機械傳動試驗臺的轉矩傳感器

劉杰　黃文峰　俞航

摘要：本文先對機械傳動試驗臺的結構進行簡單分析，針對其結構特點，再對各種轉矩傳感器進行詳細分析，分析其在該試驗臺測試機械傳動性能時的使用性及特點。

關鍵詞：轉矩傳感器；機械傳動；試驗臺；傳動性能

機械傳動在機械工程中應用非常廣泛，對其研究具有重要意義，而衡量機械傳動性能的有轉速、轉矩、功率、效率等參數。 這些參數之間又存在者相互關系，所以大部分機械傳動試驗臺在測量機械傳動性能時，只需測量轉矩、轉速這兩個基本參數，其他參數則根據這兩個參數推導得出。本文主要研究在該裝置中測量轉矩的方法和相應的傳感器。

一般的機械傳動試驗臺的結構如圖1：

由圖1可知：該實驗臺主要由提供動力的驅動裝置、測量機械傳動性能的測量裝置、機械傳動機構組成的被測裝置，模擬負載的加載裝置等幾部分組成。這樣，轉矩矩傳感器被安置在傳動機構的兩側，分別測量輸入、輸出轉矩。一般是通過測量被測裝置兩端的傳動軸的扭矩來獲得的。根據各種傳感器的特點，這個傳動軸可以是直接連接到驅動裝置或加載裝置，也可以是經與測量裝置相連，再連入驅動裝置或加載裝置。后者一般通過聯軸器相連，這也屬于一種傳動機構，但聯軸器的傳動效率很高，在做常見的幾種傳動機構時一般可以忽略。如果是非常精密的傳動機構時，就要考慮這種影響或換傳感器。

轉矩測量按其基本原理分為三類：能量轉換法、平衡力法、傳遞法。能量轉化法根據能量轉化守恒定律，用其他量參數（如電能、熱能等）來測量轉矩，這種誤差大，只有在直接測量無法進行時才考慮此法，很少采用。平衡力法是利用當軸受到轉矩時，在他的機體上必定存在著方向相反的平衡力矩，通過測量機體上的力臂和力臂上的作用力得到，這種需要機體懸空，且僅可測量勻速工作情況的轉矩，不能測量動態(tài)轉矩。這兩種都不適合本試驗臺，傳遞法是根據彈性元件在傳遞轉矩時產生的物理參數（變形、應力和應變）的變化而測量轉矩的方法。這種方法應用廣泛，適合本實驗臺，主要介紹此類傳感器。此類傳感器按轉矩信號的產生方式可分為應變式、磁電式、電容式、光電式、振弦式、壓磁式及磁敏式等，下面分析這些傳感器。

應變式，在扭力軸的軸向 ±45°方向分別粘貼4個應變片，組成全橋電路的四個橋臂，當扭力軸受扭時 ， 應變片的電阻率發(fā)生變化，引起電壓變化，便可得到轉矩。

磁電式，在被測的扭力軸上相距一定距離的兩端處各安裝一個齒形轉輪（相差盤） ，靠近轉輪沿徑向各放置一個感應式脈沖發(fā)生器。當轉輪旋轉時，便在兩個脈沖發(fā)生器中產生正弦信號，而這兩個正弦信號的相位差與外加轉矩成正比，便可得到扭矩。

電容式，在旋轉軸上安裝一個無源諧振電路 ， 電路中的電感量或電容量隨作用在旋轉軸上的轉矩變化而改變，這將使電路中的諧振頻率改變 ，便可得到轉矩。

光電式：在扭力軸上相距一定的位置上安裝兩片圓盤形光柵，光線通過明暗條紋相錯的兩片光柵照射在光敏元件上，產生電信號。當軸受扭時，光柵會錯位，通過的光線越多，電信號越強，便可得到轉矩。

振弦式，在被測軸的兩個相鄰截面上分別安裝兩個套筒 ，其鋼弦的兩端分別固定在兩個套筒上 ， 當受扭變形時， 鋼弦產生振動，其振動頻率與轉矩成比例。便可得到轉矩。

壓磁式，在軸測正交放置雙“π”型磁芯，磁極上分別繞有兩組勵磁線圈和兩組測量線圈，交變電流通過勵磁線圈在軸表面建立磁場。當軸受扭后， 由于磁致伸縮逆效應，軸表面的磁場發(fā)生變化，其等效磁阻的變化使得測量線圈中產生與轉矩成比例的感應電勢， 便可得到轉矩。

磁敏式：在軸的一端相鄰位置安放兩個磁塊交替的相差盤，在相差盤中間放置由磁敏元件組成的磁頭，當受到扭時，磁敏元件所處的磁場發(fā)送變化，產生相應的電信號變化，便可得到轉矩。

除此之外，還有光纖式、無線聲表面波式、激光多普勒式等，這些還沒普及，有待實踐考驗。

上面介紹了各種應用廣泛的轉矩傳感器的工作原理，根據不同原理，其使用、安裝等各有特點。屬于非接觸測量的有磁電式、電容式、光電式、壓磁式等，可減少接觸磨損。應變式，結構簡單，測量精度高，但抗干擾能力較差，溫度、濕度和粘結劑都會影響精度，不適用高速轉軸測量，此類傳感器關鍵技術在于信號傳輸，比較成熟的有，集流環(huán)傳輸、電感成熟、無線傳輸，后兩種屬于非接觸式。磁電式，無源、測量精度高、抗干擾能力強，但動態(tài)特性不好，不適用高速轉動軸測量。電容式，原理簡單，不受轉速影響，但必須保證套筒同軸度，不適用轉軸尺寸過大的測量。光電式，相應速度快，可實時監(jiān)測，但結構復雜，靜標困難，抗干擾能力差，不適用用于剛啟動和低速轉軸測量。振弦式，可直接利用傳動軸作為扭軸，抗干擾性好，但結構復雜，精度較低，適用大型轉軸而不適用高速測量。壓磁式靈敏度高，抗干擾性好，但存在沿軸圓周分布的磁導率固有偏差，使其精度較低。磁敏式，測量精度較高，抗干擾、抗震動能力強，但結構復雜，對磁敏元件的靈敏度要求高。

本文對機械傳動試驗臺結構進行了分析，再對各種轉矩傳感器的工作原理和結構特點進行了分析，為在機械傳動試驗臺設計時，選擇合適的轉矩傳感器提供參考。

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作者簡介：劉杰（1992—），男，漢族，新疆烏魯木齊市人，工學學士，單位：成都理工大學機械工程及其自動化專業(yè)，研究方向：機械設計制造及自動化。