文|沈韓楊
上下求索，只為真知
定義：
扭矩傳感，又稱扭力傳感、力矩傳感、轉(zhuǎn)矩傳感、扭矩儀。扭矩傳感是對(duì)各類旋轉(zhuǎn)或非旋轉(zhuǎn)機(jī)械部件上對(duì)扭轉(zhuǎn)扭力感知的測(cè)量。力矩傳感將扭矩的化學(xué)變化轉(zhuǎn)換成精確的聯(lián)通號(hào)。
工作原理：
一般所說(shuō)的力矩是外轉(zhuǎn)矩，如車床主軸旋轉(zhuǎn)是動(dòng)力源提供的外扭矩作用的結(jié)果，而轉(zhuǎn)矩是內(nèi)扭矩，主軸工作時(shí)，刀具磨削力對(duì)主軸的反作用使之形成扭轉(zhuǎn)彈性變型，可用其評(píng)判力矩的大小。力矩是使物體發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)效應(yīng)或扭轉(zhuǎn)變型的扭矩，等于力和力臂的乘積。
力矩是在旋轉(zhuǎn)動(dòng)力系統(tǒng)中最頻繁涉及到的參數(shù)，為了測(cè)量旋轉(zhuǎn)力矩，使用較多的是扭轉(zhuǎn)角相位差式傳感。扭轉(zhuǎn)角相位差式傳感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蝸桿，在蝸桿的兩側(cè)各安裝著一只接近(磁或光)傳感。當(dāng)彈性軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，這兩組傳感就可以檢測(cè)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估算出彈性軸所承受的力矩量。
扭力測(cè)試比較成熟的測(cè)量手段為應(yīng)變電測(cè)技術(shù)，它具有精度高、頻響快、可靠性好、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。將專用的測(cè)扭應(yīng)變片用應(yīng)變膠粘貼在被測(cè)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(cè)試該彈性軸受扭的聯(lián)通號(hào)。這就是基本的扭力傳感模式。
然而在旋轉(zhuǎn)動(dòng)力傳遞系統(tǒng)中，最棘手的問(wèn)題是旋轉(zhuǎn)體上的應(yīng)變橋的橋壓輸入及測(cè)量到的應(yīng)變訊號(hào)輸出怎么可靠地在旋轉(zhuǎn)部份與靜止部份之間傳遞，一般的做法是用導(dǎo)電滑環(huán)來(lái)完成。因?yàn)閷?dǎo)電滑環(huán)屬于摩擦接觸，因而不可防止地存在著銹蝕并發(fā)熱，因此限制了旋轉(zhuǎn)軸的怠速及導(dǎo)電滑環(huán)的使用壽命。但是因?yàn)榻佑|不可靠造成訊號(hào)波動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致檢測(cè)偏差大甚至檢測(cè)不成功。
為了克服導(dǎo)電滑環(huán)的缺陷，另一個(gè)辦法就是采用無(wú)線電遙測(cè)的方式：將扭力應(yīng)變訊號(hào)在旋轉(zhuǎn)軸上放大并進(jìn)行V/F轉(zhuǎn)換成頻度訊號(hào)，通過(guò)擴(kuò)頻調(diào)制用無(wú)線電發(fā)射的方式從旋轉(zhuǎn)軸上發(fā)射至軸外，再用無(wú)線電接收的方式，就可以得到旋轉(zhuǎn)軸受扭的訊號(hào)。旋轉(zhuǎn)軸上的能源供應(yīng)是固定在旋轉(zhuǎn)軸上的電瓶。該方式即為遙測(cè)扭力儀。
發(fā)展歷程：
扭力傳感的發(fā)展歷程大致為：光學(xué)機(jī)械變型類型、電磁感應(yīng)類型、相位差類型、應(yīng)變類型。
1856年湯姆遜發(fā)覺(jué)了在機(jī)械應(yīng)變作用下，金屬絲內(nèi)阻會(huì)發(fā)生變化的現(xiàn)象，這奠定了內(nèi)阻應(yīng)變片的研發(fā)基礎(chǔ)。
1938年魯奇與西蒙斯制造了紙基式內(nèi)阻應(yīng)變片。隨后，內(nèi)阻應(yīng)變片得到了快速地發(fā)展，在工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，內(nèi)阻應(yīng)變片也是用于力矩檢測(cè)的一種較佳選擇。
1982年臺(tái)灣神戶九州學(xué)院等研究人員研發(fā)出了新型盤片扭力傳感，借助等離子法在轉(zhuǎn)軸表面噴覆了一段磁致伸縮層，可以使整個(gè)測(cè)試裝置做的緊湊。1984年，等人提出了改進(jìn)方案，為了獲得較寬的動(dòng)態(tài)范圍和較好的線性度，采用了具有特定形狀的磁場(chǎng)各向異性的三角形或平行四邊形磁片。
1986年等人研究了應(yīng)用非晶薄帶的磁致伸縮逆效應(yīng)來(lái)測(cè)量力矩，具體的方法是在一段圓軸表面上粘貼非晶薄帶，其粘貼方向與圓軸線成45度角，最后基于此方式成功的研發(fā)了螺線管式扭力傳感。
1992年王榮等人為改善“角度依存性”問(wèn)題，采用在轉(zhuǎn)軸的表面粘貼一層特制的軟磁合金薄帶的方式，研發(fā)了逆磁致伸縮扭力傳感。
2005年上海工大學(xué)遠(yuǎn)程測(cè)試與控制技術(shù)研究所開(kāi)發(fā)了螺桿差動(dòng)變壓器式的力矩傳感，當(dāng)彈性軸遭到力矩時(shí)，軸會(huì)形成一定的力矩角度，再通過(guò)內(nèi)部的吸合作用以感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方式輸出。
2010年由淮海工大學(xué)和浙江海洋資源開(kāi)發(fā)研究院共同研發(fā)了一種非接觸檢測(cè)方法的磁電型扭力傳感。
2011年由淮海工大學(xué)的文豇豆、李紀(jì)明等人研究了一種磁彈性效應(yīng)的新型扭力傳感，其氣隙擾動(dòng)小、磁滯小、可滿足電推動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的使用要求。
近些年來(lái)一些新型扭力傳感不斷被開(kāi)發(fā)和研發(fā)下來(lái)磁力矩器，包括光纖式扭力傳感、無(wú)線聲表面波式扭力傳感、磁敏式扭力傳感、激光多普勒式扭力傳感、激光衍射式扭力傳感等。如英國(guó)佛吉尼亞西蒙斯飛行器公司，為了對(duì)飛行器的渦輪底盤進(jìn)行扭力測(cè)試，研制了一種基于光纖技術(shù)的光纖式扭力傳感。
分類：
扭矩傳感分為動(dòng)態(tài)和靜態(tài)兩大類，其中動(dòng)態(tài)扭力傳感又可稱作力矩傳感、轉(zhuǎn)矩怠速傳感、非接觸力矩傳感、旋轉(zhuǎn)力矩傳感等。
非接觸式扭力傳感
非接觸式扭力傳感輸入軸和輸出軸由扭桿聯(lián)接上去，輸入軸上有凸緣磁力矩器，輸出軸上有凸緣。當(dāng)扭桿受方向盤的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量作用發(fā)生扭轉(zhuǎn)時(shí)，輸入軸上的凸緣和輸出軸上工件之間的相對(duì)位置就被改變了。凸緣和工件的相對(duì)位移改變量等于扭轉(zhuǎn)桿的扭轉(zhuǎn)量，致使凸緣上的磁感硬度改變，磁感硬度的變化，通過(guò)線圈轉(zhuǎn)化為電流訊號(hào)。非接觸力矩傳感因?yàn)椴捎玫氖欠墙佑|的工作方法，因此壽命長(zhǎng)、可靠性高，不易遭到銹蝕、有更小的延時(shí)、受軸的偏轉(zhuǎn)和軸向偏斜的影響更小，早已廣泛用于貨車領(lǐng)域。
在非接觸式扭力傳感中，常用的主要有應(yīng)變式、磁電式、光纖式和光電式傳感。
應(yīng)變式非接觸傳感借助了無(wú)線傳輸技術(shù)。隨著科技的進(jìn)步和無(wú)線傳輸技術(shù)的發(fā)展，接觸式應(yīng)變片傳感輸出訊號(hào)所用的導(dǎo)電滑環(huán)和刷臂早已才能用無(wú)線傳輸模塊代替，因而克服了導(dǎo)電滑環(huán)和刷臂間的銹蝕，增強(qiáng)了檢測(cè)精度。
磁電式扭力傳感是借助磁電轉(zhuǎn)換的原理，剖析兩路輸出的電動(dòng)勢(shì)訊號(hào)的相位差，因而達(dá)到檢測(cè)力矩的目的。主要分為閉磁通式傳感和開(kāi)磁通式傳感。
光纖式扭力傳感主要是借助光反射原理和相位差原理，將軸上相應(yīng)的兩處位置反射的光訊號(hào)讀取后并估算出相位差，由此能算出相應(yīng)的力矩值。并且光纖式傳感易受環(huán)境影響，安裝調(diào)試也相對(duì)較困難。
光電式扭力傳感以光電感應(yīng)器件為核心部件。當(dāng)傳動(dòng)軸上加載力矩時(shí)，由光源發(fā)出的光的硬度會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化，進(jìn)而使光電器件的輸出電壓發(fā)生變化。通過(guò)檢測(cè)該變化值即可估算出扭力值。
應(yīng)變片扭力傳感
應(yīng)變片傳感扭力檢測(cè)采用應(yīng)變電測(cè)技術(shù)。在彈性軸上粘貼應(yīng)變計(jì)組成檢測(cè)電橋，當(dāng)彈性軸受轉(zhuǎn)矩形成微小變型后導(dǎo)致電橋內(nèi)阻值變化，應(yīng)變電橋內(nèi)阻的變化轉(zhuǎn)變?yōu)槁?lián)通號(hào)的變化進(jìn)而實(shí)現(xiàn)力矩檢測(cè)。傳感就完成如下的信息轉(zhuǎn)換；傳感由彈性軸、測(cè)量電橋、儀器用放大器、接口電路組成。
高性能無(wú)線型
高性能無(wú)線力矩傳感將傳感與無(wú)線通訊技術(shù)結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸。力矩聯(lián)通號(hào)由單片機(jī)控制的訊號(hào)處理電路進(jìn)行放大、A/D轉(zhuǎn)換以后，編碼器將采集到的數(shù)字量編碼傳送給發(fā)射模塊進(jìn)行發(fā)送。接收模塊接收到數(shù)據(jù)后，解碼器將譯出的數(shù)據(jù)傳送給單片機(jī)，由LED顯示得到的扭力數(shù)據(jù)值。傳感數(shù)據(jù)采集發(fā)射電路由扭力傳感、信號(hào)處理部份、單片機(jī)和無(wú)線發(fā)射電路組成。力矩傳感將內(nèi)阻應(yīng)變片形成的應(yīng)變聯(lián)通號(hào)傳送到訊號(hào)處理電路。訊號(hào)處理部份對(duì)傳感模擬訊號(hào)提取放大，并進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換。微處理器負(fù)責(zé)控制系統(tǒng)各部份元件的工作，并對(duì)數(shù)字訊號(hào)進(jìn)行處理。無(wú)線發(fā)射電路在微處理器的控制下，由編碼器將采集到的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的編碼和處理，并用發(fā)射模塊發(fā)射出。實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳輸。
電子式
電子式扭力儀是一種針對(duì)風(fēng)機(jī)、水泵試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)能效評(píng)測(cè)的便攜式高性能軸功率檢測(cè)儀器。電子式扭力儀創(chuàng)造性的破除了傳統(tǒng)機(jī)電式扭力傳感冗長(zhǎng)、復(fù)雜、在好多現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下不易實(shí)現(xiàn)的安裝過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)機(jī)、水泵馬達(dá)效率的實(shí)時(shí)檢測(cè)，檢測(cè)風(fēng)機(jī)、水泵馬達(dá)在使用過(guò)程中各環(huán)節(jié)的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)研究風(fēng)機(jī)、水泵馬達(dá)的使用狀態(tài)提供了實(shí)時(shí)、真實(shí)、可靠的數(shù)據(jù)；避開(kāi)了因機(jī)電式扭力傳感安裝不當(dāng)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果引起的影響。
電子式扭力儀能完全替代傳統(tǒng)扭力傳感的軸功率檢測(cè)功能，而且能獲取風(fēng)機(jī)、水泵馬達(dá)的實(shí)時(shí)效率，為風(fēng)機(jī)、水泵機(jī)組節(jié)能提供了嚴(yán)謹(jǐn)、科學(xué)評(píng)測(cè)手段。
應(yīng)用：
扭力傳感是一種檢測(cè)各類力矩、轉(zhuǎn)速及機(jī)械功率的精密檢測(cè)儀器。應(yīng)用范圍非常廣泛，主要用于：
1、交(直）流電動(dòng)機(jī)、伺服馬達(dá)、步進(jìn)馬達(dá)；
2、汽車底盤、柴油機(jī)、轉(zhuǎn)向器、車身整體剛性扭轉(zhuǎn)以及其他部件加工過(guò)程的控制和監(jiān)測(cè)；
3、電（手）動(dòng)執(zhí)行器，各類球閥手動(dòng)開(kāi)閉控制。
4、石油開(kāi)采和提煉過(guò)程控制和檢測(cè)、火(水）力發(fā)電設(shè)備的檢測(cè)、礦石篩選控制，風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的檢測(cè)。
5、各種材料扭力壽命試驗(yàn)。
6、鐵路機(jī)械設(shè)備過(guò)程控制等等，具體如下：
（1）、檢測(cè)發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、內(nèi)燃機(jī)等旋轉(zhuǎn)動(dòng)力設(shè)備輸出扭力極功率。
（2）、檢測(cè)減速機(jī)、風(fēng)機(jī)、泵、攪拌機(jī)、卷?yè)P(yáng)機(jī)、螺旋槳，勘探機(jī)械等設(shè)備的負(fù)載扭力極輸入功率。
（3）、檢測(cè)各類機(jī)械加工中心，手動(dòng)銑床的工作過(guò)程中的力矩。
（4）、各種旋轉(zhuǎn)動(dòng)力設(shè)備系統(tǒng)所傳遞的力矩極效率。
（5）、檢測(cè)力矩的同時(shí)可以測(cè)量怠速、軸向力。
（6）、可用于制造黏度計(jì)，電動(dòng)（氣動(dòng)，液力）力矩扳手。