标题：扭矩传感器
简介
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。 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。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。 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。 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。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。
应用范围
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
扭矩传感器基本原理
扭矩的测量：采用应变片电测技术，在弹性轴上组成应变桥,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。如图1所示：
  
产品特点
1.信号输出可任意选择波形─方波或脉冲波。
2.检测精度高、稳定性好、抗干扰性强。
3.不需反复调零即可；连续测量正反扭矩。
4.即可测量静止扭矩，也可测量动态扭矩。
5.体积小、重传感器可脱离二次仪表独立使用，只要按插座针号提供 +15V，-15V（200mA）的电源，即可输出阻抗与扭矩成正比的等方波或脉冲波频率信号。量轻、易于安装。
6.测量范围： 0—10000Nm标准可选, 非标准2万Nm、3万Nm、5万Nm、8万Nm、10万Nm，特殊量程可定制。
主要功能及性能指标
扭矩示值误差： <± 0.5 % F · S 灵敏度： 1±0.2 mv / V 
非线性： <±0.25 % F· S 重复性： <±0.2% F· S 
回差： <0.2 % F· S 零飘（24小时）： <0.5 % F· S 
零点温飘： <0.5 % F· S /10℃ 输出阻抗： 1KΩ ±3Ω 
绝缘阻抗： >500MΩ 静态超载： 120 % 
断裂负载： 200 % 使用温度： 0 ～ 60℃ 
储存温度： －20 ～ 70℃ 电源电压： +15V±5%,-15V±5% 
总消耗电流： <130mA 频率信号输出： 5KHz—15KHz 
负额定扭矩：5KHz±10Hz 零扭矩：10KHz±10Hz 
正额定扭矩：15KHz±10Hz 信号占空比： （50±10）%
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 ± 5 V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。
信号输出与信号采集
信号输出形式· 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。信号采集过程频率输出信号的信号采集频率信号输出时，与后续的信号采集设备的建议接口电路如图所示
[1]  频率信号采集
电流或电压输出信号的信号采集如图所示。
[1]  电流电压信号采集
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。
工业安装
扭矩传感器工业安装和一般的应用安装要讲究点：首先是使用环境的问题，工业应用扭矩传感器安装在环境温度相对比较高的地方，而且相对湿度最好是小于90%，无易燃、易爆品的环境里。工业扭矩传感器在磁场对磁场的屏蔽也是很重要的，一般的扭矩传感器是不宜安装在强电磁干扰的环境中。 其次是安装方式也是水平安装和垂直安装。扭矩传感器与动力设备、负载设备之间的连接也是相当重要的，对于工业化的应用中应该是需要非常的稳定。弹性柱销联轴器连接不宜使用在工业应用里，因为它连接方式结构简单，加工容易，维护方便，一般适用于中等载荷、起动频繁的高低速运转场合，工作温度为-20-70℃。[2]
扭矩传感器的工业安装有什么讲究?工业应用的扭矩传感器需要能够微量补偿安装误差造成的轴的相对偏移，同时能起到轻微减振的作用。刚性联轴器连接形式结构简单，成本低，无补偿性能，不能缓冲减振，对两轴的安装精度较高，用于振动很小的工况条件，刚性联轴器于是就是最适合的连接器材。动力设备、传感器、负载设备应安装在稳固的基础上，以避免过大的震动，否则可能发生数据不稳，降低测量精度，甚至损坏扭矩传感器，这也是扭矩传感器工业安装最需要重视的问题，这一点往往被人们忽视而造成经常更换。
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。
安装使用
1、使用环境扭矩传感器应安装在环境温度为0℃ ～ 60℃，相对湿度小于90%，无易燃、易爆品的环境里。不宜安装在强电磁干扰的环境中。2、安装方式：(1) 水平安装:如图11所示:
  (2) 垂直安装:图12所示:
  3、连接方式： 扭矩传感器与动力设备、负载设备之间的连接
（1） 弹性柱销联轴器连接如图13所示，此种连接方式结构简单，加工容易，维护方便。能够微量补偿安装误差造成的轴的相对偏移，同时能起到轻微减振的作用。适用于中等载荷、起动频繁的高低速运转场合，工作温度为-20-70℃。
  （2）刚性联轴器连接如图14所示，这种连接形式结构简单，成本低，无补偿性能，不能缓冲减振，对两轴的安装精度较高。用于振动很小的工况条件。
  4、安装要求：
（1） 扭矩传感器可水平安装，也可垂直安装。
（2） 如图11、12所示，动力设备、传感器、负载设备应安装在稳固的基础上，以避免过大的震动，否则可能发生数据不稳，降低测量精度，甚至损坏传感器。
（3） 采用弹性柱销联轴器或刚性联轴器连接。
（4） 动力设备、传感器、负载设备轴线的同心度应小于Φ0.05mm。 
以上技术参数来自北京昆锐测控，在此鸣谢！
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：[3]​
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。