扭矩傳感器原理及應(yīng)用

高德亮，范振華

中石油蘭州石化公司設(shè)備維修公司，甘肅 蘭州 730060

1 概述

扭矩又叫轉(zhuǎn)矩，是反映轉(zhuǎn)動設(shè)備輸出力的大小的重要參數(shù)。扭矩在物理學(xué)中用下面的公式計算。

其中：P表示轉(zhuǎn)動設(shè)備的輸出功率，單位千瓦（kW）；M 表示轉(zhuǎn)動設(shè)備的輸出扭矩，單位牛米（N·m）；N表示轉(zhuǎn)動設(shè)備的轉(zhuǎn)速，單位轉(zhuǎn)/分鐘（r/min）。

從公式（1）可以看出，扭矩是一個與功率和轉(zhuǎn)速相關(guān)的物理量，它反映了轉(zhuǎn)動設(shè)備輸出功率和轉(zhuǎn)速的比值關(guān)系。如果知道了轉(zhuǎn)動設(shè)備的輸出功率和轉(zhuǎn)動速度，就可以利用公式1計算出轉(zhuǎn)動設(shè)備的扭矩。但實(shí)際生產(chǎn)中，功率的測量是不容易的，而扭矩可以利用較簡單的裝置把扭矩轉(zhuǎn)化為力和磁的測量，對于力和磁這兩個物理量的檢測，我們有許多成熟工具，這樣扭矩的測量就變得相對簡單了。

2 電阻應(yīng)變式扭矩傳感器的原理

我們知道，在通常情況下，當(dāng)金屬受外力作用時它的電阻值會發(fā)生變化，其變化大小可以依據(jù)虎克定律求得，這就是金屬應(yīng)變原理。電阻應(yīng)變式扭矩傳感器，就是利用應(yīng)變原理制成的。它的結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。

圖1 扭矩傳感器結(jié)構(gòu)圖

扭矩傳感器利用高檔箔式應(yīng)變片組成了電橋，在力的作用下電阻值增加或減小，當(dāng)輸入端加上直流電壓后，輸出端就可以得到隨所施力大小而改變的電壓信號。再經(jīng)過信號處理計算，我們就能知道扭矩的大小了。

3 扭矩傳感器應(yīng)用和調(diào)試

扭矩大小是發(fā)動機(jī)臺架實(shí)驗(yàn)的重要參數(shù)之一?！翱ㄌ仄だ?G2”發(fā)動機(jī)臺架應(yīng)用的就是上面介紹的電阻應(yīng)變式傳感器，以此為例分析扭矩信號集散電路原理和扭矩傳感器的調(diào)試。

3.1 扭矩信號集散電路原理

圖2中T2、T4分別接±5V電源給扭矩傳感器提供激勵電壓。T3接傳感器的信號輸出端，以IC7650高穩(wěn)定的自穩(wěn)零放大器為核心組成信號放大電路，再經(jīng)過LM348進(jìn)行放大處理，輸出信號給計算機(jī)。

圖2 扭矩信號集散電路

3.2 扭矩傳感器的調(diào)試

扭矩傳感器的調(diào)試包括零點(diǎn)滿度的標(biāo)定和靜校。

當(dāng)進(jìn)行零點(diǎn)標(biāo)定時，測功機(jī)裝好校正臂和校正盤，不放砝碼，調(diào)節(jié)扭矩信號集散板上的電位器RW2及RW5，使端子輸出電壓為OV；再加滿砝碼，調(diào)節(jié)電位器RW3和RW4，使端子輸出電壓后9.8V。

當(dāng)零點(diǎn)和滿度標(biāo)定好以后，就可以進(jìn)行靜校。校驗(yàn)的方法很簡單，就是往校正盤中逐次放入適當(dāng)砝碼，然后根據(jù)公式（2）：

其中Me是標(biāo)準(zhǔn)力矩，G是砝碼質(zhì)量，g是當(dāng)?shù)刂亓铀俣龋琇是校正臂的長度。

計算出的標(biāo)準(zhǔn)力矩與計算機(jī)顯示力矩上比較，就可以完成校驗(yàn)。

4 扭矩傳感器的故障與維修

“卡特皮勒1G2”發(fā)動機(jī)臺架所使用的扭矩傳感器內(nèi)部接線為電橋型，可以通過萬用表測量其橋臂間的電阻來辨別好壞。參考圖1，正常時R1和R3，R2和R4的電阻值應(yīng)一樣，如果阻值不一樣，說明橋臂平衡已被破壞，傳感器不能使用。根據(jù)使用和維修經(jīng)驗(yàn)看，扭矩傳感器自身發(fā)生故障的機(jī)率很小。通常，在激勵電壓正常和正確安裝傳感器后，故障多發(fā)生在外圍電路中，總結(jié)如表1所示：

表1 扭矩傳感器故障與維修

5 磁電感應(yīng)式扭矩傳感器

除了電阻應(yīng)變式扭矩傳感器，還有一種較特殊的扭矩傳感器，就是磁電感應(yīng)式扭矩傳感器，它電定子、轉(zhuǎn)子、傳感器軸和輔助電路組成。轉(zhuǎn)子包括線圈固定在傳感器軸上，定子永久磁鐵固定在傳感器外殼上，定、轉(zhuǎn)子上都有相等的齒和槽。

測量扭矩時，用兩個完全相同的傳感器，它們的轉(zhuǎn)子分別固定在被測軸的兩端，而定子用支架固定。一個傳感器的定子齒和轉(zhuǎn)子齒相對，另一個則定子槽和轉(zhuǎn)子槽相對。當(dāng)轉(zhuǎn)軸以一定角速度旋轉(zhuǎn)時，則在兩個傳感器輸出線組內(nèi)感應(yīng)出電勢大小相等，頻率相同，相位差180°的近似正弦波，而當(dāng)被測軸受扭矩時，兩個繞組內(nèi)感應(yīng)電熱相位差將不再是180°，而是扭轉(zhuǎn)角與定（轉(zhuǎn)）子齒數(shù)的積。在彈性限度內(nèi)，材料扭矩與扭轉(zhuǎn)角成正比，因此，測出扭轉(zhuǎn)角也就得到了扭矩的值。這種扭矩傳感器反應(yīng)較電阻應(yīng)變式傳感器反應(yīng)靈敏，但抗干擾能力較弱，對應(yīng)用場所的電磁強(qiáng)度有較高要求。

6 結(jié)論

在發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)中，大部分測功機(jī)的扭矩測量都像“卡特皮勒1G2”發(fā)動機(jī)臺架一樣，利用固定在定子上的平衡臂將扭矩變?yōu)槔瓑毫Φ臏y量。這時扭矩傳感器嚴(yán)格地說應(yīng)該叫拉壓傳感器。當(dāng)然，在發(fā)動機(jī)試驗(yàn)臺架中也有進(jìn)行純扭矩測量的，如CL-100齒輪油試驗(yàn)機(jī)使用的扭矩傳感器。它的工作原理與電阻應(yīng)變式扭矩傳感器一樣，只是傳感器外形不是傳統(tǒng)的橋形，而是圓柱形，四個電阻應(yīng)變片是貼在轉(zhuǎn)軸上使用的，輸出信號是頻率信號。

[1]葛偉亮.自動控制元件[M].北京理工大學(xué)出版社，2007.