扭矩傳感器

扭矩傳感器的寫法

扭矩傳感器介紹

扭矩傳感器在旋轉(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扭矩傳感器輪，在齒輪的外側(cè)各安裝著一只接近(磁或光)傳感器。當(dāng)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(jì)算出彈性軸所承受的扭矩量。該方法的優(yōu)點(diǎn)：實(shí)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(diǎn)：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。（扭矩測試比較成熟的檢測手段為應(yīng)變電測技術(shù)。它具有精度高，頻響快，可靠性好，壽命長等優(yōu)點(diǎn)。

特點(diǎn)

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(qiáng);

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(fù)調(diào)零即可連續(xù)測量正反轉(zhuǎn)扭矩;

6.沒有導(dǎo)電環(huán)等磨損件，可以高轉(zhuǎn)速長時間運(yùn)行；

7．傳感器輸出高電平頻率信號可直接送計(jì)算機(jī)處理；

8．測量彈性體強(qiáng)度大可承受100[%]的過載

靜態(tài)

ZRN501靜態(tài)扭矩傳感器中的這個靜態(tài)是指傳感器的測量彈性體不參與相對運(yùn)動。從受力理解，這類測試是測試彈性體相對受的反作用力。常見的是一端固定，另一端受力的軸。也有某些特殊的設(shè)計(jì)能夠以靜態(tài)的方式測量動態(tài)的扭矩，比如測試電機(jī)扭矩的扭矩臺，電機(jī)固定在一個臺架上，電機(jī)運(yùn)行中對臺架產(chǎn)生的反作用力被檢測并還原為扭矩。ZRN501靜態(tài)扭矩傳感器根據(jù)電阻應(yīng)變原理把扭轉(zhuǎn)力矩產(chǎn)生的應(yīng)變轉(zhuǎn)換成與其成線性關(guān)系的電信號，該系列產(chǎn)品制造工藝成熟，品種齊全，量程范圍廣，精度高，性能穩(wěn)定可靠ZRN501系列靜止扭矩傳感器、變送器被廣泛應(yīng)用于試驗(yàn)機(jī)、靜止扭矩檢測等測試系統(tǒng)中，由于出色的穩(wěn)定性、較高的測量精度和極高的性價比而受到用戶的贊譽(yù)。技術(shù)參數(shù)：1.測量范圍：0---100000N.m可選2.連接方式：單鍵、雙鍵、法蘭、及其它按客戶要求非標(biāo)定做3.外型尺寸：參見下列表格4.測量不確定度0.5[%]FS、0.3[%]FS、0.1[%]FS可選5.適應(yīng)環(huán)境溫度-20~60℃6.過載能力：120[%]、150[%]、200[%]可選7.相對濕度：≤90[%]RH8.防護(hù)等級：IP68電氣指標(biāo):1.頻率響應(yīng)100μs2.絕緣強(qiáng)度：200MΩ（100V）3.供電：15-24VDC電流≥50mA4.輸出信號：電流4-20mA,電壓1-5V,頻率方波10KHz/±5KHz可選5.傳感器內(nèi)阻：350歐姆、700歐姆、1000歐姆6.負(fù)載能力：<1k

應(yīng)用

扭矩傳感器是一種測量各種扭矩、轉(zhuǎn)速及機(jī)械功率的精密測量儀器。應(yīng)用范圍十分廣泛，主要用于：

1、電動機(jī)、發(fā)動機(jī)、內(nèi)燃機(jī)等旋轉(zhuǎn)動力設(shè)備輸出扭矩及功率的檢測；

2、風(fēng)機(jī)、水泵、齒輪箱、扭力板手的扭矩及功率的檢測；

3、鐵路機(jī)車、汽車、拖拉機(jī)、飛機(jī)、船舶、礦山機(jī)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(jì)；

6、可用于過程工業(yè)和流程工業(yè)中；

7、可以應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室，測試部門以及生產(chǎn)監(jiān)控和質(zhì)量控制。

工作過程

將專用的測扭應(yīng)變片用應(yīng)變膠粘貼在被測彈性軸上并組成應(yīng)變橋,向應(yīng)變橋提供電源即可測得該彈性軸受扭的電信號。將該應(yīng)變信號放大后，經(jīng)過壓/頻轉(zhuǎn)換，變成與扭應(yīng)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(dān)的。因此實(shí)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(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±5V的直流電源，該電源做運(yùn)算放大器AD822的工作電源；由基準(zhǔn)電源AD589與雙運(yùn)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(dāng)彈性軸受扭時，應(yīng)變橋檢測得到的mV級的應(yīng)變信號通過儀表放大器AD620放大成1.5v±1v的強(qiáng)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(jì)顯示也可直接送計(jì)算機(jī)處理。由于該旋轉(zhuǎn)變壓器動--靜環(huán)之間只有零點(diǎn)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(qiáng)的抗干擾能力。

傳感器輸出的頻率信號在零點(diǎn)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(dá)±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(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

數(shù)字式技術(shù)性能及應(yīng)用

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(dāng)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(jì)算出彈性軸所承受的扭矩量。該方法的優(yōu)點(diǎn)：實(shí)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(diǎn)：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(yīng)變電測技術(shù)。它具有精度高，頻響快，可靠性好，壽命長等優(yōu)點(diǎn)。將專用的測扭應(yīng)變片用應(yīng)變膠粘貼在被測彈性軸上，并組成應(yīng)變橋，若向應(yīng)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(yīng)變橋的橋壓輸入及檢測到的應(yīng)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(yīng)變信號在旋轉(zhuǎn)軸上放大并進(jìn)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(yīng)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(xiàng)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(diǎn)并克服了其缺陷,在應(yīng)變傳感器的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了兩組旋轉(zhuǎn)變壓器,實(shí)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(guān)，與轉(zhuǎn)速大小無關(guān)，與旋轉(zhuǎn)方向無關(guān)。二特點(diǎn)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(qiáng);

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(fù)調(diào)零即可連續(xù)測量正反轉(zhuǎn)扭矩;6.沒有導(dǎo)電環(huán)等磨損件，可以高轉(zhuǎn)速長時間運(yùn)行；7．傳感器輸出高電平頻率信號可直接送計(jì)算機(jī)處理；8．測量彈性體強(qiáng)度大可承受100[%]的過載。三測量原理將專用的測扭應(yīng)變片用應(yīng)變膠粘貼在被測彈性軸上并組成應(yīng)變橋,向應(yīng)變橋提供電源即可測得該彈性軸受扭的電信號。將該應(yīng)變信號放大后，經(jīng)過壓/頻轉(zhuǎn)換，變成與扭應(yīng)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(dān)的,因此實(shí)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(yīng)片并組成變橋，即為基礎(chǔ)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±５V的直流電源，該電源做運(yùn)算放大器AD822的工作電源；由基準(zhǔn)電源AD589與雙運(yùn)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(dāng)彈性軸受扭時，應(yīng)變橋檢測得到的mV級的應(yīng)變信號通過儀表放大器AD620放大成1.5v±1v的強(qiáng)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(jì)顯示也可直接送計(jì)算機(jī)處理。由于該旋轉(zhuǎn)變壓器動--靜環(huán)之間只有零點(diǎn)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(qiáng)的抗干擾能力。本傳感器輸出的頻率信號在零點(diǎn)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(dá)±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(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。六應(yīng)用范圍1.檢測發(fā)電機(jī)，電動機(jī)，內(nèi)燃機(jī)等旋轉(zhuǎn)動力設(shè)備輸出扭矩及功率。2.檢測減速機(jī)，風(fēng)機(jī)，泵，攪拌機(jī)，卷揚(yáng)機(jī)，螺旋槳，鉆探機(jī)械等設(shè)備的負(fù)載扭矩及輸入功率。3.檢測各種機(jī)械加工中心，自動機(jī)床的工作過程中的扭矩4.各種旋轉(zhuǎn)動力設(shè)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(jì)，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(fù)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(fù)載設(shè)備必須固定可靠避免振動。4.將本傳感器的基座與設(shè)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(dān)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(jìn)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)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(shè)計(jì)了智能轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測量儀與計(jì)算機(jī)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(shè)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。

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。

·扭矩傳感器的標(biāo)準(zhǔn)信號輸出是頻率信號，即5-15KHz；為了適應(yīng)客戶需求，無需外置模塊，與原始輸出電路整合設(shè)計(jì)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(jì)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(jī)二次儀表，直接顯示實(shí)時扭矩值、轉(zhuǎn)速及輸出功率值及RS232通訊信號。

·直接將扭矩與轉(zhuǎn)速的頻率信號送給計(jì)算機(jī)或PLD進(jìn)行處理。

維護(hù)與保養(yǎng)

1.定期應(yīng)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(yīng)儲存在干燥、無腐蝕、室溫為-20℃——70℃的環(huán)境里。

注意事項(xiàng)

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(yīng)擰緊,聯(lián)軸器的外面應(yīng)加防護(hù)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。

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(yīng)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(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展；

2、從單功能向多功能發(fā)展，包括自補(bǔ)償、自修正、自適應(yīng)、自診斷、遠(yuǎn)程設(shè)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(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)和優(yōu)化來實(shí)現(xiàn)小型化，IC部分可以整合盡可能多的半導(dǎo)體部件、電阻到一個單獨(dú)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。