一、基本定義與分類

1. 定義與別名

扭矩傳感器，又稱力矩傳感器、扭力傳感器、轉(zhuǎn)矩傳感器或扭矩儀，是對(duì)各種旋轉(zhuǎn)或非旋轉(zhuǎn)機(jī)械部件上對(duì)扭轉(zhuǎn)力矩感知的檢測(cè)設(shè)備。

它將扭力的物理變化轉(zhuǎn)換成精確的電信號(hào)，具有精度高、頻響快、可靠性好、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。

基本分類：主要分為動(dòng)態(tài)扭矩傳感器和靜態(tài)扭矩傳感器兩大類。

二、工作原理

1. 核心原理

應(yīng)變片電測(cè)技術(shù)：在彈性軸上組成應(yīng)變橋，當(dāng)彈性軸受扭矩作用時(shí)產(chǎn)生微小變形，導(dǎo)致應(yīng)變橋電阻變化，從而將扭應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。

信號(hào)處理過(guò)程：應(yīng)變信號(hào)經(jīng)過(guò)放大后，通過(guò)壓/頻轉(zhuǎn)換變成與扭應(yīng)變成正比的頻率信號(hào)，然而輸出為方波或脈沖波。

2. 信號(hào)傳輸方式

傳統(tǒng)方式：通過(guò)導(dǎo)電滑環(huán)傳遞信號(hào)，但存在磨損和發(fā)熱問(wèn)題。

現(xiàn)代方式：采用無(wú)線電遙測(cè)或電感耦合傳輸，將扭矩應(yīng)變信號(hào)在旋轉(zhuǎn)軸上放大并進(jìn)行V/F轉(zhuǎn)換，通過(guò)載波調(diào)制用無(wú)線電發(fā)射至軸外接收。

非接觸式傳輸：通過(guò)環(huán)形變壓器實(shí)現(xiàn)靜止部分與旋轉(zhuǎn)部分之間的信號(hào)傳遞，避免了導(dǎo)電滑環(huán)的磨損問(wèn)題。

三、主要特點(diǎn)與性能指標(biāo)

1. 產(chǎn)品特點(diǎn)

信號(hào)輸出靈活：可任意選擇波形─方波或脈沖波。

高精度測(cè)量：檢測(cè)精度高、穩(wěn)定性好、抗干擾性強(qiáng)。

操作便捷：不需反復(fù)調(diào)零即可；連續(xù)測(cè)量正反扭矩。

多功能性：既可測(cè)量靜止扭矩，也可測(cè)量動(dòng)態(tài)扭矩。

安裝便利：體積小、重量輕、易于安裝，可脫離二次儀表獨(dú)立使用。

2. 關(guān)鍵性能指標(biāo)

測(cè)量范圍：標(biāo)準(zhǔn)0—10000Nm，非標(biāo)準(zhǔn)可定制至200萬(wàn)Nm。

精度：誤差小于0.2%F.S。

非線性：<±0.25% F.S。

回差：<0.2% F.S。

零飄（24小時(shí)）：<0.5% F.S。

工作溫度：0—60℃。

電源要求：+15V±5%,-15V±5%。

輸出信號(hào)：5KHz—15KHz頻率信號(hào)。

四、常見(jiàn)類型及特點(diǎn)

1. 應(yīng)變片式扭矩傳感器

工作原理：在彈性軸上粘貼應(yīng)變計(jì)組成測(cè)量電橋，當(dāng)彈性軸受扭矩作用時(shí)產(chǎn)生微小變形，導(dǎo)致電橋電阻值變化。

特點(diǎn)：分辨能力高、誤差小、測(cè)量范圍大、價(jià)格低。

應(yīng)用：廣泛用于各種靜態(tài)和動(dòng)態(tài)扭矩測(cè)量。

2. 非接觸式扭矩傳感器

工作原理：輸入軸和輸出軸由扭桿連接，當(dāng)扭桿受力矩作用發(fā)生扭轉(zhuǎn)時(shí)，輸入軸上的花鍵和輸出軸上鍵槽的相對(duì)位置改變，導(dǎo)致磁感強(qiáng)度變化，通過(guò)線圈轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)。

特點(diǎn)：壽命長(zhǎng)、可靠性高、不易磨損、延時(shí)小、受軸影響小。

應(yīng)用：廣泛用于轎車領(lǐng)域和需要高可靠性的場(chǎng)合。

3. 相位差式轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器

工作原理：在彈性軸兩端安裝相同齒輪和接近傳感器，當(dāng)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，兩組傳感器波形產(chǎn)生相位差，通過(guò)比較相位差計(jì)算扭矩。

特點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩信號(hào)非接觸傳遞，檢測(cè)信號(hào)為數(shù)字信號(hào)，適用于高轉(zhuǎn)速。

局限：體積大、低轉(zhuǎn)速性能不理想。

4. 高性能無(wú)線扭矩傳感器

工作原理：將扭矩傳感器與無(wú)線通信技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸。

特點(diǎn)：使用靈活，擺脫線纜束縛，安裝和使用不受線纜長(zhǎng)度限制。

應(yīng)用：適用于復(fù)雜環(huán)境或需要靈活移動(dòng)的設(shè)備。

五、典型應(yīng)用領(lǐng)域

1. 旋轉(zhuǎn)動(dòng)力設(shè)備檢測(cè)

電動(dòng)機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、內(nèi)燃機(jī)等旋轉(zhuǎn)動(dòng)力設(shè)備輸出扭矩及功率的檢測(cè)。

風(fēng)機(jī)、水泵、齒輪箱、扭力板手的扭矩及功率的檢測(cè)。

2. 交通運(yùn)輸設(shè)備

鐵路機(jī)車、汽車、拖拉機(jī)、飛機(jī)、船舶、礦山機(jī)械中的扭矩及功率的檢測(cè)。

汽車電子系統(tǒng)：用于電助力轉(zhuǎn)向(EPS)系統(tǒng)，直接影響汽車的技術(shù)性能。

3. 工業(yè)過(guò)程控制

污水處理系統(tǒng)中的扭矩及功率的檢測(cè)。

過(guò)程工業(yè)和流程工業(yè)中的應(yīng)用。

制造粘度計(jì)和電動(dòng)（氣動(dòng)，液力）扭力扳手。

4. 新興應(yīng)用領(lǐng)域

人形機(jī)器人：機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)需要進(jìn)行扭矩測(cè)量，扭矩傳感器在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

基于狀態(tài)的監(jiān)測(cè)：用于旋轉(zhuǎn)部件、飛機(jī)、結(jié)構(gòu)和車輛的健康監(jiān)測(cè)。

六、發(fā)展歷程

扭矩傳感器的發(fā)展歷程大致經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段：

光學(xué)機(jī)械變形類型：早期的測(cè)量方式。

電磁感應(yīng)類型：利用電磁感應(yīng)原理進(jìn)行測(cè)量。

相位差類型：通過(guò)測(cè)量相位差計(jì)算扭矩。

應(yīng)變類型：現(xiàn)代主流技術(shù)，利用應(yīng)變片測(cè)量扭矩。

關(guān)鍵里程碑：

1856年：湯姆遜發(fā)現(xiàn)機(jī)械應(yīng)變作用下金屬絲電阻變化現(xiàn)象，奠定電阻應(yīng)變片基礎(chǔ)。

1938年：魯奇與西蒙斯制造紙基式電阻應(yīng)變片。

1982年：日本福岡九州大學(xué)Sasada研制新型磁頭扭矩傳感器。

2011年：淮海工學(xué)院文西芹、李紀(jì)明研究磁彈性效應(yīng)新型扭矩傳感器。

七、選型與使用建議

1. 選型要點(diǎn)

評(píng)估精度需求：根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景選擇合適的精度等級(jí)。

匹配轉(zhuǎn)矩范圍：量程應(yīng)覆蓋實(shí)際扭矩值并留有余量。

考慮環(huán)境適應(yīng)性：工作溫度范圍需兼容應(yīng)用環(huán)境。

檢查輸出信號(hào)：確保與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)兼容。

2. 安裝使用注意事項(xiàng)

安裝要求：確保原動(dòng)機(jī)和負(fù)載的軸線同軸度小于Φ0.03mm。

環(huán)境條件：避免強(qiáng)電磁干擾，環(huán)境溫度保持在0-60℃范圍內(nèi)。

維護(hù)要求：每年加注潤(rùn)滑脂，建議使用剛性/彈性柱銷聯(lián)軸器。

扭矩傳感器作為現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化和機(jī)械測(cè)試的關(guān)鍵組件，其高精度測(cè)量能力和廣泛的應(yīng)用范圍使其成為眾多行業(yè)不可或缺的工具。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，扭矩傳感器在機(jī)器人技術(shù)、新能源汽車和智能制造等新興領(lǐng)域?qū)l(fā)揮越來(lái)越重要的作用。