扭矩傳感器

扭矩傳感器的寫法

扭矩傳感器介紹

扭矩傳感器在旋轉動力系統(tǒng)中最頻繁涉及到的參數(shù)，旋轉扭矩,為了檢測旋轉扭矩傳統(tǒng)使用較多的是扭轉角相位差式傳感器，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，在齒輪的外側各安裝著一只接近(磁或光)傳感器。當彈性軸旋轉時，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算出彈性軸所承受的扭矩量。該方法的優(yōu)點：實現(xiàn)了轉矩信號的非接觸傳遞，檢測信號為數(shù)字信號；缺點：體積較大，不易安裝，低轉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變電測技術。它具有精度高，頻響快，可靠性好，壽命長等優(yōu)點。

特點

1.既可以測量靜止扭矩，也可以測量旋轉轉矩;

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;

4.體積小，重量輕，多種安裝結構，易于安裝使用；

5.不需反復調零即可連續(xù)測量正反轉扭矩;

6.沒有導電環(huán)等磨損件，可以高轉速長時間運行；

7．傳感器輸出高電平頻率信號可直接送計算機處理；

8．測量彈性體強度大可承受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。也有某些特殊的設計能夠以靜態(tài)的方式測量動態(tài)的扭矩，比如測試電機扭矩的扭矩臺，電機固定在一個臺架上，電機運行中對臺架產(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)電阻應變原理把扭轉力矩產(chǎn)生的應變轉換成與其成線性關系的電信號，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、變送器被廣泛應用于試驗機、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。技術參數(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.防護等級：IP68電氣指標:1.頻率響應100μs2.絕緣強度：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.傳感器內阻：350歐姆、700歐姆、1000歐姆6.負載能力：<1k

應用

扭矩傳感器是一種測量各種扭矩、轉速及機械功率的精密測量儀器。應用范圍十分廣泛，主要用于：

1、電動機、發(fā)動機、內燃機等旋轉動力設備輸出扭矩及功率的檢測；

2、風機、水泵、齒輪箱、扭力板手的扭矩及功率的檢測；

3、鐵路機車、汽車、拖拉機、飛機、船舶、礦山機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；

6、可用于過程工業(yè)和流程工業(yè)中；

7、可以應用于實驗室，測試部門以及生產(chǎn)監(jiān)控和質量控制。

工作過程

將專用的測扭應變片用應變膠粘貼在被測彈性軸上并組成應變橋,向應變橋提供電源即可測得該彈性軸受扭的電信號。將該應變信號放大后，經(jīng)過壓/頻轉換，變成與扭應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)型變壓器承擔的。因此實現(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，該電源做運算放大器AD822的工作電源；由基準電源AD589與雙運放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轉換器的工作電源。當彈性軸受扭時，應變橋檢測得到的mV級的應變信號通過儀表放大器AD620放大成1.5v±1v的強信號，再通過V/F轉換器LM131變換成頻率信號，通過信號環(huán)形變壓器T2從旋轉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顯示也可直接送計算機處理。由于該旋轉變壓器動--靜環(huán)之間只有零點幾毫米的間隙，加之傳感器軸上部分都密封在金屬外殼之內，形成有效的屏蔽，因此具有很強的抗干擾能力。

傳感器輸出的頻率信號在零點時為10kHz.正向旋轉滿量程時為15KHz.反向旋轉滿量程時為5KHz。即滿量程變量為5000個數(shù)/每秒。轉速測量采用光電齒輪或者磁電齒輪的測量方法，軸每旋轉一周可產(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±0.2%～±0.5%（F·S）。由于傳感器輸出為頻率信號，所以無需AD轉換即可直接送至計算機進行數(shù)據(jù)處理。

數(shù)字式技術性能及應用

一前言在旋轉動力系統(tǒng)中最頻繁涉及到的參數(shù):旋轉扭矩,為了檢測旋轉扭矩傳統(tǒng)使用較多的是扭轉角相位差式傳感器，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，在齒輪的外側各安裝著一只接近(磁或光)傳感器。當彈性軸旋轉時，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算出彈性軸所承受的扭矩量。該方法的優(yōu)點：實現(xiàn)了轉矩信號的非接觸傳遞，檢測信號為數(shù)字信號；缺點：體積較大，不易安裝，低轉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變電測技術。它具有精度高，頻響快，可靠性好，壽命長等優(yōu)點。將專用的測扭應變片用應變膠粘貼在被測彈性軸上，并組成應變橋，若向應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)但是在旋轉動力傳遞系統(tǒng)中，最棘手的問題是旋轉體上的應變橋的橋壓輸入及檢測到的應變信號輸出如何可靠地在旋轉部分與靜止部分之間傳遞，通常的做法是用導電滑環(huán)來完成。

圖一扭轉角相位差式扭矩傳感器示意圖

由于導電滑環(huán)屬于磨擦接觸，因此不可避免地存在著磨損并發(fā)熱，因而限制了旋轉軸的轉速及導電滑環(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:將扭矩應變信號在旋轉軸上放大并進行V/F轉換成頻率信號，通過載波調制用無線電發(fā)射的方法從旋轉軸上發(fā)射至軸外，再用無線電接收的方法，就可以得到旋轉軸受扭的信號。

圖二基本的扭矩傳感器

旋轉軸上的能源供應是固定在旋轉軸上的電池。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：由于在旋轉軸上附加了結構，易引起高轉速時的動平衡問題。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)點并克服了其缺陷,在應變傳感器的基礎上設計了兩組旋轉變壓器,實現(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無關，與轉速大小無關，與旋轉方向無關。二特點1.既可以測量靜止扭矩，也可以測量旋轉轉矩;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;

4.體積小，重量輕，多種安裝結構，易于安裝使用；5.不需反復調零即可連續(xù)測量正反轉扭矩;6.沒有導電環(huán)等磨損件，可以高轉速長時間運行；7．傳感器輸出高電平頻率信號可直接送計算機處理；8．測量彈性體強度大可承受100[%]的過載。三測量原理將專用的測扭應變片用應變膠粘貼在被測彈性軸上并組成應變橋,向應變橋提供電源即可測得該彈性軸受扭的電信號。將該應變信號放大后，經(jīng)過壓/頻轉換，變成與扭應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)型變壓器承擔的,因此實現(xiàn)了無接觸的能源及信號傳遞功能。(虛線內為旋轉部分)

圖五數(shù)字式扭矩傳感器測量原理圖

四傳感器原理結構（見圖五）在一段特制的彈性軸上粘貼上專用的測扭應片并組成變橋，即為基礎扭矩傳感器；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，該電源做運算放大器AD822的工作電源；由基準電源AD589與雙運放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轉換器的工作電源。當彈性軸受扭時，應變橋檢測得到的mV級的應變信號通過儀表放大器AD620放大成1.5v±1v的強信號，再通過V/F轉換器LM131變換成頻率信號，通過信號環(huán)形變壓器T2從旋轉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顯示也可直接送計算機處理。由于該旋轉變壓器動--靜環(huán)之間只有零點幾毫米的間隙，加之傳感器軸上部分都密封在金屬外殼之內，形成有效的屏蔽，因此具有很強的抗干擾能力。本傳感器輸出的頻率信號在零點時為10kHz.正向旋轉滿量程時為15KHz.反向旋轉滿量程時為5KHz。即滿量程變量為5000個數(shù)/每秒。轉速測量采用光電齒輪或者磁電齒輪的測量方法，軸每旋轉一周可產(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±0.2[%]～±0.5[%]（F·S）。由于傳感器輸出為頻率信號，所以無需AD轉換即可直接送至計算機進行數(shù)據(jù)處理。六應用范圍1.檢測發(fā)電機，電動機，內燃機等旋轉動力設備輸出扭矩及功率。2.檢測減速機，風機，泵，攪拌機，卷揚機，螺旋槳，鉆探機械等設備的負載扭矩及輸入功率。3.檢測各種機械加工中心，自動機床的工作過程中的扭矩4.各種旋轉動力設備系統(tǒng)所傳遞的扭矩及效率；5.檢測扭矩的同時可以檢測轉速，軸向力。6.可用于制造粘度計，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.動力及負載設備必須固定可靠避免振動。4.將本傳感器的基座與設備的基座固定可靠，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構：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。從軸的兩側卡在軸上即可進行測試。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矩轉速軸向力三參數(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．在高轉速或超高轉速下測試時可以使用無軸承式轉矩轉速傳感器；6．如果被測系統(tǒng)為不旋轉狀態(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矩轉速傳感器這幾種傳感器的結構及使用方法將陸續(xù)介紹。九智能轉矩轉速測量儀為了更方便的使用本系列扭矩傳感器特配合設計了智能轉矩轉速測量儀與計算機虛擬儀器，該兩種儀器可以直接顯示出正在測量的轉矩，轉速，功率值的數(shù)值及曲線，也可以設定轉矩的限定值，超值報警，還可以保存本次測量的轉矩峰值及曲線，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。

·扭矩傳感器的標準信號輸出是頻率信號，即5-15KHz；為了適應客戶需求，無需外置模塊，與原始輸出電路整合設計直接輸出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二次儀表，直接顯示實時扭矩值、轉速及輸出功率值及RS232通訊信號。

·直接將扭矩與轉速的頻率信號送給計算機或PLD進行處理。

維護與保養(yǎng)

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

注意事項

1.安裝時，不能帶電操作，切莫直接敲打、碰撞傳感器。

2.聯(lián)軸器的緊固螺栓應擰緊,聯(lián)軸器的外面應加防護罩，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)絡化方向發(fā)展；

2、從單功能向多功能發(fā)展，包括自補償、自修正、自適應、自診斷、遠程設定、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構的合理設計和優(yōu)化來實現(xiàn)小型化，IC部分可以整合盡可能多的半導體部件、電阻到一個單獨的IC部件上，減少外部部件的數(shù)量；

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