扭矩角度傳感器：扭矩傳感器

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扭矩傳感器
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本詞條由“科普中國”科學(xué)百科詞條編寫與應(yīng)用工作項(xiàng)目
審核
。
扭矩傳感器，又稱力矩傳感器、扭力傳感器、轉(zhuǎn)矩傳感器、扭矩儀，分為動(dòng)態(tài)和靜態(tài)兩大類，其中動(dòng)態(tài)扭矩傳感器又可叫做轉(zhuǎn)矩傳感器、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、非接觸扭矩傳感器、旋轉(zhuǎn)扭矩傳感器等。 扭矩傳感器是對(duì)各種旋轉(zhuǎn)或非旋轉(zhuǎn)機(jī)械部件上對(duì)扭轉(zhuǎn)力矩感知的檢測(cè)。扭矩傳感器將扭力的物理變化轉(zhuǎn)換成精確的電信號(hào)。扭矩傳感器可以應(yīng)用在制造粘度計(jì)，電動(dòng)（氣動(dòng)，液力）扭力扳手，它具有精度高，頻響快，可靠性好，壽命長等優(yōu)點(diǎn)。
中文名
扭矩傳感器
外文名
torque transducer
別    名
力矩傳感器、扭力傳感器
分    類
動(dòng)態(tài)和靜態(tài)
優(yōu)    點(diǎn)
精度高，頻響快，可靠性好
作    用
測(cè)量扭轉(zhuǎn)力矩
目錄
1
基本介紹
2
發(fā)展歷程
3
類別
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非接觸式扭矩傳感器
?
應(yīng)變片扭矩傳感器
?
高性能無線型
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電子式
4
應(yīng)用范圍
5
測(cè)量原理
6
信號(hào)傳輸
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信號(hào)輸出
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扭矩信號(hào)處理形式
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信號(hào)采集
7
安裝使用
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使用環(huán)境
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安裝方式
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注意事項(xiàng)
8
利與弊
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發(fā)展趨勢(shì)
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不足之處
扭矩傳感器基本介紹
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語音
通常所說的轉(zhuǎn)矩是外力矩，如機(jī)床主軸旋轉(zhuǎn)是動(dòng)力源提供的外力矩作用的結(jié)果，而扭矩是內(nèi)力矩，主軸工作時(shí)，刀具切削力對(duì)主軸的反作用使之產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)彈性變形，可用其衡量扭矩的大小
[1]
。扭矩是使物體發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)效應(yīng)或扭轉(zhuǎn)變形的力矩，等于力和力臂的乘積。扭矩是在旋轉(zhuǎn)動(dòng)力系統(tǒng)中最頻繁涉及到的參數(shù)，為了檢測(cè)旋轉(zhuǎn)扭矩，使用較多的是扭轉(zhuǎn)角相位差式傳感器。該傳感器是在彈性軸的兩端安裝著兩組齒數(shù)、形狀及安裝角度完全相同的齒輪，在齒輪的外側(cè)各安裝著一只接近(磁或光)傳感器。當(dāng)彈性軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，這兩組傳感器就可以測(cè)量出兩組脈沖波，比較這兩組脈沖波的前后沿的相位差就可以計(jì)算出彈性軸所承受的扭矩量。該方法的優(yōu)點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩信號(hào)的非接觸傳遞，檢測(cè)信號(hào)為數(shù)字信號(hào)；缺點(diǎn)：體積較大，不易安裝，低轉(zhuǎn)速時(shí)由于脈沖波的前后沿較緩不易比較，因此低速性能不理想。扭矩測(cè)試比較成熟的檢測(cè)手段為應(yīng)變電測(cè)技術(shù)，它具有精度高、頻響快、可靠性好、壽命長等優(yōu)點(diǎn)。 將專用的測(cè)扭應(yīng)變片用應(yīng)變膠粘貼在被測(cè)彈性軸上，并組成應(yīng)變橋，若向應(yīng)變橋提供工作電源即可測(cè)試該彈性軸受扭的電信號(hào)。這就是基本的扭矩傳感器模式。但是在旋轉(zhuǎn)動(dòng)力傳遞系統(tǒng)中，最棘手的問題是旋轉(zhuǎn)體上的應(yīng)變橋的橋壓輸入及檢測(cè)到的應(yīng)變信號(hào)輸出如何可靠地在旋轉(zhuǎn)部分與靜止部分之間傳遞，通常的做法是用導(dǎo)電滑環(huán)來完成。 由于導(dǎo)電滑環(huán)屬于磨擦接觸，因此不可避免地存在著磨損并發(fā)熱，因而限制了旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速及導(dǎo)電滑環(huán)的使用壽命。并且由于接觸不可靠引起信號(hào)波動(dòng)，從而造成測(cè)量誤差大甚至測(cè)量不成功。為了克服導(dǎo)電滑環(huán)的缺陷，另一個(gè)辦法就是采用無線電遙測(cè)的方法 ：將扭矩應(yīng)變信號(hào)在旋轉(zhuǎn)軸上放大并進(jìn)行V/F轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)，通過載波調(diào)制用無線電發(fā)射的方法從旋轉(zhuǎn)軸上發(fā)射至軸外，再用無線電接收的方法，就可以得到旋轉(zhuǎn)軸受扭的信號(hào)。 旋轉(zhuǎn)軸上的能源供應(yīng)是固定在旋轉(zhuǎn)軸上的電池。該方法即為遙測(cè)扭矩儀。
扭矩傳感器發(fā)展歷程
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語音
扭矩傳感器的發(fā)展歷程大致為：光學(xué)機(jī)械變形類型、電磁感應(yīng)類型、相位差類型、應(yīng)變類型。1856 年湯姆遜發(fā)現(xiàn)了在機(jī)械應(yīng)變作用下，金屬絲電阻會(huì)發(fā)生變化的現(xiàn)象，這奠定了電阻應(yīng)變片的研制基礎(chǔ)。1938 年魯奇與西蒙斯制造了紙基式電阻應(yīng)變片。此后，電阻應(yīng)變片得到了快速地發(fā)展，在工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，電阻應(yīng)變片也是用于扭矩測(cè)量的一種較佳選擇。應(yīng)變型扭矩傳感器可利用被測(cè)物理量在彈性元件上產(chǎn)生彈性變形，因而彈性變形可通過應(yīng)變片轉(zhuǎn)換成電阻的變化，從而測(cè)出扭矩值。在轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)下可靠地自供電技術(shù)和信號(hào)傳輸技術(shù)是此類扭矩傳感器仍需研究的主要問題。1982 年日本福岡九州大學(xué) Sasada 等研究人員研制出了新型磁頭扭矩傳感器，利用等離子法在轉(zhuǎn)軸表面噴覆了一段磁致伸縮層，可以使整個(gè)測(cè)試裝置做的緊湊。1984 年，Sasada 等人提出了改進(jìn)方案，為了獲得較寬的動(dòng)態(tài)范圍和較好的線性度，采用了具有特定形狀的磁場(chǎng)各向異性的三角形或平行四邊形磁片。1986 年 Sasada等人研究了應(yīng)用非晶薄帶的磁致伸縮逆效應(yīng)來檢測(cè)扭矩，具體的方式是在一段圓軸表面上粘貼非晶薄帶，其粘貼方向與圓軸線成 45度角，最后基于此方法成功的研制了螺線管式扭矩傳感器。1992 年王榮等人為改善“角度依存性”問題，采用在轉(zhuǎn)軸的表面粘貼一層特制的軟磁合金薄帶的方法，研制了逆磁致伸縮扭矩傳感器。2011 年由淮海工學(xué)院的文西芹、李紀(jì)明等人研究了一種磁彈性效應(yīng)的新型扭矩傳感器，其氣隙擾動(dòng)小、磁滯小、可滿足電助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的使用要求。由日立公司研制的 MR 編碼器式扭矩傳感器是轉(zhuǎn)角型扭矩傳感器的典型代表，其工作原理是在被測(cè)件之間安裝一轉(zhuǎn)軸，在轉(zhuǎn)軸的兩端分別裝有一個(gè) MR 編碼器，由每個(gè)編碼器的兩相正弦輸出可以分別計(jì)算出轉(zhuǎn)軸兩端的角度，再由兩個(gè)角度交差計(jì)算出扭矩。2005 年重慶工學(xué)院遠(yuǎn)程測(cè)試與控制技術(shù)研究所開發(fā)了螺桿差動(dòng)變壓器式的扭矩傳感器，當(dāng)彈性軸受到扭力時(shí)，軸會(huì)產(chǎn)生一定的扭矩角度，再通過內(nèi)部的銜鐵作用以感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的形式輸出。2010 年由淮海工學(xué)院和江蘇海洋資源開發(fā)研究院共同研制了一種非接觸測(cè)量方式的磁電型扭矩傳感器。2014 年趙浩、丁立軍等人基于電磁感應(yīng)原理，設(shè)計(jì)了一種新型扭矩傳感器。近年來一些新型扭矩傳感器不斷被開發(fā)和研制出來，包括光纖式扭矩傳感器、無線聲表面波式扭矩傳感器、磁敏式扭矩傳感器、激光多普勒式扭矩傳感器、激光衍射式扭矩傳感器等。如美國佛吉尼亞西蒙斯飛行器公司，為了對(duì)飛行器的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行扭矩測(cè)試，研發(fā)了一種基于光纖技術(shù)的光纖式扭矩傳感器。重慶大學(xué)光電技術(shù)及系統(tǒng)教部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究人員，提出了一種新型平板式壓電四維力/力矩傳感器，大連理工大學(xué)聯(lián)合長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，研制了一種具有分載測(cè)量功能的預(yù)緊式 Stewart 結(jié)構(gòu)六維力/力矩傳感器
[2]
。
扭矩傳感器類別
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語音
扭矩傳感器非接觸式扭矩傳感器
非接觸式扭矩傳感器輸入軸和輸出軸由扭桿連接起來，輸入軸上有花鍵，輸出軸上有鍵槽。當(dāng)扭桿受方向盤的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩作用發(fā)生扭轉(zhuǎn)時(shí)，輸入軸上的花鍵和輸出軸上鍵槽之間的相對(duì)位置就被改變了。花鍵和鍵槽的相對(duì)位移改變量等于扭轉(zhuǎn)桿的扭轉(zhuǎn)量，使得花鍵上的磁感強(qiáng)度改變，磁感強(qiáng)度的變化，通過線圈轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)。非接觸扭矩傳感器由于采用的是非接觸的工作方式，因而壽命長、可靠性高，不易受到磨損、有更小的延時(shí)、 受軸的偏轉(zhuǎn)和軸向偏移的影響更小，已經(jīng)廣泛用于轎車領(lǐng)域。在非接觸式扭矩傳感器中，常用的主要有應(yīng)變式、磁電式、光纖式和光電式傳感器。應(yīng)變式非接觸傳感器利用了無線傳輸技術(shù)。隨著科技的進(jìn)步和無線傳輸技術(shù)的發(fā)展，接觸式應(yīng)變片傳感器輸出信號(hào)所用的導(dǎo)電滑環(huán)和刷臂已經(jīng)能夠用無線傳輸模塊替代，從而克服了導(dǎo)電滑環(huán)和刷臂間的磨損，提高了測(cè)量精度。磁電式扭矩傳感器是利用磁電轉(zhuǎn)換的原理，分析兩路輸出的電動(dòng)勢(shì)信號(hào)的相位差，從而達(dá)到測(cè)量扭矩的目的。主要分為閉磁路式傳感器和開磁路式傳感器。光纖式扭矩傳感器主要是利用光反射原理和相位差原理，將軸上相應(yīng)的兩處位置反射的光信號(hào)讀取后并計(jì)算出相位差，由此能算出相應(yīng)的扭矩值。但是光纖式傳感器易受環(huán)境影響，安裝調(diào)試也相對(duì)較困難。光電式扭矩傳感器以光電感應(yīng)元件為核心部件。當(dāng)傳動(dòng)軸上加載扭矩時(shí)，由光源發(fā)出的光的強(qiáng)度會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化，從而使光電元件的輸出電流發(fā)生變化。通過測(cè)量該變化值即可計(jì)算出扭矩值。
[3]
扭矩傳感器應(yīng)變片扭矩傳感器
應(yīng)變片傳感器扭矩測(cè)量采用應(yīng)變電測(cè)技術(shù)。在彈性軸上粘貼應(yīng)變計(jì)組成測(cè)量電橋，當(dāng)彈性軸受扭矩產(chǎn)生微小變形后引起電橋電阻值變化，應(yīng)變電橋電阻的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的變化從而實(shí)現(xiàn)扭矩測(cè)量。傳感器就完成如下的信息轉(zhuǎn)換；傳感器由彈性軸、測(cè)量電橋、儀器用放大器、接口電路組成。
扭矩傳感器高性能無線型
高性能無線扭矩傳感器將傳感器與無線通信技術(shù)結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的無線傳輸。扭矩電信號(hào)由單片機(jī)控制的信號(hào)處理電路進(jìn)行放大、A/D轉(zhuǎn)換之后，編碼器將采集到的數(shù)字量編碼傳送給發(fā)射模塊進(jìn)行發(fā)送。接收模塊接收到數(shù)據(jù)后，解碼器將譯出的數(shù)據(jù)傳送給單片機(jī)，由LED顯示得到的扭矩?cái)?shù)據(jù)值。傳感器數(shù)據(jù)采集發(fā)射電路由扭矩傳感器、信號(hào)處理部分、單片機(jī)和無線發(fā)射電路組成。扭矩傳感器將電阻應(yīng)變片產(chǎn)生的應(yīng)變電信號(hào)傳送到信號(hào)處理電路。信號(hào)處理部分對(duì)傳感器模擬信號(hào)提取放大，并進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換。微處理器負(fù)責(zé)控制系統(tǒng)各部分器件的工作，并對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理。無線發(fā)射電路在微處理器的控制下，由編碼器將采集到的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的編碼和處理，并用發(fā)射模塊發(fā)射出。實(shí)現(xiàn)無線傳輸。
扭矩傳感器電子式
電子式扭矩儀是一種針對(duì)風(fēng)機(jī)、水泵試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)能效評(píng)測(cè)的便攜式高性能軸功率測(cè)量?jī)x器。電子式扭矩儀創(chuàng)造性的摒棄了傳統(tǒng)機(jī)電式扭矩傳感器繁瑣、復(fù)雜、在很多現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下不易實(shí)現(xiàn)的安裝過程，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)機(jī)、水泵電機(jī)效率的實(shí)時(shí)測(cè)量，監(jiān)測(cè)風(fēng)機(jī)、水泵電機(jī)在使用過程中各環(huán)節(jié)的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)研究風(fēng)機(jī)、水泵電機(jī)的使用狀態(tài)提供了實(shí)時(shí)、真實(shí)、可靠的數(shù)據(jù)；避免了因機(jī)電式扭矩傳感器安裝不當(dāng)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成的影響。電子式扭矩儀能完全取代傳統(tǒng)扭矩傳感器的軸功率測(cè)量功能，并且能獲取風(fēng)機(jī)、水泵電機(jī)的實(shí)時(shí)效率，為風(fēng)機(jī)、水泵機(jī)組節(jié)能提供了嚴(yán)謹(jǐn)、科學(xué)評(píng)測(cè)手段。
電子式扭矩儀(3張)
扭矩傳感器應(yīng)用范圍
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語音
扭矩傳感器是一種測(cè)量各種扭矩、轉(zhuǎn)速及機(jī)械功率的精密測(cè)量?jī)x器。應(yīng)用范圍十分廣泛，主要用于：1、電動(dòng)機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、內(nèi)燃機(jī)等旋轉(zhuǎn)動(dòng)力設(shè)備輸出扭矩及功率的檢測(cè)；2、風(fēng)機(jī)、水泵、齒輪箱、扭力板手的扭矩及功率的檢測(cè)；3、鐵路機(jī)車、汽車、拖拉機(jī)、飛機(jī)、船舶、礦山機(jī)械中的扭矩及功率的檢測(cè)；4、可用于污水處理系統(tǒng)中的扭矩及功率的檢測(cè)；5、可用于制造粘度計(jì)；6、可用于過程工業(yè)和流程工業(yè)中；7、可以應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室，測(cè)試部門以及生產(chǎn)監(jiān)控和質(zhì)量控制；
扭矩傳感器測(cè)量原理
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語音
扭矩的測(cè)量：采用應(yīng)變片電測(cè)技術(shù)，在彈性軸上組成應(yīng)變橋。如圖1所示：
圖1
1.信號(hào)輸出可任意選擇波形─方波或脈沖波。2.檢測(cè)精度高、穩(wěn)定性好、抗干擾性強(qiáng)。3.不需反復(fù)調(diào)零即可；連續(xù)測(cè)量正反扭矩。4.即可測(cè)量靜止扭矩，也可測(cè)量動(dòng)態(tài)扭矩。5.體積小、重傳感器可脫離二次儀表獨(dú)立使用，只要按插座針號(hào)提供 +15V，-15V（200mA）的電源，即可輸出阻抗與扭矩成正比的等方波或脈沖波頻率信號(hào)。量輕、易于安裝。6.測(cè)量范圍： 0—Nm標(biāo)準(zhǔn)可選, 非標(biāo)準(zhǔn)2萬Nm、3萬Nm、5萬Nm、8萬Nm、10萬Nm，特殊量程可定制。
扭矩傳感器信號(hào)傳輸
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語音
扭矩傳感器信號(hào)輸出
· 方波信號(hào)、脈沖信號(hào)。· 扭矩傳感器的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出是頻率信號(hào)，即5-15KHz；為了適應(yīng)客戶需求，無需外置模塊，與原始輸出電路整合設(shè)計(jì)直接輸出4-20mA、0-20mA、1-5V、0-5V模擬信號(hào)，方便客戶采。
扭矩傳感器扭矩信號(hào)處理形式
· 扭矩傳感器輸出的頻率信號(hào)送到頻率計(jì)或數(shù)字表，直接讀取與扭矩成正比的頻率信號(hào)或電壓、電流信號(hào)。· 扭矩傳感器的扭矩與頻率信號(hào)送給單片機(jī)二次儀表，直接顯示實(shí)時(shí)扭矩值、轉(zhuǎn)速及輸出功率值及 RS232通訊信號(hào)。· 直接將扭矩與轉(zhuǎn)速的頻率信號(hào)送給計(jì)算機(jī)或 PLD進(jìn)行處理。
扭矩傳感器信號(hào)采集
頻率輸出信號(hào)的信號(hào)采集頻率信號(hào)輸出時(shí)，與后續(xù)的信號(hào)采集設(shè)備的建議接口電路如圖2所示
圖2 頻率信號(hào)采集
電流或電壓輸出信號(hào)的信號(hào)采集如圖3所示。
圖3 電流電壓信號(hào)采集
扭矩傳感器安裝使用
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語音
扭矩傳感器使用環(huán)境
扭矩傳感器應(yīng)安裝在環(huán)境溫度為0℃ ～ 60℃，相對(duì)濕度小于90%，無易燃、易爆品的環(huán)境里。不宜安裝在強(qiáng)電磁干擾的環(huán)境中。
扭矩傳感器安裝方式
1、 水平安裝，如圖11所示：
圖11
2、垂直安裝，圖12所示：
圖12 垂直安裝示意圖
3、連接方式： 扭矩傳感器與動(dòng)力設(shè)備、負(fù)載設(shè)備之間的連接（1）彈性柱銷聯(lián)軸器連接如圖13所示，此種連接方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工容易，維護(hù)方便。能夠微量補(bǔ)償安裝誤差造成的軸的相對(duì)偏移，同時(shí)能起到輕微減振的作用。適用于中等載荷、起動(dòng)頻繁的高低速運(yùn)轉(zhuǎn)場(chǎng)合，工作溫度為-20-70℃。
圖13 彈性柱銷聯(lián)軸器連接
（2）剛性聯(lián)軸器連接如圖14所示，這種連接形式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，無補(bǔ)償性能，不能緩沖減振，對(duì)兩軸的安裝精度較高。用于振動(dòng)很小的工況條件。
圖14 剛性聯(lián)軸器連接
4、安裝要求：（1） 扭矩傳感器可水平安裝，也可垂直安裝。（2） 動(dòng)力設(shè)備、傳感器、負(fù)載設(shè)備應(yīng)安裝在穩(wěn)固的基礎(chǔ)上，以避免過大的震動(dòng)，否則可能發(fā)生數(shù)據(jù)不穩(wěn)，降低測(cè)量精度，甚至損壞傳感器。（3） 采用彈性柱銷聯(lián)軸器或剛性聯(lián)軸器連接。（4） 動(dòng)力設(shè)備、傳感器、負(fù)載設(shè)備軸線的同心度應(yīng)小于Φ0.05mm。
扭矩傳感器注意事項(xiàng)
1.安裝時(shí)，不能帶電操作，切莫直接敲打、碰撞傳感器。2.聯(lián)軸器的緊固螺栓應(yīng)擰緊，聯(lián)軸器的外面應(yīng)加防護(hù)罩，避免人身傷害。3.信號(hào)線輸 出不得對(duì)地 ，對(duì)電源短路,輸出電流不大于10mA· 屏蔽電纜線的屏蔽層必須與 +15V電源的公共端（電源地）連接。4.日常的計(jì)量檢定校準(zhǔn)工作中，對(duì)扭矩傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，通常采用扭矩標(biāo)準(zhǔn)機(jī)來進(jìn)行。由于扭矩傳感器的精度比較高，通常為 1 級(jí)及以上的扭矩傳感器，但在實(shí)際測(cè)量工作中，除了扭矩標(biāo)準(zhǔn)機(jī)自身的不確定度之外，影響扭矩傳感器測(cè)量結(jié)果的另外一個(gè)重要因素則是傳感器與扭矩標(biāo)準(zhǔn)機(jī)之間的連接質(zhì)量，特別是對(duì)高精度扭矩傳感器的校準(zhǔn)中在不考慮扭矩標(biāo)準(zhǔn)機(jī)自身的不確定度時(shí)，連接質(zhì)量的優(yōu)劣將直接影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度。在現(xiàn)有扭矩傳感器測(cè)量方法中，通常都是將傳感器串接入扭矩標(biāo)準(zhǔn)機(jī)中進(jìn)行校準(zhǔn)，故而在校準(zhǔn)過程中不可避免要出現(xiàn)連接質(zhì)量可靠與否的問題。在以往為了保證連接安裝的穩(wěn)定性和牢固性，通常會(huì)采用剛性連接方式來安裝，此種方式在裝卸方面為檢測(cè)人員帶來諸多不便，加上加工零部件的加工精細(xì)度和配合間隙的存在，在實(shí)際測(cè)量過程中使得測(cè)量軸系之間的同軸度發(fā)生較大的變化，將嚴(yán)重影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。雖然此種缺陷可以通過激光對(duì)中裝置減少誤差，但是受各種因素的影響以及人為安裝水平的差異，扭矩傳感器在實(shí)際受載過程中，同軸度仍然是計(jì)量過程中較大的不確定度影響因素
[4]
。
扭矩傳感器利與弊
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扭矩傳感器發(fā)展趨勢(shì)
隨著自控系統(tǒng)的不斷完善和發(fā)展，對(duì)扭矩傳感器的精度、可靠性和響應(yīng)速度提出了更高的要求。扭矩傳感器正呈現(xiàn)以下的發(fā)展趨勢(shì)：1、測(cè)試系統(tǒng)向微型化數(shù)字化、智能化、虛擬化和網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展；2、從單功能向多功能發(fā)展，包括自補(bǔ)償、自修正、自適應(yīng)、自診斷、遠(yuǎn)程設(shè)定、狀態(tài)組合、信息存儲(chǔ)和記憶；3、向著小型化、集成化方向發(fā)展。傳感器的檢測(cè)部分可以通過結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)和優(yōu)化來實(shí)現(xiàn)小型化，IC部分可以整合盡可能多的半導(dǎo)體部件、電阻到一個(gè)單獨(dú)的IC部件上，減少外部部件的數(shù)量；4、由靜態(tài)測(cè)試向動(dòng)態(tài)在線檢測(cè)方向發(fā)展；
扭矩傳感器不足之處
遙測(cè)扭矩儀成功之處在于克服了電滑環(huán)的兩項(xiàng)缺陷，但也存在著三個(gè)不足之處，1、易受使用現(xiàn)場(chǎng)電磁波的干擾；2、由于是電池供電，所以只能短期使用；3、由于在旋轉(zhuǎn)軸上附加了結(jié)構(gòu)，易引起高轉(zhuǎn)速時(shí)的動(dòng)平衡問題，在小量程及小直徑軸時(shí)更突出；數(shù)字式扭矩傳感器吸取了上述各種方法的優(yōu)點(diǎn)并克服了其缺陷，在應(yīng)變傳感器的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了兩組旋轉(zhuǎn)變壓器，實(shí)現(xiàn)了能源及信號(hào)的非接觸傳遞。并做到了扭矩信號(hào)的傳遞與是否旋轉(zhuǎn)無關(guān)，與轉(zhuǎn)速大小無關(guān)，與旋轉(zhuǎn)方向無關(guān)。
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LONGLV隆旅電子
上海隆旅電子科技有限公司
隆旅電子｜LONGLV-WTQ98A靜態(tài)扭矩傳感器
/// 專 業(yè) 的 工 業(yè) 傳 感 與 測(cè) 量 頭 條 號(hào) //// 概 述 /LONGLV-WTQ98A靜態(tài)扭矩傳感器，電阻應(yīng)變?yōu)槊舾性图呻娐窐?gòu)成的一體產(chǎn)品，精度高，性能穩(wěn)定可靠，中低量程扭矩測(cè)量，靜態(tài)扭矩測(cè)量，兩端均為法蘭盤連接。安裝使用方便。扭矩傳感器采用德國技...
2019-09-031
LONGLV隆旅電子
上海隆旅電子科技有限公司
「隆旅干貨」動(dòng)態(tài)扭矩傳感器在測(cè)量上都采用了哪些你不知道
/// 專 業(yè) 的 工 業(yè) 傳 感 與 測(cè) 量 百 家 號(hào) ////  前言  /動(dòng)態(tài)扭矩傳感器是一種非接觸式高速旋轉(zhuǎn)的傳感器，由于其測(cè)量質(zhì)量高和線性誤差低，傳感器在扭矩測(cè)產(chǎn)品中一直處于優(yōu)勢(shì)。動(dòng)態(tài)扭矩傳感器采用非接觸式設(shè)計(jì)，由于沒有易損件非常適合長時(shí)間旋轉(zhuǎn)扭矩測(cè)量和高速旋轉(zhuǎn)...
2019-10-080
言言smile
我叫言言，喜歡談天說地
不同扭矩傳感器各自有哪些優(yōu)點(diǎn)，對(duì)比兩款
扭矩傳感器的種類有很多，本文主要對(duì)比了靜態(tài)扭矩傳感器和非接觸式扭矩傳感器的原理及功能優(yōu)勢(shì)。扭矩傳感器是許多領(lǐng)域不可或缺的一部分，可應(yīng)用于電動(dòng)機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、扭矩試驗(yàn)臺(tái)、測(cè)功機(jī)、電動(dòng)機(jī)、引擎、齒輪、發(fā)電機(jī)、風(fēng)機(jī)、泵等，其它應(yīng)用測(cè)量設(shè)備轉(zhuǎn)矩傳感器安裝在汽車控制、調(diào)節(jié)、擰緊螺帽的扭矩...
2021-06-170
走馬觀花臺(tái)
走馬觀花臺(tái)分享關(guān)于儀器機(jī)械方面的資料
選擇對(duì)的型號(hào)正常安裝，扭力傳感器才能測(cè)量成功
因?yàn)槟壳艾F(xiàn)階段目前市面上的扭力傳感器在結(jié)構(gòu)和基本原理上各不相同。測(cè)量結(jié)果的成功與否，很大原因取決于扭力傳感器的選用是否合理。所以，根據(jù)上面來選擇就非常重要了，南京冉控科技技術(shù)人員給大家分享以下3個(gè)要點(diǎn)。1、相頻特性特性相頻特性特性管理決策了被測(cè)量的頻率范圍，盡量在允許頻率范...
2021-04-260
走馬觀花臺(tái)
走馬觀花臺(tái)分享關(guān)于儀器機(jī)械方面的資料
扭矩傳感器正確安裝，碰到故障不用慌
扭矩傳感器應(yīng)安裝在環(huán)境溫度為0℃ ～ 60℃，相對(duì)濕度小于90%，無易燃、易爆品的環(huán)境里。不宜安裝在強(qiáng)電磁干擾的環(huán)境中。1、連接方式：扭矩傳感器與動(dòng)力設(shè)備、負(fù)載設(shè)備之間的連接（1）彈性柱銷聯(lián)軸器連接，此種連接方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工容易，維護(hù)方便。能夠微量補(bǔ)償安裝誤差造成的軸的相...
2021-03-170
參考資料
1.

隋修武主編. 機(jī)械電子工程原理與系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M]. 2014
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唐敏. 無線聯(lián)動(dòng)式扭矩傳感器設(shè)計(jì)與研究[D].成都理工大學(xué),2015.
．中國知網(wǎng)[引用日期2019-08-24]
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羅勝彬. 磁電式扭矩傳感器的研究[D].西華大學(xué),2015.
．中國知網(wǎng)[引用日期2019-08-24]
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李海濱,孫欽密,任翔,王振宇.扭矩傳感器檢測(cè)連接質(zhì)量的問題探討[J].計(jì)量與測(cè)試技術(shù),2019,46(03):60-61+67.
．中國知網(wǎng)[引用日期2019-08-24]

扭矩角度傳感器：扭矩角度傳感器

51
）
Int.CI

權(quán)利要求說明書
說明書
幅圖

（
54
）發(fā)明名稱

扭矩角度傳感器

（
57
）摘要

?
本實(shí)用新型涉及一種扭矩角度傳感器，安
裝在設(shè)置有系統(tǒng)外殼的轉(zhuǎn)向柱上，用于檢測(cè)車輛
的方向盤轉(zhuǎn)向的轉(zhuǎn)向扭矩和角度，所述扭矩角度
傳感器包括上蓋、扭矩感應(yīng)單元、角度感應(yīng)單
元、
PCB
板、信號(hào)輸出端子和傳感器殼，所述上
蓋與傳感器殼之間形成收容空間，用以收容所述
角度感應(yīng)單元、
PCB
板和信號(hào)輸出端子，所述上
蓋包括本體和第一組裝部，所述第一組裝部是自
本體向傳感器殼延伸的凸緣，被配置與傳感器殼

扭矩角度傳感器：法雷奧開發(fā)了完整系列的扭矩傳感器、轉(zhuǎn)向角傳感器、扭矩和角度傳感器以及扭矩和分度傳感器，從而適應(yīng)市場(chǎng)上可用的不同系統(tǒng)架構(gòu)。｜ Valeo

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扭矩角度傳感器：簡(jiǎn)述電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)扭矩轉(zhuǎn)角傳感器

一般來說，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基本策略如下圖，可見其所有基本控制模塊，其輸入信號(hào)要么需要方向盤力矩信號(hào)，要么需要方向盤轉(zhuǎn)角信號(hào)（方向盤轉(zhuǎn)速通過轉(zhuǎn)角信號(hào)計(jì)算得到），這兩個(gè)信號(hào)一般來說是通過一個(gè)扭矩轉(zhuǎn)角傳感器TAS（Torque and Angle Sensor）來獲取的。本文淺嘗輒止地來講一講目前EPS系統(tǒng)中用到的主流扭矩轉(zhuǎn)角傳感器。
TAS的扭矩檢測(cè)功能，其本質(zhì)上還是一個(gè)轉(zhuǎn)角傳感器，TAS與扭桿組裝在一起構(gòu)成扭矩傳感器總成，方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，扭桿與扭矩傳感器就出的上半部分與下半部分存在一個(gè)相對(duì)轉(zhuǎn)角差，TAS就是通過檢測(cè)這個(gè)相對(duì)轉(zhuǎn)角來測(cè)量方向盤力矩的。
在實(shí)際的應(yīng)用中，還有TIS（Torque+Index Sensor）和TOS（Torque only Sensor）兩種，TIS只能提供扭矩信號(hào)和絕對(duì)轉(zhuǎn)角的過零信號(hào)脈沖，系統(tǒng)可以結(jié)合電機(jī)角度來得到方向盤角度；TOS只能提供扭矩信號(hào)。
TAS發(fā)展至今，大抵經(jīng)過了接觸式傳感器和非接觸式傳感器兩個(gè)階段，接觸式傳感器由于在其測(cè)量過程中，傳感元件之間一直存在滑動(dòng)摩擦，因此在使用過程中容易受到磨損老化，出現(xiàn)測(cè)量信號(hào)不準(zhǔn)確甚至報(bào)錯(cuò)的情況出現(xiàn)。這種類型的傳感器已經(jīng)逐漸被淘汰。
TAS大抵可以分為如下幾類，下文將分別述之。
（1） 接觸式電位器扭矩轉(zhuǎn)角傳感器
接觸式傳感器主要代表有日系早期的扭矩傳感器和BI公司的第一代扭矩轉(zhuǎn)角傳感器。其感知元件均采用高精度的電位器，當(dāng)扭桿旋轉(zhuǎn)過一定角度時(shí)，通過機(jī)械結(jié)構(gòu)巧妙的帶動(dòng)電位器轉(zhuǎn)過對(duì)應(yīng)的角度，通過電位器電阻的變化，達(dá)到測(cè)量角度的目的。
（2） 旋變式非接觸式TAS
旋變式的非接觸式TAS在日本的EPS供應(yīng)商中應(yīng)用比較多一些，其基本原理為定子上的線圈上提供一個(gè)正弦的勵(lì)磁電流，在氣隙中空間形成一個(gè)正弦分布的旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子線圈感應(yīng)該磁場(chǎng)得到一個(gè)與勵(lì)磁同頻率但不同賦值和不同相位的正弦電壓信號(hào)，通過解析該感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)可以得子轉(zhuǎn)子線圈的位置，從而得到測(cè)量扭桿偏轉(zhuǎn)角的目的。
（3） 霍爾式非接觸式扭矩傳感器
這一類的TAS是目前市場(chǎng)上用得最多的，市場(chǎng)占有量最大的廠家分別是海拉、法雷奧和博世。三家的傳感器雖然都是應(yīng)用的霍爾效應(yīng)，但在其信號(hào)產(chǎn)生機(jī)理和應(yīng)用上卻有本質(zhì)的區(qū)別。
首先讓我們來看看什么是霍爾效應(yīng)？
在與磁場(chǎng)垂直的N型半導(dǎo)體薄片上通以電流I，由于N型半導(dǎo)體的載流子為電子，因此電子將沿與電流相反的方向運(yùn)動(dòng)。由于洛侖磁力的作用，電子發(fā)生偏轉(zhuǎn)，一側(cè)形成電子累積，另一側(cè)形成正電荷累積，于是元件的橫向便形成了電場(chǎng)。該電場(chǎng)阻止電子繼續(xù)向側(cè)面偏移，當(dāng)電子所受電場(chǎng)力與洛侖茲力相等時(shí)，電子的累積達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。這時(shí)在兩端橫面之間建立的電場(chǎng)稱為霍爾電場(chǎng) ，相應(yīng)的電勢(shì)稱為霍爾電勢(shì) 。
通過以上的定義，顯然我們知道利用霍爾效應(yīng)產(chǎn)生電勢(shì)，需要以下幾個(gè)條件：
磁場(chǎng)（可以是永磁體生磁，也可以是電生磁）
半導(dǎo)體薄片（芯片廠搞定）
半導(dǎo)體上通過一個(gè)電流
最后的結(jié)果是：
半導(dǎo)體上，與磁場(chǎng)和電流平面垂直的方向產(chǎn)生一個(gè)電勢(shì)，該電勢(shì)大小與磁場(chǎng)方向及電流大小有關(guān)。
3.1 BOSCH的TOS/TIS方案
傳感器由MU（永磁體單元）、FTU（磁場(chǎng)傳導(dǎo)單元）和SU（傳感單元三部分組成）。
其信號(hào)輸出類型又模擬量、PWM和PAS4協(xié)議、PSI5協(xié)議幾種類型。MU的磁性非常大，而為了獲得準(zhǔn)確的扭矩精度，對(duì)MU、FTU以及SU之間的裝配間隔的要求也相當(dāng)高，給小總成的安裝工藝帶來的問題比較多。
3.2 Valeo的TAS方案
Valeo的傳感器也是使用永磁體勵(lì)磁，但是只有永磁體和傳感單元兩個(gè)單元。跟Bosch的傳感器相比較，我們可以理解成valeo把FTU和SU做了集成化。
永磁體勵(lì)磁的TAS扭矩檢測(cè)原理如下圖所示：
（1）永磁體在圓周上均勻分步n對(duì)磁場(chǎng)N－S極（一般為8對(duì)），磁場(chǎng)在氣隙內(nèi)呈均勻正弦分步
（2）當(dāng)永磁體和磁場(chǎng)傳導(dǎo)單元發(fā)生相對(duì)角位移時(shí)，磁場(chǎng)傳導(dǎo)單元所在位置的空間磁場(chǎng)發(fā)生相應(yīng)變化
（3）Hall芯片感應(yīng)磁場(chǎng)傳導(dǎo)單元所在位置的磁場(chǎng)，并將其轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)
為了檢測(cè)絕對(duì)轉(zhuǎn)角信號(hào)，valeo的ASU方案中在跟輸入軸上先增加了一副大的齒輪，然后又安裝了兩幅速比不一樣的AS齒輪和RS齒輪（下圖標(biāo)注有BUG，請(qǐng)讀者自行找茬），其中AS齒輪與大齒輪的速比為360:144，RS齒輪與大齒輪的速比為360:2448.在該齒輪上安裝有兩個(gè)另外的永磁體，各有一片Hall芯片（無磁場(chǎng)傳導(dǎo)單元）來采集AS和RS的信號(hào)。
其信號(hào)特征見下：
3.3 Valeo的TAS方案
Hella TAS傳感器方案最大的創(chuàng)新在于：
完全拋棄永磁體，通過在PCB上的印制線路形成電感線圈，在線圈兩端施加電壓以后即在空中形成hall效應(yīng)所需要的磁場(chǎng)
為了測(cè)量絕對(duì)角度，跟Valeo的方案比，只增加了一組齒輪
其檢測(cè)的機(jī)理為，兩個(gè)轉(zhuǎn)子分別檢測(cè)40°信號(hào)（以40°為周期）和20°信號(hào)（以20°為周期），每一個(gè)轉(zhuǎn)子實(shí)際上有三組相位互差120°的線圈，三組線圈同時(shí)接入感知芯片中。
減速齒輪與valeo的方案相似，輸出PWM信號(hào)，PWM 【min max】對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)角【-738° 738°】。
上圖為Hella傳感器SENT版本的信號(hào)框圖，兩路通過SENT信號(hào)發(fā)送給ECU的信號(hào)是20°傳感器和40°傳感器所感測(cè)到的絕對(duì)轉(zhuǎn)角信號(hào)，還需要在ECU內(nèi)部通過一定的算法將兩個(gè)絕對(duì)轉(zhuǎn)角信號(hào)做同步處理及冗余校驗(yàn)后相減才能得到相對(duì)轉(zhuǎn)角信號(hào)-即扭桿偏轉(zhuǎn)角。
同時(shí)，Hella提供的傳感器扭矩信號(hào)還有PWM版本，即把同步處理和冗余校驗(yàn)的工作放在傳感器內(nèi)部完成了，無需ECU來做此工作。
通過上圖IC300得到的轉(zhuǎn)角分辨率非常低，因此這個(gè)角度一般來說只用來：
計(jì)算初始角度
冗余校驗(yàn)
在其它兩路信號(hào)失效的情況下提供一個(gè)DEGRADED ANGLE。
獲得初始角度以后，一般來說都是用40°轉(zhuǎn)子所提供的信號(hào)來求解分辨率更高的方向盤角度信號(hào)。
（4） 其它類型的傳感器，譬如光耦、巨磁等，要么已經(jīng)退出歷史舞臺(tái)，要么屬于極其小眾型的傳感器，在此不再贅述。
作者：JACK
電子電器好課(點(diǎn)擊標(biāo)題查看）
《整車網(wǎng)絡(luò)和ECU診斷實(shí)例講解》