扭矩传感器原理及应用

扭矩传感器原理及应用
摘要 本文介绍电阻扭矩传感器的结构原理，以“卡特皮勒1g2”
发动机台架为例介绍了典型应用，分析了扭矩信号集散电路工作原
理，以及扭矩传感器常见故障维修，最后简单地介绍了在发动机试
验台架应用的磁感应扭矩传感器的原理。
关键词 发动机台；扭矩传感器；原理分析
中图分类号tp212 文献标识码a 文章编号 1674-6708
（2012）59-0107-02
1 概述
扭矩又叫转矩，是反映转动设备输出力的大小的重要参数。扭矩在
物理学中用下面的公式计算。
p=m·n/9550 公式（1）
其中：p表示转动设备的输出功率，单位千瓦（kw）；m 表示转动
设备的输出扭矩，单位牛米（n·m）；n表示转动设备的转速，单位
转/分钟（r/min）。
从公式（1）可以看出，扭矩是一个与功率和转速相关的物理量，
它反映了转动设备输出功率和转速的比值关系。如果知道了转动设
备的输出功率和转动速度，就可以利用公式1计算出转动设备的扭
矩。但实际生产中，功率的测量是不容易的，而扭矩可以利用较简
单的装置把扭矩转化为力和磁的测量，对于力和磁这两个物理量的
检测，我们有许多成熟工具，这样扭矩的测量就变得相对简单了。
2 电阻应变式扭矩传感器的原理
我们知道，在通常情况下，当金属受外力作用时它的电阻值会发生
变化，其变化大小可以依据虎克定律求得，这就是金属应变原理。
电阻应变式扭矩传感器，就是利用应变原理制成的。它的结构原理
图如图1所示。
扭矩传感器利用高档箔式应变片组成了电桥，在力的作用下电阻值
增加或减小，当输入端加上直流电压后，输出端就可以得到随所施
力大小而改变的电压信号。再经过信号处理计算，我们就能知道扭
矩的大小了。
3 扭矩传感器应用和调试
扭矩大小是发动机台架实验的重要参数之一。“卡特皮勒1g2”发
动机台架应用的就是上面介绍的电阻应变式传感器，以此为例分析
扭矩信号集散电路原理和扭矩传感器的调试。
3.1 扭矩信号集散电路原理
图2中t2、t4分别接±5v电源给扭矩传感器提供激励电压。t3接
传感器的信号输出端，以ic7650高稳定的自稳零放大器为核心组
成信号放大电路，再经过lm348进行放大处理，输出信号给计算机。
3.2 扭矩传感器的调试
扭矩传感器的调试包括零点满度的标定和静校。
当进行零点标定时，测功机装好校正臂和校正盘，不放砝码，调节
扭矩信号集散板上的电位器rw2及rw5，使端子输出电压为ov；再
加满砝码，调节电位器rw3和rw4，使端子输出电压后9.8v。
当零点和满度标定好以后，就可以进行静校。校验的方法很简单，
就是往校正盘中逐次放入适当砝码，然后根据公式（2）：
me=g·g·l （2）
其中me是标准力矩，g是砝码质量，g是当地重力加速度，l是校
正臂的长度。
计算出的标准力矩与计算机显示力矩上比较，就可以完成校验。
4 扭矩传感器的故障与维修
“卡特皮勒1g2”发动机台架所使用的扭矩传感器内部接线为电桥
型，可以通过万用表测量其桥臂间的电阻来辨别好坏。参考图1，
正常时r1和r3，r2和r4的电阻值应一样，如果阻值不一样，说
明桥臂平衡已被破坏，传感器不能使用。根据使用和维修经验看，
扭矩传感器自身发生故障的机率很小。通常，在激励电压正常和正
确安装传感器后，故障多发生在外围电路中，总结如表1所示：
故障现象 故障原因 解决办法
扭矩数值漂移大 扭矩信号集散板上
电容热稳定性不好 更换电容
扭矩数值不稳定 发动机点火干扰
或电网干扰 发动机点火高压帽增加阻尼；检查系统接地
5 磁电感应式扭矩传感器
除了电阻应变式扭矩传感器，还有一种较特殊的扭矩传感器，就是
磁电感应式扭矩传感器，它电定子、转子、传感器轴和辅助电路组
成。转子包括线圈固定在传感器轴上，定子永久磁铁固定在传感器
外壳上，定、转子上都有相等的齿和槽。
测量扭矩时，用两个完全相同的传感器，它们的转子分别固定在被
测轴的两端，而定子用支架固定。一个传感器的定子齿和转子齿相
对，另一个则定子槽和转子槽相对。当转轴以一定角速度旋转时，
则在两个传感器输出线组内感应出电势大小相等，频率相同，相位
差180°的近似正弦波，而当被测轴受扭矩时，两个绕组内感应电
热相位差将不再是180°，而是扭转角与定（转）子齿数的积。在
弹性限度内，材料扭矩与扭转角成正比，因此，测出扭转角也就得
到了扭矩的值。这种扭矩传感器反应较电阻应变式传感器反应灵
敏，但抗干扰能力较弱，对应用场所的电磁强度有较高要求。
6 结论
在发动机台架试验中，大部分测功机的扭矩测量都像“卡特皮勒
1g2”发动机台架一样，利用固定在定子上的平衡臂将扭矩变为拉
压力的测量。这时扭矩传感器严格地说应该叫拉压传感器。当然，
在发动机试验台架中也有进行纯扭矩测量的，如cl-100齿轮油试
验机使用的扭矩传感器。它的工作原理与电阻应变式扭矩传感器一
样，只是传感器外形不是传统的桥形，而是圆柱形，四个电阻应变
片是贴在转轴上使用的，输出信号是频率信号。
参考文献
[1]葛伟亮.自动控制元件[m].北京理工大学出版社，2007.