扭矩传感器原理及应用

本文介绍电阻扭矩传感器的结构原理，以“卡特皮勒1G2”发动机台架为例介绍了典型应用，分析了扭矩信号集散电路工作原理，以及扭矩传感器常见故障维修，最后简单地介绍了在发动机试验台架应用的磁感应扭矩传感器的原理。 

1 概述 

扭矩又叫转矩，是反映转动设备输出力的大小的重要参数。扭矩在物理学中用下面的公式计算。 

P=M・N/9550 公式（1） 

其中：P表示转动设备的输出功率，单位千瓦（kW）；M 表示转动设备的输出扭矩，单位牛米（N・m）；N表示转动设备的转速，单位转/分钟（r/min）。 

从公式（1）可以看出，扭矩是一个与功率和转速相关的物理量，它反映了转动设备输出功率和转速的比值关系。如果知道了转动设备的输出功率和转动速度，就可以利用公式1计算出转动设备的扭矩。但实际生产中，功率的测量是不容易的，而扭矩可以利用较简单的装置把扭矩转化为力和磁的测量，对于力和磁这两个物理量的检测，我们有许多成熟工具，这样扭矩的测量就变得相对简单了。 

2 电阻应变式扭矩传感器的原理 

我们知道，在通常情况下，当金属受外力作用时它的电阻值会发生变化，其变化大小可以依据虎克定律求得，这就是金属应变原理。电阻应变式扭矩传感器，就是利用应变原理制成的。它的结构原理图如图1所示。 

扭矩传感器利用高档箔式应变片组成了电桥，在力的作用下电阻值增加或减小，当输入端加上直流电压后，输出端就可以得到随所施力大小而改变的电压信号。再经过信号处理计算，我们就能知道扭矩的大小了。 

3 扭矩传感器应用和调试 

扭矩大小是发动机台架实验的重要参数之一。“卡特皮勒1G2”发动机台架应用的就是上面介绍的电阻应变式传感器，以此为例分析扭矩信号集散电路原理和扭矩传感器的调试。 

3.1 扭矩信号集散电路原理 

图2中T2、T4分别接±5V电源给扭矩传感器提供激励电压。T3接传感器的信号输出端，以IC7650高稳定的自稳零放大器为核心组成信号放大电路，再经过LM348进行放大处理，输出信号给计算机。 

3.2 扭矩传感器的调试 

扭矩传感器的调试包括零点满度的标定和静校。 

当进行零点标定时，测功机装好校正臂和校正盘，不放砝码，调节扭矩信号集散板上的电位器RW2及RW5，使端子输出电压为OV；再加满砝码，调节电位器RW3和RW4，使端子输出电压后9.8V。 

当零点和满度标定好以后，就可以进行静校。校验的方法很简单，就是往校正盘中逐次放入适当砝码，然后根据公式（2）：Me=G・g・L （2）其中Me是标准力矩，G是砝码质量，g是当地重力加速度，L是校正臂的长度。 

计算出的标准力矩与计算机显示力矩上比较，就可以完成校验。 

4 扭矩传感器的故障与维修 

“卡特皮勒1G2”发动机台架所使用的扭矩传感器内部接线为电桥型，可以通过万用表测量其桥臂间的电阻来辨别好坏。参考图1，正常时R1和R3，R2和R4的电阻值应一样，如果阻值不一样，说明桥臂平衡已被破坏，传感器不能使用。根据使用和维修经验看，扭矩传感器自身发生故障的机率很小。通常，在激励电压正常和正确安装传感器后，故障多发生在外围电路中，总结如表1所示： 

　　故障现象 故障原因 解决办法 

　　扭矩数值漂移大 扭矩信号集散板上 

　　电容热稳定性不好 更换电容 

　　扭矩数值不稳定 发动机点火干扰 

　　或电网干扰 发动机点火高压帽增加阻尼；检查系统接地 

5 磁电感应式扭矩传感器

除了电阻应变式扭矩传感器，还有一种较特殊的扭矩传感器，就是磁电感应式扭矩传感器，它电定子、转子、传感器轴和辅助电路组成。转子包括线圈固定在传感器轴上，定子永久磁铁固定在传感器外壳上，定、转子上都有相等的齿和槽。 

测量扭矩时，用两个完全相同的传感器，它们的转子分别固定在被测轴的两端，而定子用支架固定。一个传感器的定子齿和转子齿相对，另一个则定子槽和转子槽相对。当转轴以一定角速度旋转时，则在两个传感器输出线组内感应出电势大小相等，频率相同，相位差180°的近似正弦波，而当被测轴受扭矩时，两个绕组内感应电热相位差将不再是180°，而是扭转角与定（转）子齿数的积。在弹性限度内，材料扭矩与扭转角成正比，因此，测出扭转角也就得到了扭矩的值。这种扭矩传感器反应较电阻应变式传感器反应灵敏，但抗干扰能力较弱，对应用场所的电磁强度有较高要求。 

6 结论 

在发动机台架试验中，大部分测功机的扭矩测量都像“卡特皮勒1G2”发动机台架一样，利用固定在定子上的平衡臂将扭矩变为拉压力的测量。这时扭矩传感器严格地说应该叫拉压传感器。当然，在发动机试验台架中也有进行纯扭矩测量的，如CL-100齿轮油试验机使用的扭矩传感器。它的工作原理与电阻应变式扭矩传感器一样，只是传感器外形不是传统的桥形，而是圆柱形，四个电阻应变片是贴在转轴上使用的，输出信号是频率信号。