扭矩傳感器，又稱力矩傳感器、扭力傳感器、轉(zhuǎn)矩傳感器、扭矩儀，分為動態(tài)和靜態(tài)兩大類，其中動態(tài)扭矩傳感器又可叫做轉(zhuǎn)矩傳感器、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、非接觸扭矩傳感器、旋轉(zhuǎn)扭矩傳感器等。 扭矩傳感器是對各種旋轉(zhuǎn)或非旋轉(zhuǎn)機械部件上對扭轉(zhuǎn)力矩感知的檢測。扭矩傳感器將扭力的物理變化轉(zhuǎn)換成精確的電信號。扭矩傳感器可以應(yīng)用在制造粘度計，電動(氣動，液力)扭力扳手，它具有精度高，頻響快，可靠性好，壽命長等優(yōu)點。
作為現(xiàn)代生活不可或缺的一部分，傳感器現(xiàn)在幾乎無處不在。他們測量來自環(huán)境的物理輸入并將其轉(zhuǎn)換為人類或機器可以解釋的數(shù)據(jù)。中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院的研究團隊開發(fā)了一種新型六維力/扭矩傳感器。
通常所說的轉(zhuǎn)矩是外力矩，如機床主軸旋轉(zhuǎn)是動力源提供的外力矩作用的結(jié)果，而扭矩是內(nèi)力矩，主軸工作時，刀具切削力對主軸的反作用使之產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)彈性變形，可用其衡量扭矩的大小。
扭矩是使物體發(fā)生轉(zhuǎn)動效應(yīng)或扭轉(zhuǎn)變形的力矩，等于力和力臂的乘積。扭矩是在旋轉(zhuǎn)動力系統(tǒng)中最頻繁涉及到的參數(shù)，為了檢測旋轉(zhuǎn)扭矩，使用較多的是扭轉(zhuǎn)角相位差式傳感器。該傳感器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(cè)各安裝著一只接近(磁或光)傳感器。當彈性軸旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(yīng)變電測技術(shù)，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(yīng)變片用應(yīng)變膠粘貼在被測彈性軸上，并組成應(yīng)變橋，若向應(yīng)變橋提供工作電源即可測試該彈性軸受扭的電信號。這就是基本的扭矩傳感器模式。但是在旋轉(zhuǎn)動力傳遞系統(tǒng)中，最棘手的問題是旋轉(zhuǎn)體上的應(yīng)變橋的橋壓輸入及檢測到的應(yīng)變信號輸出如何可靠地在旋轉(zhuǎn)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。 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(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速及導電滑環(huán)的使用壽命。并且由于接觸不可靠引起信號波動，從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(yīng)變信號在旋轉(zhuǎn)軸上放大并進行V/F轉(zhuǎn)換成頻率信號，通過載波調(diào)制用無線電發(fā)射的方法從旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)軸受扭的信號。 旋轉(zhuǎn)軸上的能源供應(yīng)是固定在旋轉(zhuǎn)軸上的電池。該方法即為遙測扭矩儀。
“我們在這個領(lǐng)域的研究已經(jīng)過去了三十多年，”團隊負責人孫玉祥教授說，“現(xiàn)在我們的傳感器已經(jīng)應(yīng)用于許多領(lǐng)域，包括深海和航空航天?！?
傳感器由機械結(jié)構(gòu)和信號處理模塊組成。信號處理模塊實現(xiàn)模擬信號處理、數(shù)字信號處理和信號傳輸功能。該團隊的研究重點是彈性體的結(jié)構(gòu)和信號處理方法。
彈性體結(jié)構(gòu)是多維力傳感器的核心部分。它的形式影響傳感器的靈敏度、動態(tài)性能和尺寸耦合。信號處理方法包括數(shù)字濾波、溫漂補償、容錯處理等，對提高傳感器的信噪比，保證測量的準確性和穩(wěn)定性具有重要意義。
該傳感器可用于智能機器人的實時力反饋控制和力學性能測試。它允許機器人同時檢測周圍的力和力矩信息。采用具有自主知識產(chǎn)權(quán)的雙E型膜結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了敏感單元、信號調(diào)理模塊、SoC和通信模塊的集成。在傳感器的幫助下，機器人可以感覺和觸摸。
該團隊能夠提供具有高精度和卓越穩(wěn)定性的定制傳感器設(shè)計?！拔覀兛梢砸院侠淼膬r格滿足消費者對定制產(chǎn)品的需求，”孫說。
至此，他們已經(jīng)通過了50兆帕的壓力測試，下一步將進行4500米深海的測試。
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