數(shù)字式扭矩傳感器技術性能及應用
摘 要：本文介紹了數(shù)字式扭矩傳感器原理結(jié)構(gòu)，該方式利用兩組環(huán)形變壓器非接觸地傳遞能源及信號，克服了集流環(huán)及無線電遙測
的一系列問題 ,本傳感器體積小便于安裝，精度高、抗干擾性強.已取得五項國家專利.
Compress: This article introduces theory and frame of digital moment of force sensor. This mode untouched passes ener
gy sources and signal with two group of annular transformer .It conquers a series of problems about circle current and
wireless remote sensing. This sensors volume is small and easy to install. Its performance against disturbance is bet
ter and precision is higher. It has already achieved fiveitem 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
在旋轉(zhuǎn)動力系統(tǒng)中最頻繁涉及到的參數(shù):旋轉(zhuǎn)扭矩,為了檢測旋轉(zhuǎn)扭矩傳統(tǒng)使用較多的是扭轉(zhuǎn)角相位差式傳感器，該方法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。當彈性軸旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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。（見圖一）
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。 (見圖二)但是在旋轉(zhuǎn)動力傳遞系統(tǒng)中，最棘手的問題是旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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。
圖一 扭轉(zhuǎn)角相位差式扭矩傳感器示意圖
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(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速及導電滑環(huán)的使用壽命。及由于接觸不可靠引起信號波動，因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(zhuǎn)軸上放大并進行V/F轉(zhuǎn)換成頻率信號，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。
圖二 基本的扭矩傳感器
旋轉(zhuǎn)軸上的能源供應是固定在旋轉(zhuǎn)軸上的電池。該方法即為遙測扭矩儀。 (見圖四)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(zhuǎn)軸上附加了結(jié)構(gòu)，易引起高轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)無關，與轉(zhuǎn)速大小無關，與旋轉(zhuǎn)方向無關。
[i二 特點
1. 既可以測量靜止扭矩，也可以測量旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩;
2..既可以測量靜態(tài)扭矩，也可以測量動態(tài)扭矩；
3. 檢測精度高，穩(wěn)定性好；抗干擾性強;
4. 體積小，重量輕，多種安裝結(jié)構(gòu)，易于安裝使用；
5. 不需反復調(diào)零即可連續(xù)測量正反轉(zhuǎn)扭矩;
6.沒有導電環(huán)等磨損件，可以高轉(zhuǎn)速長時間運行；
7．傳感器輸出高電平頻率信號可直接送計算機處理；
8．測量彈性體強度大可承受100%的過載。 mage]UploadImage/12006711144645.gif'>
三 測量原理
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(jīng)過壓/頻轉(zhuǎn)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。(虛線內(nèi)為旋轉(zhuǎn)部分)
圖五 數(shù)字式扭矩傳感器測量原理圖
四 傳感器原理結(jié)構(gòu) （見圖五）
在一段特制的彈性軸上粘貼上專用的測扭應片并組成變橋，即為基礎扭矩傳感器；在軸上固定著： (1)能源環(huán)形變壓器的次級線圈，(2)信號環(huán)形變壓器初級線圈，(3)軸上印刷電路板，電路板上包含整流穩(wěn)定電源、儀表放大電路、V/F變換電路及信號輸出電路。在傳感器的外殼上固定著
(1)激磁電路，(2)能源環(huán)形變壓器的初級線圈(輸入)，(3) 信號環(huán)形變壓器次級線圈(輸出)，(4)信號處理電路
五 工作過程
向傳感器提供 ± 15V電源，激磁電路中的晶體振蕩器產(chǎn)生４００Hz的方波，經(jīng)過TDA2030功率放大器即產(chǎn)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(zhuǎn)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(chǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換器LM131變換成頻率信號，通過信號環(huán)形變壓器T2從旋轉(zhuǎn)的初級線圈傳遞至靜止次級線圈，再經(jīng)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(zhuǎn)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(nèi)，形成有效的屏蔽，因此具有很強的抗干擾能力。
本傳感器輸出的頻率信號在零點時為 10kHz.正向旋轉(zhuǎn)滿量程時為15KHz.反向旋轉(zhuǎn)滿量程時為5KHz。即滿量程變量為5000個數(shù)/每秒。轉(zhuǎn)速測量采用光電齒輪或者磁電齒輪的測量方法，軸每旋轉(zhuǎn)一周可產(chǎn)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(zhuǎn)換即可直接送至計算機進行數(shù)據(jù)處理。
六 應用范圍
1. 檢測發(fā)電機，電動機 ，內(nèi)燃機等旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速，軸向力。
6. 可用于制造粘度計，電動(氣動，液力)扭力扳手。
七 安裝使用
1.使用兩組聯(lián)軸器，將傳感器安裝在動力源和負載之間。
圖六
2.建議用撓性、彈性或萬向節(jié)聯(lián)軸器，以保證同心度 ∠ 0.1mm以下。
3.動力及負載設備必須固定可靠避免振動。
4.將本傳感器的基座與設備的基座固定可靠，中心高須墊合適避免產(chǎn)生彎矩 。
八 多種安裝方式
本傳感器經(jīng)過五年的批量試產(chǎn)，廣泛受到用戶的好評。本傳感器屬貫通形安裝方法，一般需要通過聯(lián)軸器安裝，為了便于在特殊要求的條件下使用，本傳感器還有七種變形結(jié)構(gòu)：
1.如果要求傳動系統(tǒng)的軸向不因安裝了傳感器而加長，則可使用智能聯(lián)軸器--既可以檢測扭矩，又可以承擔聯(lián)軸器的功能。也就是一種帶檢測功能的聯(lián)軸器。
2.被測傳動系統(tǒng)不允許加長但可以拆卸時，則可以使用套裝式扭矩傳感器--套在被測軸上即可測試。
3.被測傳動系統(tǒng)既不允許加長又不可以拆卸時，則可以使用在現(xiàn)場組裝的卡裝式扭矩傳感器。從軸的兩側(cè)卡在軸上即可進行測試。即可長期監(jiān)測也可短期檢測。與電流鉗形表相似。
4．有的測試系統(tǒng)既有扭力又有軸向力時則可以使用轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速軸向力三參數(shù)傳感器；既可以避免軸向力對扭力測試的干擾又可以測量軸向力的信號；
5．在高轉(zhuǎn)速或超高轉(zhuǎn)速下測試時可以使用無軸承式轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器；
6．如果被測系統(tǒng)為不旋轉(zhuǎn)狀態(tài)時可以使用扭矩傳感變送器；
7．如果被測系統(tǒng)最大值在5mN · m至1N · m時可以使用小量程轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器
這幾種傳感器的結(jié)構(gòu)及使用方法將陸續(xù)介紹。
九 智能轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測量儀
為了更方便的使用本系列扭矩傳感器特配合設計了智能轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測量儀與計算機虛擬儀器，該兩種儀器可以直接顯示出正在測量的轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速，功率值的數(shù)值及曲線，也可以設定轉(zhuǎn)矩的限定值，超值報警，還可以保存本次測量的轉(zhuǎn)矩峰值及曲線，并且可以打印出上述各參數(shù)及曲線圖。
十 參考文獻
1.劉宗杰等：單片機8031構(gòu)成的智能轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩測量儀
2.翁桂榮等：微型遙測扭矩儀
3.葛德震：V/F轉(zhuǎn)換器LM131的應用
4.張有頤：轉(zhuǎn)矩測量技術
的一系列問題 ,本傳感器體積小便于安裝，精度高、抗干擾性強.已取得五項國家專利.
Compress: This article introduces theory and frame of digital moment of force sensor. This mode untouched passes ener
gy sources and signal with two group of annular transformer .It conquers a series of problems about circle current and
wireless remote sensing. This sensors volume is small and easy to install. Its performance against disturbance is bet
ter and precision is higher. It has already achieved fiveitem 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
在旋轉(zhuǎn)動力系統(tǒng)中最頻繁涉及到的參數(shù):旋轉(zhuǎn)扭矩,為了檢測旋轉(zhuǎn)扭矩傳統(tǒng)使用較多的是扭轉(zhuǎn)角相位差式傳感器，該方法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。當彈性軸旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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。（見圖一）
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。 (見圖二)但是在旋轉(zhuǎn)動力傳遞系統(tǒng)中，最棘手的問題是旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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。
圖一 扭轉(zhuǎn)角相位差式扭矩傳感器示意圖
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(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速及導電滑環(huán)的使用壽命。及由于接觸不可靠引起信號波動，因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(zhuǎn)軸上放大并進行V/F轉(zhuǎn)換成頻率信號，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。
圖二 基本的扭矩傳感器
旋轉(zhuǎn)軸上的能源供應是固定在旋轉(zhuǎn)軸上的電池。該方法即為遙測扭矩儀。 (見圖四)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(zhuǎn)軸上附加了結(jié)構(gòu)，易引起高轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)無關，與轉(zhuǎn)速大小無關，與旋轉(zhuǎn)方向無關。
[i二 特點
1. 既可以測量靜止扭矩，也可以測量旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩;
2..既可以測量靜態(tài)扭矩，也可以測量動態(tài)扭矩；
3. 檢測精度高，穩(wěn)定性好；抗干擾性強;
4. 體積小，重量輕，多種安裝結(jié)構(gòu)，易于安裝使用；
5. 不需反復調(diào)零即可連續(xù)測量正反轉(zhuǎn)扭矩;
6.沒有導電環(huán)等磨損件，可以高轉(zhuǎn)速長時間運行；
7．傳感器輸出高電平頻率信號可直接送計算機處理；
8．測量彈性體強度大可承受100%的過載。 mage]UploadImage/12006711144645.gif'>
三 測量原理
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(jīng)過壓/頻轉(zhuǎn)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。(虛線內(nèi)為旋轉(zhuǎn)部分)
圖五 數(shù)字式扭矩傳感器測量原理圖
四 傳感器原理結(jié)構(gòu) （見圖五）
在一段特制的彈性軸上粘貼上專用的測扭應片并組成變橋，即為基礎扭矩傳感器；在軸上固定著： (1)能源環(huán)形變壓器的次級線圈，(2)信號環(huán)形變壓器初級線圈，(3)軸上印刷電路板，電路板上包含整流穩(wěn)定電源、儀表放大電路、V/F變換電路及信號輸出電路。在傳感器的外殼上固定著
(1)激磁電路，(2)能源環(huán)形變壓器的初級線圈(輸入)，(3) 信號環(huán)形變壓器次級線圈(輸出)，(4)信號處理電路
五 工作過程
向傳感器提供 ± 15V電源，激磁電路中的晶體振蕩器產(chǎn)生４００Hz的方波，經(jīng)過TDA2030功率放大器即產(chǎn)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(zhuǎn)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(chǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換器LM131變換成頻率信號，通過信號環(huán)形變壓器T2從旋轉(zhuǎn)的初級線圈傳遞至靜止次級線圈，再經(jīng)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(zhuǎn)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(nèi)，形成有效的屏蔽，因此具有很強的抗干擾能力。
本傳感器輸出的頻率信號在零點時為 10kHz.正向旋轉(zhuǎn)滿量程時為15KHz.反向旋轉(zhuǎn)滿量程時為5KHz。即滿量程變量為5000個數(shù)/每秒。轉(zhuǎn)速測量采用光電齒輪或者磁電齒輪的測量方法，軸每旋轉(zhuǎn)一周可產(chǎn)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(zhuǎn)換即可直接送至計算機進行數(shù)據(jù)處理。
六 應用范圍
1. 檢測發(fā)電機，電動機 ，內(nèi)燃機等旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速，軸向力。
6. 可用于制造粘度計，電動(氣動，液力)扭力扳手。
七 安裝使用
1.使用兩組聯(lián)軸器，將傳感器安裝在動力源和負載之間。
圖六
2.建議用撓性、彈性或萬向節(jié)聯(lián)軸器，以保證同心度 ∠ 0.1mm以下。
3.動力及負載設備必須固定可靠避免振動。
4.將本傳感器的基座與設備的基座固定可靠，中心高須墊合適避免產(chǎn)生彎矩 。
八 多種安裝方式
本傳感器經(jīng)過五年的批量試產(chǎn)，廣泛受到用戶的好評。本傳感器屬貫通形安裝方法，一般需要通過聯(lián)軸器安裝，為了便于在特殊要求的條件下使用，本傳感器還有七種變形結(jié)構(gòu)：
1.如果要求傳動系統(tǒng)的軸向不因安裝了傳感器而加長，則可使用智能聯(lián)軸器--既可以檢測扭矩，又可以承擔聯(lián)軸器的功能。也就是一種帶檢測功能的聯(lián)軸器。
2.被測傳動系統(tǒng)不允許加長但可以拆卸時，則可以使用套裝式扭矩傳感器--套在被測軸上即可測試。
3.被測傳動系統(tǒng)既不允許加長又不可以拆卸時，則可以使用在現(xiàn)場組裝的卡裝式扭矩傳感器。從軸的兩側(cè)卡在軸上即可進行測試。即可長期監(jiān)測也可短期檢測。與電流鉗形表相似。
4．有的測試系統(tǒng)既有扭力又有軸向力時則可以使用轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速軸向力三參數(shù)傳感器；既可以避免軸向力對扭力測試的干擾又可以測量軸向力的信號；
5．在高轉(zhuǎn)速或超高轉(zhuǎn)速下測試時可以使用無軸承式轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器；
6．如果被測系統(tǒng)為不旋轉(zhuǎn)狀態(tài)時可以使用扭矩傳感變送器；
7．如果被測系統(tǒng)最大值在5mN · m至1N · m時可以使用小量程轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器
這幾種傳感器的結(jié)構(gòu)及使用方法將陸續(xù)介紹。
九 智能轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測量儀
為了更方便的使用本系列扭矩傳感器特配合設計了智能轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測量儀與計算機虛擬儀器，該兩種儀器可以直接顯示出正在測量的轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速，功率值的數(shù)值及曲線，也可以設定轉(zhuǎn)矩的限定值，超值報警，還可以保存本次測量的轉(zhuǎn)矩峰值及曲線，并且可以打印出上述各參數(shù)及曲線圖。
十 參考文獻
1.劉宗杰等：單片機8031構(gòu)成的智能轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩測量儀
2.翁桂榮等：微型遙測扭矩儀
3.葛德震：V/F轉(zhuǎn)換器LM131的應用
4.張有頤：轉(zhuǎn)矩測量技術
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