作者：赵向飞，刘军，钟正虎 (北京航天控制仪器研究所，北京 100854)

出处：《电工电气》2018年11月刊

 

摘要：扭矩传感器应用在汽车电动助力转向、钻探扭杆、试验台等机械传动中需要测量扭矩和计算功率的场合。介绍了动态扭矩传感器常见的工作原理和典型的安装结构，分析了不同扭矩传感器安装时的不对中误差和同轴度调整方法；针对扭矩传感器安装方式的不同，给出了联轴器最佳选择方案，为扭矩传感器的工程应用及轴系设计提供参考。

 

0 引言

    扭矩传感器是精密的测量仪器，用于检测轴系的扭矩，具体分为静态和动态两类。动态扭矩传感器可连续测量正反转扭矩，也可以用于静态测量，如动态扭矩传感器标定时就采用静态测量的方式，标定试验机采用悬臂结构，通过增加砝码改变力矩检测量程内几个不同的扭矩值，来标定扭矩传感器的精度，并出具检定合格证书；而静态扭矩传感器则不能用于动态测量。另外，动态扭矩传感器可以选择转速测量功能，这样就能够进行功率的计算。

    目前高品质的扭矩传感器均采用进口，国内扭矩传感器也有质量较好的品牌。但无论进口还是国产，安装使用不当，都可能造成测量结果精度不高，甚至损坏扭矩传感器。因此，本文对扭矩传感器的工作原理、安装方式，尤其对不同安装方式扭矩传感器的联轴器选用进行了探讨，为工程设计人员使用扭矩传感器提供指导。

1 常见扭矩传感器工作原理

    动态扭矩传感器按信号传输方式可分为接触测量和非接触测量，两者都要克服旋转绞线问题。动态测量时，测量元件在转轴上，需要将信号线从旋转轴引出到固定壳体的控制电路中进行信号处理，如果通过集流环和碳刷( 类似电机电刷) 引出，就是接触式；如果采用电、磁、光感应原理，不采用集流环和碳刷，直接将信号传出，就是非接触测量，以下会详细说明。根据材料力学可知，当一根轴施加扭矩，会引起扭转变形，包括两个物理量，一个是扭转角，另一个是最大剪切应力，或者应变；只要测量这两者中的一个，根据相关的计算公式，就可以得到轴系的扭矩，因此按这种测量原理又分为扭转角测量和应变测量[1-4]。

1.1 应变式测量原理

    应变式测量最传统的测量方式就是粘贴电阻应变片，随着科技的进步，测量表面应变的方式除了电阻应变片，还有声表面波测应变、压电式测应变、逆磁致伸缩效应测应变等许多新兴的手段，但其测量本质都是获得应变值[2]。

  式中，τm ax 为最大剪切应力；T 为需要测量的扭矩值；W t 为抗扭截面系数，由轴系的直径决定；E为材料弹性模量，由材料本身决定；ε为应变；D 为轴系的直径。上式可以看出，只要把轴的应变ε测出，就可测出扭矩值T [5]。

    传统电阻应变片扭矩传感器在弹性轴上45°和135°方向粘贴应变片组成桥，当弹性轴受扭矩时，扭转变形引起电桥电阻变化，应变电桥电阻的变化转变为电压信号的变化。其信号从转动轴传递到固定壳体的方法主要有碳刷式接触方式和电磁感应式、无线传输等非接触方式。

1) 碳刷式扭矩传感器

    如图1 所示，壳体5 固定，刷丝3 固定在壳体5上；应变片6 粘贴在旋转轴1 上，与滑道4 相连，滑道4 与旋转轴1 固联，旋转轴1 依靠轴承2 旋转，刷丝3 与滑道4 靠滑动接触摩擦传递信号。导电滑环即刷丝3 和滑道4 的可靠性直接影响着扭矩传感器信号的稳定性。

2) 电磁感应式扭矩传感器

    图2 是电磁感应、非接触、应变式测量扭矩传感器原理图。与图1 相比，其应变测量原理相同，但信号传递不是靠接触摩擦的刷丝和滑道，而是通过线圈的电磁感应，非接触方式传递。

  初级变压器线圈7 与应变片一起固定在旋转轴上，次级变压器线圈8 固定在壳体上，当有扭矩时，次级变压器线圈8 会有信号输出。

3) 无线传输式扭矩传感器

    无线传输式扭矩传感器工作原理与图1 和图2相同，都是应变片贴在旋转轴上，信号处理电路和发射模块也与旋转轴固联，一起旋转；图3 所示的应变信号经过处理电路后，通过发射模块发射出去，而接收模块和显示模块与壳体固联，实现信号的无线传输[3-4]。

1.2 转角式测量原理

 式中，θ为扭转角；T 为扭矩值；l 为轴长度；G 为剪切弹性模量，由材料的性质决定；I p 为截面极惯性矩，由轴直径D 决定，因此只要测得了扭转角就能测得扭矩值。

 

1) 磁感式测量原理

 

    如图4 所示，齿盘1 与扭转轴2 固联，磁电传感器3 主要由线圈、铁芯、永磁体组成。当扭转轴2 上施加扭矩时，齿盘1 会引起磁电传感器3 磁通量的变化，输出两个相位差的电压U 1、U 2，经过测量电路处理后显示扭矩值。

2) 光电测量原理

    如图5 所示，扭转轴1 上固联码盘4 和5，码盘4 和5 上按一定规则布置孔。当扭转轴1 上无扭矩时，两个码盘相互遮挡，光源2 的光线不会穿过码盘；当施加扭矩信号时，由于扭转角的存在，两个码盘错位，光源2 的光线透过码盘到达光敏元件3，感应出电信号，再经过后续电路处理，显示出扭矩值[3-4]。

2 扭矩传感器安装时注意事项

    不同安装结构的扭矩传感器选用联轴器不同，对其精度及寿命影响很大。

2.1 同轴度的调整

    由于加工基准不同，两个轴端在装配过程中，不可避免的会出现轴心偏差问题，包括径向偏差、轴向偏差和角度偏差，如图6 所示。

    常见的同轴度测量方法有两种：一是打表法，二是采用激光对中仪。当然，在结构设计时尽量保证同轴度，如在镗床上一次装夹，通过旋转刀架，保证同轴度，如图7 所示为一体焊接式结构[6]。