扭矩傳感器 - 基本內容

應用范圍

CHNNT系列扭矩傳感器是一種測量各種扭矩、轉速及機械功率的精密測量儀器。應用范圍十分廣泛，主要用于：

1、電動機、發(fā)動機、內燃機等旋轉動力設備輸出扭矩及功率的檢測；

2、風機、水泵、齒輪箱、扭力板手的扭矩及功率的檢測；

3、鐵路機車、汽車、拖拉機、飛機、船舶、礦山機械中的扭矩及功率的檢測；

4、可用于污水處理系統(tǒng)中的扭矩及功率的檢測；

5、可用于制造粘度計；

6、可用于過程工業(yè)和流程工業(yè)中。

基本原理

扭矩的測量：采用應變片電測技術 ,在彈性軸上組成應變橋,向應變橋提供電源即可測得該彈性軸受扭的電信號。將該應變信號放大后，經過壓/頻轉換，變成與扭應變成正比的頻率信號。如圖1所示：

扭矩傳感器圖冊

產品特點

1.信號輸出可任意選擇波形─方波或脈沖波。

2.檢測精度高、穩(wěn)定性好、抗干擾性強。

3.不需反復調零即可；連續(xù)測量正反扭矩。

4.即可測量靜止扭矩，也可測量動態(tài)扭矩。

5.體積小、重傳感器可脫離二次儀表獨立使用，只要按插座針號提供 +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。量輕、易于安裝。

6.測量范圍： 0—10000Nm標準可選, 非標準2萬Nm、3萬Nm、5萬Nm、8萬Nm、10萬Nm、15萬Nm、20萬Nm、50萬Nm、100萬Nm、200萬Nm可定制，特殊量程定制。

量程計算

扭矩傳感器的計算公式一般是這樣的，M=9550×P/N，其中M是扭矩，單位是N.m；P是電機功率，單位是KW；N是轉速，單位是r/min。這就是扭矩傳感器量程的計算公式。

主要功能及性能指標

扭矩示值誤差： ＜± 0.5 % F · S 靈敏度： 1±0.2 mv / V

非線性： ＜±0.25 % F· S 重復性： ＜±0.2% F· S

回差： ＜0.2 % F· S 零飄（24小時）： ＜0.5 % F· S

零點溫飄： ＜0.5 % F· S /10℃ 輸出阻抗： 1KΩ ±3Ω

絕緣阻抗： >500MΩ 靜態(tài)超載： 120 %

斷裂負載： 200 % 使用溫度： 0 ～ 60℃

儲存溫度： －20 ～ 70℃ 電源電壓： +15V±5%,-15V±5%

總消耗電流： ＜130mA 頻率信號輸出： 5KHz—15KHz

負額定扭矩：5KHz±10Hz 零扭矩：10KHz±10Hz

正額定扭矩：15KHz±10Hz 信號占空比： （50±10）%

安裝步驟

1.根據(jù)軸的連接形式和扭矩傳感器的長度，確定原動機和負載之間的距離，調節(jié)原動機和負載的軸線相對于基準面的距離，使它們的軸線的同軸度小于Φ 0.03mm,固定原動機和負載在基準面上。

2.將聯(lián)軸器分別裝入各自軸上。

3.調節(jié)扭矩傳感器與基準面的距離，使它的軸線與原動機和負載的軸線的同軸度小于Φ 0.03mm，固定扭矩傳感器在基準面上。

4.緊固聯(lián)軸器，安裝完成。

信號輸出與信號采集

1、扭矩信號輸出基本形式：

? 方波信號、脈沖信號。

? 可根據(jù)用戶需要制成電壓模擬信號輸出或電流模擬信號輸出（單向、靜止扭矩測量）。

2、扭矩信號處理形式：

? 扭矩傳感器輸出的頻率信號送到頻率計或數(shù)字表，直接讀取與扭矩成正比的頻率信號或電壓、電流信號。

? 扭矩傳感器的扭矩與頻率信號送給單片機二次儀表，直接顯示實時扭矩值、轉速及輸出功率值及 RS232通訊信號。

? 直接將扭矩與轉速的頻率信號送給計算機或 PLD進行處理。

維護與保養(yǎng)

1.每隔一年應給扭矩傳感器兩端軸承加潤滑脂。加潤滑脂時，僅將兩端軸承蓋打開，將潤滑脂加入軸承，然后裝上兩端蓋。

2.應儲存在干燥、無腐蝕、室溫為 -20℃——70℃的環(huán)境里。

注意事項

1.安裝時，不能帶電操作，切莫直接敲打、碰撞傳感器。

2.聯(lián)軸器的緊固螺栓應擰緊 ,聯(lián)軸器的外面應加防護罩，避免人身傷害。

3.信號線輸 出不得對地 ,對電源短路,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。

安裝使用

1、使用環(huán)境：扭矩傳感器應安裝在環(huán)境溫度為0℃ ～ 60℃，相對濕度小于90%，無易燃、易爆品的環(huán)境里。不宜安裝在強電磁干擾的環(huán)境中。

2、連接方式： 扭矩傳感器與動力設備、負載設備之間的連接

（1） 彈性柱銷聯(lián)軸器連接如圖13所示，此種連接方式結構簡單，加工容易，維護方便。能夠微量補償安裝誤差造成的軸的相對偏移，同時能起到輕微減振的作用。適用于中等載荷、起動頻繁的高低速運轉場合，工作溫度為-20-70℃。

（2） 剛性聯(lián)軸器連接如圖14所示，這種連接形式結構簡單，成本低，無補償性能，不能緩沖減振，對兩軸的安裝精度較高。用于振動很小的工況條件。

3、安裝要求：

（1） 扭矩傳感器可水平安裝，也可垂直安裝。

（2） 如圖11、12所示，動力設備、傳感器、負載設備應安裝在穩(wěn)固的基礎上，以避免過大的震動，否則可能發(fā)生數(shù)據(jù)不穩(wěn)，降低測量精度，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） 動力設備、傳感器、負載設備軸線的同心度應小于Φ0.05mm。

工作過程

將專用的測扭應變片用應變膠粘貼在被測彈性軸上并組成應變橋 ,向應變橋提供電源即可測得該彈性軸受扭的電信號。將該應變信號放大后，經過壓/頻轉換，變成與扭應變成正比的頻率信號。本系統(tǒng)的能源輸入及信號輸出是由兩組帶間隙的特殊環(huán)型變壓器承擔的。因此實現(xiàn)了無接觸的能源及信號傳遞功能。

向傳感器提供 ± 15V電源，激磁電路中的晶體振蕩器產生400Hz的方波，經過TDA2030功率放大器即產生交流激磁功率電源，通過能源環(huán)形變壓器T1從靜止的初級線圈傳遞至旋轉的次級線圈，得到的交流電源通過軸上的整流濾波電路得到 ± 5 V的直流電源，該電源做運算放大器AD822的工作電源；由基準電源AD589與雙運放AD822組成的高精度穩(wěn)壓電源產生 ± 4.5V的精密直流電源，該電源既作為電橋電源，又作為放大器及V/F轉換器的工作電源。當彈性軸受扭時，應變橋檢測得到的mV級的應變信號通過儀表放大器AD620放大成1.5v ± 1v的強信號，再通過V/F轉換器LM131變換成頻率信號，通過信號環(huán)形變壓器T2從旋轉的初級線圈傳遞至靜止次級線圈，再經過傳感器外殼上的信號處理電路濾波、整形即可得到與彈性軸承受的扭矩成正比的頻率信號，該信號為TTL電平,既可提供給專用二次儀表或頻率計顯示也可直接送計算機處理。由于該旋轉變壓器動--靜環(huán)之間只有零點幾毫米的間隙，加之傳感器軸上部分都密封在金屬外殼之內，形成有效的屏蔽，因此具有很強的抗干擾能力。

傳感器輸出的頻率信號在零點時為 10kHz.正向旋轉滿量程時為15KHz.反向旋轉滿量程時為5KHz。即滿量程變量為5000個數(shù)/每秒。轉速測量采用光電齒輪或者磁電齒輪的測量方法，軸每旋轉一周可產生60個脈沖，高速或中速采樣時可以用測頻的方法，低速采樣時可以用測周期的方法。本傳感器精度可達 ± 0.2%～ ± 0.5%（F · S）。由于傳感器輸出為頻率信號，所以無需AD轉換即可直接送至計算機進行數(shù)據(jù)處理。

發(fā)展趨勢

隨著自控系統(tǒng)的不斷完善和發(fā)展，對扭矩傳感器的精度、可靠性和響應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：

1、測試系統(tǒng)向微型化!數(shù)字化、智能化、虛擬化和網絡化方向發(fā)展；

2、從單功能向多功能發(fā)展，包括自補償、自修正、自適應、自診斷、遠程設定、狀態(tài)組合、信息存儲和記憶；

3、向著小型化、集成化方向發(fā)展。傳感器的檢測部分可以通過結構的合理設計和優(yōu)化來實現(xiàn)小型化，IC部分可以整合盡可能多的半導體部件、電阻到一個單獨的IC部件上，減少外部部件的數(shù)量。

4、由靜態(tài)測試向動態(tài)在線檢測方向發(fā)展。

應用實例

汽車上的扭矩傳感器通過檢查扭轉桿的扭轉變形，并將其轉換為電子信號傳遞給蓄電池下方的電動助力轉向系統(tǒng)。傳感器由分相器單元1和2及扭轉桿組成，傳感器1位于轉向主軸，傳感器2位于小齒輪軸，其扭轉桿轉動后使2個分相器單元產生一個相對角度，并轉換電壓信號傳遞給電動助力轉向系統(tǒng)，電動助力轉向系統(tǒng)根據(jù)這兩個單元的相對位置決定對EPS轉向機電機提供相應的工作電壓，當然這個上面也使用到了角度傳感器。電動助力轉向系統(tǒng)僅在需要轉向時才啟動電機產生助力,能減少發(fā)動機燃油消耗；能在各種行駛工況下提供******助力，減小由路面不平所引起電動機的輸出轉矩通過傳動裝置的作用而助力向系的擾動，改善汽車的轉向特性,提高汽車的主動安全性；沒有液壓回路,調整和檢測更容易,裝配自動化程度更高,且可通過設置不同的程序，快速與不同車型匹配,縮短生產和開發(fā)周期；不存在漏油問題,減小對環(huán)境的污染。

電動助力轉向系統(tǒng)主要是通過扭矩傳感器的配合，通過扭矩傳感器探測司機在轉向操作時方向盤產生的扭矩或轉角的大小和方向，并將所需信息轉化成數(shù)字信號輸入控制單元,再由控制單元對這些信號進行運算后得到一個與行駛工況相適應的力矩,最后發(fā)出指令驅動電動機工作，電動機的輸出轉矩通過傳動裝置的作用而助力。不難看出扭矩傳感器是相當?shù)闹匾?。汽車上扭矩傳感器的損壞會直接導致汽車在行駛過程中失去轉向助力功能，使得轉向失靈變得僵硬。這樣扭矩傳感器在汽車安全問題上是很重要的，扭矩傳感器的好壞會直接決定駕車的安全系數(shù)。

扭矩傳感器 - 利與弊

發(fā)展趨勢

隨著自控系統(tǒng)的不斷完善和發(fā)展，對扭矩傳感器的精度、可靠性和響應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：

1、測試系統(tǒng)向微型化數(shù)字化、智能化、虛擬化和網絡化方向發(fā)展；

2、從單功能向多功能發(fā)展，包括自補償、自修正、自適應、自診斷、遠程設定、狀態(tài)組合、信息存儲和記憶；

3、向著小型化、集成化方向發(fā)展。傳感器的檢測部分可以通過結構的合理設計和優(yōu)化來實現(xiàn)小型化，IC部分可以整合盡可能多的半導體部件、電阻到一個單獨的IC部件上，減少外部部件的數(shù)量；

4、由靜態(tài)測試向動態(tài)在線檢測方向發(fā)展；

不足之處

遙測扭矩儀成功之處在于克服了電滑環(huán)的兩項缺陷，但也存在著三個不足之處，

其一：易受使用現(xiàn)場電磁波的干擾；

其二：由于是電池供電，所以只能短期使用；

其三：由于在旋轉軸上附加了結構，易引起高轉速時的動平衡問題，在小量程及小直徑軸時更突出；

數(shù)字式扭矩傳感器吸取了上述各種方法的優(yōu)點并克服了其缺陷，在應變傳感器的基礎上設計了兩組旋轉變壓器，實現(xiàn)了能源及信號的非接觸傳遞。并做到了扭矩信號的傳遞與是否旋轉無關，與轉速大小無關，與旋轉方向無關。

扭矩傳感器 - 應用

一、交（直）流電動機 、伺服電機、步進電機 。

二、汽車發(fā)動機、柴油機 、轉向器、車身整體剛性扭轉試驗以及其他部件加工過程的控制和檢測。

三、電（手）動執(zhí)行器、各種閥門自動開閉控制。

四、石油 開采和提煉過程控制和監(jiān)測、火（水）力發(fā)電設備 的監(jiān)測、礦石篩選控制、風力發(fā)電設備 的監(jiān)測。

五、各種材料扭曲壽命 試驗。

六、鐵路機械設備過程控制等等。

1、檢測發(fā)電機，電動機 ，內燃機等旋轉動力設備輸出扭矩及功率。

2、 檢測減速機 風機，泵，攪拌機，卷揚機，螺旋槳，鉆探機械等設備的負載扭矩及輸入功率。

3、檢測各種機械加工中心，自動機床的工作過程中的扭矩

4、各種旋轉動力設備系統(tǒng)所傳遞的扭矩及效率；

5、檢測扭矩的同時可以檢測轉速，軸向力。

6、可用于制造粘度計，電動(氣動，液力)扭力扳手。

扭矩傳感器 - 產品技術參數(shù)

_{扭矩傳感器}

扭矩傳感器，（又稱力矩傳感器、扭力傳感器、轉矩傳感器、扭矩儀）分為動態(tài)和靜態(tài)兩大類，其中動態(tài)扭矩傳感器又可叫做轉矩傳感器、轉矩轉速傳感器、非接觸扭矩傳感器、旋轉扭矩傳感器等。 扭矩傳感器是對各種旋轉或非旋轉機械部件上對扭轉力矩感知的檢測。扭矩傳感器將扭力的物理變化轉換成精確的電信號。扭矩傳感器可以應用在制造粘度計，電動（氣動，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。

精度高，頻響快，可靠性好

簡介

       扭矩是在旋轉動力系統(tǒng)中最頻繁涉及到的參數(shù)，為了檢測旋轉扭矩，使用較多的是扭轉角相位差式傳感器。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，在齒輪的外側各安裝著一只接近(磁或光)傳感器。當彈性軸旋轉時，這兩組傳感器就可以測量出兩組脈沖波，比較這兩組脈沖波的前后沿的相位差就可以計算出彈性軸所承受的扭矩量。該方法的優(yōu)點：實現(xiàn)了轉矩信號的非接觸傳遞，檢測信號為數(shù)字信號；缺點：體積較大，不易安裝，低轉速時由于脈沖波的前后沿較緩不易比較，因此低速性能不理想。

扭矩測試比較成熟的檢測手段為應變電測技術，它具有精度高、頻響快、可靠性好、壽命長等優(yōu)點。 將專用的測扭應變片用應變膠粘貼在被測彈性軸上，并組成應變橋，若向應變橋提供工作電源即可測試該彈性軸受扭的電信號。這就是基本的扭矩傳感器模式。但是在旋轉動力傳遞系統(tǒng)中，最棘手的問題是旋轉體上的應變橋的橋壓輸入及檢測到的應變信號輸出如何可靠地在旋轉部分與靜止部分之間傳遞，通常的做法是用導電滑環(huán)來完成。 由于導電滑環(huán)屬于磨擦接觸，因此不可避免地存在著磨損并發(fā)熱，因而限制了旋轉軸的轉速及導電滑環(huán)的使用壽命。并且由于接觸不可靠引起信號波動，從而造成測量誤差大甚至測量不成功。為了克服導電滑環(huán)的缺陷，另一個辦法就是采用無線電遙測的方法 :將扭矩應變信號在旋轉軸上放大并進行V/F轉換成頻率信號，通過載波調制用無線電發(fā)射的方法從旋轉軸上發(fā)射至軸外，再用無線電接收的方法，就可以得到旋轉軸受扭的信號。 旋轉軸上的能源供應是固定在旋轉軸上的電池。該方法即為遙測扭矩儀。

兩類傳感器

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。當扭桿受方向盤的轉動力矩作用發(fā)生扭轉時，輸入軸上的花鍵和輸出軸上鍵槽之間的相對位置就被改變了?；ㄦI和鍵槽的相對位移改變量等于扭轉桿的扭轉量，使得花鍵上的磁感強度改變，磁感強度的變化，通過線圈轉化為電壓信號。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、 受軸的偏轉和軸向偏移的影響更小，已經廣泛用于轎車領域。[1]

應變片扭矩傳感器

應變片傳感器扭矩測量采用應變電測技術。在彈性軸上粘貼應變計組成測量電橋，當彈性軸受扭矩產生微小變形后引起電橋電阻值變化，應變電橋電阻的變化轉變?yōu)殡娦盘柕淖兓瘡亩鴮崿F(xiàn)扭矩測量。傳感器就完成如下的信息轉換；傳感器由彈性軸、測量電橋、儀器用放大器、接口電路組成。

高性能無線扭矩傳感器

高性能無線扭矩傳感器將傳感器與無線通信技術結合在一起，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的無線傳輸。扭矩電信號由單片機控制的信號處理電路進行放大、A/D轉換之后，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，由LED顯示得到的扭矩數(shù)據(jù)值。傳感器數(shù)據(jù)采集發(fā)射電路由扭矩傳感器、信號處理部分、單片機和無線發(fā)射電路組成。扭矩傳感器將電阻應變片產生的應變電信號傳送到信號處理電路。信號處理部分對傳感器模擬信號提取放大，并進行模/數(shù)轉換。微處理器負責控制系統(tǒng)各部分器件的工作，并對數(shù)字信號進行處理。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)進行相應的編碼和處理，并用發(fā)射模塊發(fā)射出。實現(xiàn)無線傳輸。

電子式扭矩儀

電子式扭矩儀是一種針對風機、水泵試驗及現(xiàn)場能效評測的便攜式高性能軸功率測量儀器。電子式扭矩儀創(chuàng)造性的摒棄了傳統(tǒng)機電式扭矩傳感器繁瑣、復雜、在很多現(xiàn)場環(huán)境下不易實現(xiàn)的安裝過程，實現(xiàn)了風機、水泵電機效率的實時測量，監(jiān)測風機、水泵電機在使用過程中各環(huán)節(jié)的運行狀態(tài)，對研究風機、水泵電機的使用狀態(tài)提供了實時、真實、可靠的數(shù)據(jù)；避免了因機電式扭矩傳感器安裝不當對試驗結果造成的影響。

電子式扭矩儀能完全取代傳統(tǒng)扭矩傳感器的軸功率測量功能，并且能獲取風機、水泵電機的實時效率，為風機、水泵機組節(jié)能提供了嚴謹、科學評測手段。

應用范圍

扭矩傳感器是一種測量各種扭矩、轉速及機械功率的精密測量儀器。應用范圍十分廣泛，主要用于：

1、電動機、發(fā)動機、內燃機等旋轉動力設備輸出扭矩及功率的檢測；

2、風機、水泵、齒輪箱、扭力板手的扭矩及功率的檢測；

3、鐵路機車、汽車、拖拉機、飛機、船舶、礦山機械中的扭矩及功率的檢測；

4、可用于污水處理系統(tǒng)中的扭矩及功率的檢測；

5、可用于制造粘度計；

6、可用于過程工業(yè)和流程工業(yè)中；

7、可以應用于實驗室，測試部門以及生產監(jiān)控和質量控制；

產品信息

          基本原理

扭矩的測量：采用應變片電測技術，在彈性軸上組成應變橋。如圖1所示：

產品特點

1.信號輸出可任意選擇波形─方波或脈沖波。

2.檢測精度高、穩(wěn)定性好、抗干擾性強。

3.不需反復調零即可；連續(xù)測量正反扭矩。

4.即可測量靜止扭矩，也可測量動態(tài)扭矩。

5.體積小、重傳感器可脫離二次儀表獨立使用，只要按插座針號提供 +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。量輕、易于安裝。

6.測量范圍： 0—10000Nm標準可選, 非標準2萬Nm、3萬Nm、5萬Nm、8萬Nm、10萬Nm，特殊量程可定制。

信號傳輸

              信號輸出

· 方波信號、脈沖信號。

· 扭矩傳感器的標準信號輸出是頻率信號，即5-15KHz；為了適應客戶需求，無需外置模塊，與原始輸出電路整合設計直接輸出4-20mA、0-20mA、1-5V、0-5V模擬信號，方便客戶采。

2、扭矩信號處理形式：

· 扭矩傳感器輸出的頻率信號送到頻率計或數(shù)字表，直接讀取與扭矩成正比的頻率信號或電壓、電流信號。

· 扭矩傳感器的扭矩與頻率信號送給單片機二次儀表，直接顯示實時扭矩值、轉速及輸出功率值及 RS232通訊信號。

· 直接將扭矩與轉速的頻率信號送給計算機或 PLD進行處理.

信號采集

頻率輸出信號的信號采集頻率信號輸出時，與后續(xù)的信號采集設備的建議接口電

注意事項

1.安裝時，不能帶電操作，切莫直接敲打、碰撞傳感器。

2.聯(lián)軸器的緊固螺栓應擰緊 ,聯(lián)軸器的外面應加防護罩，避免人身傷害。

3.信號線輸 出不得對地 ,對電源短路,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。

安裝

           使用環(huán)境

扭矩傳感器應安裝在環(huán)境溫度為0℃ ～ 60℃，相對濕度小于90%，無易燃、易爆品的環(huán)境里。不宜安裝在強電磁干擾的環(huán)境中。

安裝方式

3、連接方式： 扭矩傳感器與動力設備、負載設備之間的連接

（1）彈性柱銷聯(lián)軸器連接如圖13所示，此種連接方式結構簡單，加工容易，維護方便。能夠微量補償安裝誤差造成的軸的相對偏移，同時能起到輕微減振的作用。適用于中等載荷、起動頻繁的高低速運轉場合，工作溫度為-20-70℃。

（2）剛性聯(lián)軸器連接如圖14所示，這種連接形式結構簡單，成本低，無補償性能，不能緩沖減振，對兩軸的安裝精度較高。用于振動很小的工況條件。

4、安裝要求：

（1） 扭矩傳感器可水平安裝，也可垂直安裝。

（2） 如圖11、12所示，動力設備、傳感器、負載設備應安裝在穩(wěn)固的基礎上，以避免過大的震動，否則可能發(fā)生數(shù)據(jù)不穩(wěn)，降低測量精度，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） 動力設備、傳感器、負載設備軸線的同心度應小于Φ0.05mm