信号在零点时为 10kHz.正向旋转满量程时为15KHz.反向旋转满量程时为5KHz。即满量程变量为5000个数/每秒。转速测量采用光电齿轮或者磁电齿轮的测量方法，轴每旋转一周可产生60个脉冲，高速或中速采样时可以用测频的方法，低速采样时可以用测周期的方法。本传感器精度可达 ± 0.2%～ ± 0.5%（F · S）。由于传感器输出为频率信号，所以无需AD转换即可直接送至计算机进行数据处理。

六 应用范围
　1. 检测发电机，电动机 ，内燃机等旋转动力设备输出扭矩及功率。
　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及输入功率。
　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及效率；
　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。
七 安装使用
　1.使用两组联轴器，将传感器安装在动力源和负载之间。

图六

2.建议用挠性、弹性或万向节联轴器，以保证同心度 ∠ 0.1mm以下。
　3.动力及负载设备必须固定可靠避免振动。
　4.将本传感器的基座与设备的基座固定可靠，中心高须垫合适避免产生弯矩 。
八 多种安装方式
本传感器经过五年的批量试产，广泛受到用户的好评。本传感器属贯通形安装方法，一般需要通过联轴器安装，为了便于在特殊要求的条件下使用，本传感器还有七种变形结构：
　1.如果要求传动系统的轴向不因安装了传感器而加长，则可使用智能联轴器--既可以检测扭矩，又可以承担联轴器的功能。也就是一种带检测功能的联轴器。
　2.被测传动系统不允许加长但可以拆卸时，则可以使用套装式扭矩传感器--套在被测轴上即可测试。
　3.被测传动系统既不允许加长又不可以拆卸时，则可以使用在现场组装的卡装式扭矩传感器。从轴的两侧卡在轴上即可进行测试。即可长期监测也可短期检测。与电流钳形表相似。
　4．有的测试系统既有扭力又有轴向力时则可以使用转矩转速轴向力三参数传感器；既可以避免轴向力对扭力测试的干扰又可以测量轴向力的信号；
　5．在高转速或超高转速下测试时可以使用无轴承式转矩转速传感器；
　6．如果被测系统为不旋转状态时可以使用扭矩传感变送器；
　7．如果被测系统最大值在5mN · m至1N · m时可以使用小量程转矩转速传感器
这几种传感器的结构及使用方法将陆续介绍。

九 智能转矩转速测量仪
为了更方便的使用本系列扭矩传感器特配合设计了智能转矩转速测量仪与计算机虚拟仪器，该两种仪器可以直接显示出正在测量的转矩，转速，功率值的数值及曲线，也可以设定转矩的限定值，超值报警，还可以保存本次测量的转矩峰值及曲线，并且可以打印出上述各参数及曲线图。