扭矩传感器

扭矩传感器的写法

扭矩传感器介绍

扭矩传感器在旋转动力系统中最频繁涉及到的参数，旋转扭矩,为了检测旋转扭矩传统使用较多的是扭转角相位差式传感器，该方法是在弹性轴的两端安装着两组齿数、形状及安装角度完全相同的齿扭矩传感器轮，在齿轮的外侧各安装着一只接近(磁或光)传感器。当弹性轴旋转时，这两组传感器就可以测量出两组脉冲波，比较这两组脉冲波的前后沿的相位差就可以计算出弹性轴所承受的扭矩量。该方法的优点：实现了转矩信号的非接触传递，检测信号为数字信号；缺点：体积较大，不易安装，低转速时由于脉冲波的前后沿较缓不易比较，因此低速性能不理想。（扭矩测试比较成熟的检测手段为应变电测技术。它具有精度高，频响快，可靠性好，寿命长等优点。

特点

1.既可以测量静止扭矩，也可以测量旋转转矩;

2.　既可以测量静态扭矩，也可以测量动态扭矩；

3.检测精度高，稳定性好；抗干扰性强;

4.体积小，重量轻，多种安装结构，易于安装使用；

5.不需反复调零即可连续测量正反转扭矩;

6.没有导电环等磨损件，可以高转速长时间运行；

7．传感器输出高电平频率信号可直接送计算机处理；

8．测量弹性体强度大可承受100[%]的过载

静态

ZRN501静态扭矩传感器中的这个静态是指传感器的测量弹性体不参与相对运动。从受力理解，这类测试是测试弹性体相对受的反作用力。常见的是一端固定，另一端受力的轴。也有某些特殊的设计能够以静态的方式测量动态的扭矩，比如测试电机扭矩的扭矩台，电机固定在一个台架上，电机运行中对台架产生的反作用力被检测并还原为扭矩。ZRN501静态扭矩传感器根据电阻应变原理把扭转力矩产生的应变转换成与其成线性关系的电信号，该系列产品制造工艺成熟，品种齐全，量程范围广，精度高，性能稳定可靠ZRN501系列静止扭矩传感器、变送器被广泛应用于试验机、静止扭矩检测等测试系统中，由于出色的稳定性、较高的测量精度和极高的性价比而受到用户的赞誉。技术参数：1.测量范围：0---100000N.m可选2.连接方式：单键、双键、法兰、及其它按客户要求非标定做3.外型尺寸：参见下列表格4.测量不确定度0.5[%]FS、0.3[%]FS、0.1[%]FS可选5.适应环境温度-20~60℃6.过载能力：120[%]、150[%]、200[%]可选7.相对湿度：≤90[%]RH8.防护等级：IP68电气指标:1.频率响应100μs2.绝缘强度：200MΩ（100V）3.供电：15-24VDC电流≥50mA4.输出信号：电流4-20mA,电压1-5V,频率方波10KHz/±5KHz可选5.传感器内阻：350欧姆、700欧姆、1000欧姆6.负载能力：<1k

应用

扭矩传感器是一种测量各种扭矩、转速及机械功率的精密测量仪器。应用范围十分广泛，主要用于：

1、电动机、发动机、内燃机等旋转动力设备输出扭矩及功率的检测；

2、风机、水泵、齿轮箱、扭力板手的扭矩及功率的检测；

3、铁路机车、汽车、拖拉机、飞机、船舶、矿山机械中的扭矩及功率的检测；

4、可用于污水处理系统中的扭矩及功率的检测；

5、可用于制造粘度计；

6、可用于过程工业和流程工业中；

7、可以应用于实验室，测试部门以及生产监控和质量控制。

工作过程

将专用的测扭应变片用应变胶粘贴在被测弹性轴上并组成应变桥,向应变桥提供电源即可测得该弹性轴受扭的电信号。将该应变信号放大后，经过压/频转换，变成与扭应变成正比的频率信号。本系统的能源输入及信号输出是由两组带间隙的特殊环型变压器承担的。因此实现了无接触的能源及信号传递功能。

向传感器提供±15V电源，激磁电路中的晶体振荡器产生400Hz的方波，经过TDA2030功率放大器即产生交流激磁功率电源，通过能源环形变压器T1从静止的初级线圈传递至旋转的次级线圈，得到的交流电源通过轴上的整流滤波电路得到±5V的直流电源，该电源做运算放大器AD822的工作电源；由基准电源AD589与双运放AD822组成的高精度稳压电源产生±4.5V的精密直流电源，该电源既作为电桥电源，又作为放大器及V/F转换器的工作电源。当弹性轴受扭时，应变桥检测得到的mV级的应变信号通过仪表放大器AD620放大成1.5v±1v的强信号，再通过V/F转换器LM131变换成频率信号，通过信号环形变压器T2从旋转的初级线圈传递至静止次级线圈，再经过传感器外壳上的信号处理电路滤波、整形即可得到与弹性轴承受的扭矩成正比的频率信号，该信号为TTL电平,既可提供给专用二次仪表或频率计显示也可直接送计算机处理。由于该旋转变压器动--静环之间只有零点几毫米的间隙，加之传感器轴上部分都密封在金属外壳之内，形成有效的屏蔽，因此具有很强的抗干扰能力。

传感器输出的频率信号在零点时为10kHz.正向旋转满量程时为15KHz.反向旋转满量程时为5KHz。即满量程变量为5000个数/每秒。转速测量采用光电齿轮或者磁电齿轮的测量方法，轴每旋转一周可产生60个脉冲，高速或中速采样时可以用测频的方法，低速采样时可以用测周期的方法。本传感器精度可达±0.2%～±0.5%（F·S）。由于传感器输出为频率信号，所以无需AD转换即可直接送至计算机进行数据处理。

数字式技术性能及应用

一前言在旋转动力系统中最频繁涉及到的参数:旋转扭矩,为了检测旋转扭矩传统使用较多的是扭转角相位差式传感器，该方法是在弹性轴的两端安装着两组齿数、形状及安装角度完全相同的齿轮，在齿轮的外侧各安装着一只接近(磁或光)传感器。当弹性轴旋转时，这两组传感器就可以测量出两组脉冲波，比较这两组脉冲波的前后沿的相位差就可以计算出弹性轴所承受的扭矩量。该方法的优点：实现了转矩信号的非接触传递，检测信号为数字信号；缺点：体积较大，不易安装，低转速时由于脉冲波的前后沿较缓不易比较，因此低速性能不理想。（见图一）

扭矩测试比较成熟的检测手段为应变电测技术。它具有精度高，频响快，可靠性好，寿命长等优点。将专用的测扭应变片用应变胶粘贴在被测弹性轴上，并组成应变桥，若向应变桥提供工作电源即可测试该弹性轴受扭的电信号。这就是基本的扭矩传感器模式。(见图二)但是在旋转动力传递系统中，最棘手的问题是旋转体上的应变桥的桥压输入及检测到的应变信号输出如何可靠地在旋转部分与静止部分之间传递，通常的做法是用导电滑环来完成。

图一扭转角相位差式扭矩传感器示意图

由于导电滑环属于磨擦接触，因此不可避免地存在着磨损并发热，因而限制了旋转轴的转速及导电滑环的使用寿命。及由于接触不可靠引起信号波动，因而造成测量误差大甚至测量不成功。为了克服导电滑环的缺陷，另一个办法就是采用无线电遥测的方法:将扭矩应变信号在旋转轴上放大并进行V/F转换成频率信号，通过载波调制用无线电发射的方法从旋转轴上发射至轴外，再用无线电接收的方法，就可以得到旋转轴受扭的信号。

图二基本的扭矩传感器

旋转轴上的能源供应是固定在旋转轴上的电池。该方法即为遥测扭矩仪。(见图四)遥测扭矩仪成功之处在于克服了电滑环的两项缺陷，但也存在着三个不足之处，其一：易受使用现场电磁波的干扰；其二：由于是电池供电，所以只能短期使用。其三：由于在旋转轴上附加了结构，易引起高转速时的动平衡问题。在小量程及小直径轴时更突出。数字式扭矩传感器吸取了上述各种方法的优点并克服了其缺陷,在应变传感器的基础上设计了两组旋转变压器,实现了能源及信号的非接触传递。并做到了扭矩信号的传递与是否旋转无关，与转速大小无关，与旋转方向无关。二特点1.既可以测量静止扭矩，也可以测量旋转转矩;2..既可以测量静态扭矩，也可以测量动态扭矩；

3.检测精度高，稳定性好；抗干扰性强;

4.体积小，重量轻，多种安装结构，易于安装使用；5.不需反复调零即可连续测量正反转扭矩;6.没有导电环等磨损件，可以高转速长时间运行；7．传感器输出高电平频率信号可直接送计算机处理；8．测量弹性体强度大可承受100[%]的过载。三测量原理将专用的测扭应变片用应变胶粘贴在被测弹性轴上并组成应变桥,向应变桥提供电源即可测得该弹性轴受扭的电信号。将该应变信号放大后，经过压/频转换，变成与扭应变成正比的频率信号。本系统的能源输入及信号输出是由两组带间隙的特殊环型变压器承担的,因此实现了无接触的能源及信号传递功能。(虚线内为旋转部分)

图五数字式扭矩传感器测量原理图

四传感器原理结构（见图五）在一段特制的弹性轴上粘贴上专用的测扭应片并组成变桥，即为基础扭矩传感器；在轴上固定着：(1)能源环形变压器的次级线圈，(2)信号环形变压器初级线圈，(3)轴上印刷电路板，电路板上包含整流稳定电源、仪表放大电路、V/F变换电路及信号输出电路。在传感器的外壳上固定着

(1)激磁电路，(2)能源环形变压器的初级线圈(输入)，(3)信号环形变压器次级线圈(输出)，(4)信号处理电路五工作过程向传感器提供±15V电源，激磁电路中的晶体振荡器产生４００Hz的方波，经过TDA2030功率放大器即产生交流激磁功率电源，通过能源环形变压器T1从静止的初级线圈传递至旋转的次级线圈，得到的交流电源通过轴上的整流滤波电路得到±５V的直流电源，该电源做运算放大器AD822的工作电源；由基准电源AD589与双运放AD822组成的高精度稳压电源产生±4.5V的精密直流电源，该电源既作为电桥电源，又作为放大器及V/F转换器的工作电源。当弹性轴受扭时，应变桥检测得到的mV级的应变信号通过仪表放大器AD620放大成1.5v±1v的强信号，再通过V/F转换器LM131变换成频率信号，通过信号环形变压器T2从旋转的初级线圈传递至静止次级线圈，再经过传感器外壳上的信号处理电路滤波、整形即可得到与弹性轴承受的扭矩成正比的频率信号，该信号为TTL电平,既可提供给专用二次仪表或频率计显示也可直接送计算机处理。由于该旋转变压器动--静环之间只有零点几毫米的间隙，加之传感器轴上部分都密封在金属外壳之内，形成有效的屏蔽，因此具有很强的抗干扰能力。本传感器输出的频率信号在零点时为10kHz.正向旋转满量程时为15KHz.反向旋转满量程时为5KHz。即满量程变量为5000个数/每秒。转速测量采用光电齿轮或者磁电齿轮的测量方法，轴每旋转一周可产生60个脉冲，高速或中速采样时可以用测频的方法，低速采样时可以用测周期的方法。本传感器精度可达±0.2[%]～±0.5[%]（F·S）。由于传感器输出为频率信号，所以无需AD转换即可直接送至计算机进行数据处理。六应用范围1.检测发电机，电动机，内燃机等旋转动力设备输出扭矩及功率。2.检测减速机，风机，泵，搅拌机，卷扬机，螺旋桨，钻探机械等设备的负载扭矩及输入功率。3.检测各种机械加工中心，自动机床的工作过程中的扭矩4.各种旋转动力设备系统所传递的扭矩及效率；5.检测扭矩的同时可以检测转速，轴向力。6.可用于制造粘度计，电动(气动，液力)扭力扳手。七安装使用1.使用两组联轴器，将传感器安装在动力源和负载之间。

图六

2.建议用挠性、弹性或万向节联轴器，以保证同心度∠0.1mm以下。3.动力及负载设备必须固定可靠避免振动。4.将本传感器的基座与设备的基座固定可靠，中心高须垫合适避免产生弯矩。八多种安装方式本传感器经过五年的批量试产，广泛受到用户的好评。本传感器属贯通形安装方法，一般需要通过联轴器安装，为了便于在特殊要求的条件下使用，本传感器还有七种变形结构：1.如果要求传动系统的轴向不因安装了传感器而加长，则可使用智能联轴器--既可以检测扭矩，又可以承担联轴器的功能。也就是一种带检测功能的联轴器。2.被测传动系统不允许加长但可以拆卸时，则可以使用套装式扭矩传感器--套在被测轴上即可测试。3.被测传动系统既不允许加长又不可以拆卸时，则可以使用在现场组装的卡装式扭矩传感器。从轴的两侧卡在轴上即可进行测试。即可长期监测也可短期检测。与电流钳形表相似。4．有的测试系统既有扭力又有轴向力时则可以使用转矩转速轴向力三参数传感器；既可以避免轴向力对扭力测试的干扰又可以测量轴向力的信号；5．在高转速或超高转速下测试时可以使用无轴承式转矩转速传感器；6．如果被测系统为不旋转状态时可以使用扭矩传感变送器；7．如果被测系统值在5mN·m至1N·m时可以使用小量程转矩转速传感器这几种传感器的结构及使用方法将陆续介绍。九智能转矩转速测量仪为了更方便的使用本系列扭矩传感器特配合设计了智能转矩转速测量仪与计算机虚拟仪器，该两种仪器可以直接显示出正在测量的转矩，转速，功率值的数值及曲线，也可以设定转矩的限定值，超值报警，还可以保存本次测量的转矩峰值及曲线，并且可以打印出上述各参数及曲线图。

信号输出与信号采集

1、扭矩信号输出基本形式：

·方波信号、脉冲信号。

·扭矩传感器的标准信号输出是频率信号，即5-15KHz；为了适应客户需求，无需外置模块，与原始输出电路整合设计直接输出4-20mA、0-20mA、1-5V、0-5V模拟信号，方便客户采。

2、扭矩信号处理形式：

·扭矩传感器输出的频率信号送到频率计或数字表，直接读取与扭矩成正比的频率信号或电压、电流信号。

·扭矩传感器的扭矩与频率信号送给单片机二次仪表，直接显示实时扭矩值、转速及输出功率值及RS232通讯信号。

·直接将扭矩与转速的频率信号送给计算机或PLD进行处理。

维护与保养

1.定期应给扭矩传感器两端轴承加润滑脂。加润滑脂时，仅将两端轴承盖打开，将润滑脂加入轴承，然后装上两端盖。

2.应储存在干燥、无腐蚀、室温为-20℃——70℃的环境里。

注意事项

1.安装时，不能带电操作，切莫直接敲打、碰撞传感器。

2.联轴器的紧固螺栓应拧紧,联轴器的外面应加防护罩，避免人身伤害。

3.信号线输出不得对地,对电源短路,输出电流不大于10mA·屏蔽电缆线的屏蔽层必须与+15V电源的公共端（电源地）连接。

发展趋势

随着自控系统的不断完善和发展，对扭矩传感器的精度、可靠性和响应速度提出了更高的要求。扭矩传感器正呈现以下的发展趋势：

1、测试系统向微型化!数字化、智能化、虚拟化和网络化方向发展；

2、从单功能向多功能发展，包括自补偿、自修正、自适应、自诊断、远程设定、状态组合、信息存储和记忆；

3、向着小型化、集成化方向发展。传感器的检测部分可以通过结构的合理设计和优化来实现小型化，IC部分可以整合尽可能多的半导体部件、电阻到一个单独的IC部件上，减少外部部件的数量；

4、由静态测试向动态在线检测方向发展。