扭矩傳感器在電路中的應(yīng)用原理是怎樣？

扭力傳感器，又稱扭矩傳感器、力矩傳感器、轉(zhuǎn)矩傳感器、扭矩儀。扭力傳感器是對各種旋轉(zhuǎn)或非旋轉(zhuǎn)機(jī)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。通常所說的轉(zhuǎn)矩是外力矩，如機(jī)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(shí)，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。扭轉(zhuǎn)角相位差式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(dāng)彈性軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，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(jì)算出彈性軸所承受的扭矩量。

電位計(jì)式扭矩傳感器原理

電位計(jì)式扭矩傳感器主要可以分為旋臂式、雙級行星齒輪式、扭桿式。其中扭桿式測量結(jié)構(gòu)簡單、可靠性能相對比較高，在早期應(yīng)用比較多。

扭桿式扭矩傳感器主要由扭桿彈簧、轉(zhuǎn)角-位移變換器、電位計(jì)組成。扭桿彈簧主要作用是檢測司機(jī)作用在方向盤上的扭矩，并將其轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的轉(zhuǎn)角值。轉(zhuǎn)角-位移變換器是一對螺旋機(jī)構(gòu)，將扭桿彈簧兩端的相對轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)化為滑動套的軸向位移，由剛球、螺旋槽和滑塊組成?；瑝K相對于輸入軸可以在螺旋方向上移動，同時(shí)滑塊通過一個(gè)銷安裝到輸出軸上，可以相對于輸出軸在垂直方向上移動。因此，當(dāng)輸入軸相對于輸出軸轉(zhuǎn)動時(shí)，滑塊按照輸入軸的旋轉(zhuǎn)方向和相對于輸出軸的旋轉(zhuǎn)量，垂直移動。當(dāng)轉(zhuǎn)動方向盤的時(shí)候，鈕矩被傳遞到扭力桿，輸入軸相對于輸出軸方向出現(xiàn)偏差。該偏差是滑塊出現(xiàn)移動，這些軸方向的移動轉(zhuǎn)化為電位計(jì)的杠桿旋轉(zhuǎn)角度，滑動觸點(diǎn)在電阻線上的移動使電位計(jì)的電阻值隨之變化，電阻的變化通過電位計(jì)轉(zhuǎn)化為電壓。這樣扭矩信號就轉(zhuǎn)化為了電壓信號。

扭桿式扭矩傳感器在早期應(yīng)用比較多，但由于是接觸式的，工作時(shí)產(chǎn)生的摩擦使其易磨損，影響其精度，將會被逐步淘汰。

金屬電阻應(yīng)變片的扭矩傳感器原理

傳感器扭矩測量采用應(yīng)變電測技術(shù)。在彈性軸上粘貼應(yīng)變計(jì)組成測量電橋，當(dāng)彈性軸受扭矩產(chǎn)生微小變形后引起電橋電阻值變化，應(yīng)變電橋電阻的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕淖兓瘡亩鴮?shí)現(xiàn)扭矩測量。

傳感器由彈性軸、測量電橋、儀器用放大器、接口電路組成。彈性軸是敏感元件，在45度和135度的方向上產(chǎn)生最大壓應(yīng)力和拉應(yīng)力，這個(gè)時(shí)候承受的主應(yīng)力和剪應(yīng)力相等。

測量電橋可以采用半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片，并將它們接成差動全橋，其輸出電壓正比于扭轉(zhuǎn)軸所受的扭矩。

放大電路采用儀器用放大電路，它由專用儀器用放大電路構(gòu)成，也有三只單運(yùn)放電路組合而成，為了使一起具有高精度，必須使靈敏度系數(shù)為常數(shù)。

非接觸式扭矩傳感器原理

輸入軸和輸出軸由扭桿連接起來，輸入軸上有花鍵，輸出軸上有鍵槽。當(dāng)扭桿受方向盤的轉(zhuǎn)動力矩作用發(fā)生扭轉(zhuǎn)時(shí)，輸入軸上的花鍵和輸出軸上鍵槽之間的相對位置就被改變了?；ㄦI和鍵槽的相對位移改變量等于扭轉(zhuǎn)桿的扭轉(zhuǎn)量，使得花鍵上的磁感強(qiáng)度改變，磁感強(qiáng)度的變化，通過線圈轉(zhuǎn)化為電壓信號。信號的高頻部分由檢測電路濾波，僅有扭矩信號部分被放大。非接觸扭矩傳感器由于采用的是非接觸的工作方式，因而壽命長、可靠性高，不易受到磨損、有更小的延時(shí)、受軸的偏轉(zhuǎn)和軸向偏移的影響更小，現(xiàn)已成為廣泛應(yīng)用的主流產(chǎn)品。

光纖式扭矩傳感器主要是利用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信號讀取后并計(jì)算出相位差，由此能算出相應(yīng)的扭矩值。但是光纖式傳感器易受環(huán)境影響，安裝調(diào)試也相對較困難。

光電式扭矩傳感器以光電感應(yīng)元件為核心部件。當(dāng)傳動軸上加載扭矩時(shí)，由光源發(fā)出的光的強(qiáng)度會發(fā)生相應(yīng)變化，從而使光電元件的輸出電流發(fā)生變化。通過測量該變化值即可計(jì)算出扭矩值。

扭矩傳感器是一種測量各種扭矩、轉(zhuǎn)速及機(jī)械功率的精密測量儀器。應(yīng)用范圍十分廣泛，主要用于：交(直)流電動機(jī)、伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī);汽車發(fā)動機(jī)、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程的控制和檢測;電(手)動執(zhí)行器，各種閥門自動開閉控制。石油開采和提煉過程控制和監(jiān)測、火(水)力發(fā)電設(shè)備的監(jiān)測、礦石篩選控制，風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的監(jiān)測。各種材料扭矩壽命試驗(yàn)。鐵路機(jī)械設(shè)備過程控制等等