第二节第二节 扭矩传感器扭矩传感器v使使物物体体转转动动的的力力偶偶或或力力矩矩，简简称称转转矩矩，因因为为它它使使物物体体产产生生某某种种程程度度的的扭扭转转变变形形，所所以以又又称为扭转力矩，简称扭矩。称为扭转力矩，简称扭矩。v其单位为牛顿米其单位为牛顿米(Nm)。v只只要要转转轴轴的的尺尺寸寸、材材料料确确定定，转转轴轴的的切切应应变变(应应力力)和和两两端端面面的的相相对对转转角角只只与与轴轴上上所所承承受受的扭矩有关，且成正比例关系。的扭矩有关，且成正比例关系。1第二节第二节 扭矩传感器扭矩传感器v一一般般扭扭矩矩测测试试方方法法正正是是基基于于这这种种关关系系，用用各各种种传传感感器器将将转转轴轴的的切切应应变变或或两两端端面面的的相相对对转转角角变变换换为为电电量量，再再经经测测量量电电路路进进一一步步变变换换，实现对扭矩的测量。实现对扭矩的测量。v常常见见的的扭扭矩矩测测量量方方法法可可分分为为应应力力或或应应变变式式及及相对转角式相对转角式。2一、电阻应变式扭矩传感器一、电阻应变式扭矩传感器v当当轴轴类类零零件件受受扭扭矩矩作作用用时时，在在其其表表面面产产生生切切应变，此应变可用电阻应变片测量。应变，此应变可用电阻应变片测量。v应应变变片片可可以以直直接接贴贴在在需需要要测测扭扭矩矩的的轴轴类类零零件件上上，也也可可以以贴贴在在一一根根特特制制的的弹弹性性传传动动轴轴上上，制成一个应变式扭矩传感器。制成一个应变式扭矩传感器。3一、电阻应变式扭矩传感器一、电阻应变式扭矩传感器v由由材材料料力力学学理理论论分分析析可可知知，轴轴体体在在扭扭矩矩T作作用用下下，表表面面沿沿着着与与轴轴线线成成45 和和135 斜斜角角方向产生主应力。方向产生主应力。v主应变为：主应变为：E一轴材料的弹性模量一轴材料的弹性模量(Pa)； 轴材料的泊松比；轴材料的泊松比； 、 与与主主应应力力 、 对对应的主应变；应的主应变；W轴的扭转断面矩轴的扭转断面矩(m3) 4一、电阻应变式扭矩传感器一、电阻应变式扭矩传感器v如如果果在在主主应应变变 、 方方向向贴贴上上应应变变片片，测测出出主应变，即可间接测出轴上所受的扭矩主应变，即可间接测出轴上所受的扭矩T。5一、电阻应变式扭矩传感器一、电阻应变式扭矩传感器v应应变变式式扭扭矩矩传传感感器器。四四个个应应变变片片中中的的两两个个粘粘贴贴在在与与轴轴线线成成45 的的方方向向上上，另另外外两两个个粘粘贴贴在在与与轴轴线线成成135 的方向上。的方向上。v四四个个应应变变片片接接成成全全桥桥回回路路，除除可可提提高高灵灵敏敏度度外外，还还可可消消除除轴轴向向力和弯曲力的影响。力和弯曲力的影响。6一、电阻应变式扭矩传感器一、电阻应变式扭矩传感器v集集流流环环是是将将转转动动中中轴轴体体上上的的电电信信号号与与固固定定测测量电路装置相联系的专用部件。量电路装置相联系的专用部件。v四四个个集集流流环环中中的的两两个个用用于于接接入入激激励励电电压压，两两个用于输出信号。个用于输出信号。v集集流流环环按按工工作作原原理理分分为为电电刷刷-滑滑环环式式、水水银银式式和和感应式感应式等几种等几种 7一、电阻应变式扭矩传感器一、电阻应变式扭矩传感器v电刷电刷-滑环式集流环滑环式集流环v电电刷刷-滑滑环环式式集集流流装装置置分分径径向向和和端端面面两两种种，其其结结构构形形式式虽虽然然不不同同，但但信信号号传传输输的的原原理理一一样。样。8一、电阻应变式扭矩传感器一、电阻应变式扭矩传感器v电刷电刷-滑环式集流环滑环式集流环v套筒套筒1v绝缘环绝缘环2v滑环滑环3v电刷电刷4v簧片簧片5v外壳外壳6v轴承轴承79一、电阻应变式扭矩传感器一、电阻应变式扭矩传感器v电刷电刷-滑环式集流环滑环式集流环v对对于于半半桥桥测测量量，集集流流环环和和电电刷刷有有三三对对。对对于于全桥测量，集流环和电刷有四对。全桥测量，集流环和电刷有四对。10一、电阻应变式扭矩传感器一、电阻应变式扭矩传感器v电刷电刷-滑环式集流环滑环式集流环v集流环的关键零件是电刷和滑环。集流环的关键零件是电刷和滑环。v一一般般用用途途的的集集流流装装置置，滑滑环环用用紫紫铜铜制制成成，电电刷用石墨刷用石墨-铜合金制成。铜合金制成。v对对于于测测量量精精度度要要求求较较高高的的集集流流装装置置，滑滑环环用用纯纯银银或或蒙蒙乃乃尔尔合合金金制制成成，电电刷刷用用石石墨墨-银银合合金金制制成成。为为使使电电刷刷在在测测量量中中始始终终压压在在集集流流环环上，簧片采用弹性极好的铍青铜制成。上，簧片采用弹性极好的铍青铜制成。11一、电阻应变式扭矩传感器一、电阻应变式扭矩传感器v电刷电刷-滑环式集流环滑环式集流环v这这种种集集流流装装置置结结构构简简单单，坚坚固固耐耐用用，维维修修方方便便，但但是是它它的的接接触触电电阻阻易易受受振振动动影影响响而而波波动动，影响到测量精度。影响到测量精度。12一、电阻应变式扭矩传感器一、电阻应变式扭矩传感器v水银集流装置水银集流装置v内套内套1v外壳体外壳体2v滚动轴承滚动轴承3v绝缘环绝缘环4v接触环接触环5v外绝缘环外绝缘环6v外接触环外接触环7v孔孔8v螺塞螺塞913一、电阻应变式扭矩传感器一、电阻应变式扭矩传感器v感应式集流装置感应式集流装置v它它是是利利用用电电磁磁感感应应原原理理将将旋旋转转部部分分的的电电信信号号耦耦合合到到固固定定部部分分上上，去去掉掉了了各各种种接接触触点点，因因而而称称无无接接触触集集流流装装置置，也也称称变变压压器器式式集集流流装装置置。14一、电阻应变式扭矩传感器一、电阻应变式扭矩传感器v感应式集流装置感应式集流装置15一、电阻应变式扭矩传感器一、电阻应变式扭矩传感器v感应式集流装置感应式集流装置v这这种种集集流流装装置置无无接接触触电电阻阻的的影影响响，体体积积小小惯惯性也小，但易受外电磁场的干扰。性也小，但易受外电磁场的干扰。16一、电阻应变式扭矩传感器一、电阻应变式扭矩传感器v无线传输无线传输v随随着着无无线线电电发发射射技技术术和和接接受受技技术术在在测测试试中中的的应应用用，近近年年来来愈愈来来愈愈多多地地利利用用近近程程遥遥测测装装置置进行扭矩测量。进行扭矩测量。v被被测测轴轴上上固固定定信信号号发发射射装装置置，应应变变片片接接到到发发射射装装置置上上，应应变变信信号号通通过过发发射射装装置置天天线线发发射射出出去去，由由接接收收装装置置接接收收、放放大大并并显显示示(或或记记录录)。17二、压磁式二、压磁式(磁弹式磁弹式)扭矩仪扭矩仪v压磁式扭矩仪又称压磁式扭矩仪又称磁弹式磁弹式扭矩仪。扭矩仪。v轴轴由由强强磁磁性性材材料料制制成成。根根据据磁磁弹弹效效应应，受受扭扭矩矩作作用用的的轴轴的的导导磁磁性性（磁磁导导率率）也也要要发发生生相相应应的的变变化化，即即磁磁导导率率发发生生变变化化，从从而而引引起起线线圈圈的的感感抗抗变变化化，通通过过测测量量电电路路测测量量感感抗抗的的变变化可以确定扭矩。化可以确定扭矩。v扭矩扭矩磁导率磁导率感抗感抗18二、压磁式二、压磁式(磁弹式磁弹式)扭矩仪扭矩仪v压磁式扭矩仪又称磁弹式扭矩仪。压磁式扭矩仪又称磁弹式扭矩仪。19三、电容式扭矩测量仪三、电容式扭矩测量仪v电电容容式式扭扭矩矩测测量量仪仪是是利利用用机机械械结结构构，将将轴轴受受扭扭矩矩作作用用后后的的两两端端面面相相对对转转角角变变化化变变换换成成电电容容器器两两极极板板之之间间的的相相对对有有效效面面积积的的变变化化，引引起起电容量电容量的变化来测量扭矩。的变化来测量扭矩。20三、电容式扭矩测量仪三、电容式扭矩测量仪21三、电容式扭矩测量仪三、电容式扭矩测量仪v金金属属圆圆盘盘8、9之之间间电电容容量量的的大大小小，取取决决于于它它们们之之间间的的距距离离以以及及开开孔孔金金属属圆圆盘盘4、5所所组成扇形孔的大小组成扇形孔的大小。v当当轴轴承承受受扭扭矩矩时时，开开孔孔金金属属圆圆盘盘4、5产产生生相相对对角角位位移移，窗窗孔孔尺尺寸寸变变化化，使使得得金金属属圆圆盘盘8、9之间的电容发生相应变化。之间的电容发生相应变化。v使使输输出出信信号号与与开开孔孔金金属属圆圆盘盘4、5之之间间的的角角位位移移成成比比例例，角角位位移移与与轴轴1所所承承受受的的扭扭矩矩成成比例。比例。22三、电容式扭矩测量仪三、电容式扭矩测量仪v电电容容式式扭扭矩矩传传感感器器的的主主要要优优点点是是灵灵敏敏度度高高。测量时它需要集流装置传输信号。测量时它需要集流装置传输信号。23四、光电式扭矩测量仪四、光电式扭矩测量仪v光电式扭矩传感器的结构如图。光电式扭矩传感器的结构如图。24四、光电式扭矩测量仪四、光电式扭矩测量仪v当当轴轴1传传递递扭扭矩矩时时，由由于于轴轴1的的变变形形，使使圆圆盘盘重重合合的的透透光光面面积积减减小小。光光电电元元件件4输输出出脉脉冲电流的宽度也相应减小。冲电流的宽度也相应减小。25四、光电式扭矩测量仪四、光电式扭矩测量仪v这这 种种 扭扭 矩矩 传传 感感 器器 的的 工工 作作 转转 速速 为为 (100800)r/min，测量精度为，测量精度为1。26五、钢弦式扭矩传感器五、钢弦式扭矩传感器v钢钢弦弦式式扭扭矩矩传传感感器器是是将将扭扭矩矩转转换换成成钢钢弦弦固固有有频率变化进行工作。频率变化进行工作。27五、钢弦式扭矩传感器五、钢弦式扭矩传感器v在在初初始始张张力力一一定定时时(预预紧紧力力)，轴轴传传递递扭扭矩矩，产产生生扭扭转转变变形形，钢钢弦弦4、5一一个个张张力力增增加加，一一个个张张力力减减小小，使使初初始始固固有有频频率率相相同同的的两两根根钢弦的钢弦的固有频率固有频率发生了变化。发生了变化。v将将它它们们差差接接后后，在在一一定定范范围围内内其其频频率率变变化化和和张张力力变变化化成成正正比比，而而该该张张力力与与轴轴的的相相对对扭扭转转角成正比角成正比，因而也和扭矩成正比因而也和扭矩成正比。v可可通通过过测测量量钢钢弦弦振振动动频频率率的的方方法法确确定定轴轴所所承承受的受的扭矩扭矩。28