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各类扭矩传感器工作原理

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发表于 3 天前 | 显示全部楼层 |阅读模式
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扭矩传感器的种类有很多,主要有金属电阻应变片的扭矩传感器、电位计式扭矩传感器、非接触式扭矩传感器等,随技术的进步将会有精度更高、成本更低的传感器出现,本文介绍各类扭矩传感器的构成与原理。
        一、金属电阻应变片的扭矩传感器
        传感器扭矩测量采用应变电测技术。在弹性轴上粘贴应变计组成测量电桥,当弹性轴受扭矩产生微小变形后引起电桥电阻值变化,应变电桥电阻的变化转变为电信号的变化从而实现扭矩测量。
        传感器由弹性轴、测量电桥、仪器用放大器、接口电路组成。弹性轴是敏感元件,在45度和135度的方向上产生最大压应力和拉应力,这个时候承受的主应力和剪应力相等。
        测量电桥可以采用半导体电阻应变片,并将它们接成差动全桥,其输出电压正比于扭转轴所受的扭矩。
        放大电路采用仪器用放大电路,它由专用仪器用放大电路构成,也有三只单运放电路组合而成,为了使一起具有高精度,必须使灵敏度系数为常数。
        在金属电阻应变片的扭矩传感器中,需要解决的技术关键是:
        1、弹性轴的工作区域不应该大于弹性区域的1/3,且取初始段。为了将迟滞误差减低到最底,按照超载能力指数选取最大的轴径。
        2、采用LM型硅扩散力敏全桥应变片,较好的敏感性,很小的非线形度。
       
        3、采用高精度的稳压电源。
        二、电位计式扭矩传感器
        电位计式扭矩传感器主要可以分为旋臂式、双级行星齿轮式、扭杆式。其中扭杆式测量结构简单、可靠性能相对比较高,在早期应用比较多。
        扭杆式扭矩传感器主要由扭杆弹簧、转角-位移变换器、电位计组成。扭杆弹簧主要作用是检测司机作用在方向盘上的扭矩,并将其转化成相应的转角值。转角-位移变换器是一对螺旋机构,将扭杆弹簧两端的相对转角转化为滑动套的轴向位移,由刚球、螺旋槽和滑块组成。滑块相对于输入轴可以在螺旋方向上移动,同时滑块通过一个销安装到输出轴上,可以相对于输出轴在垂直方向上移动。因此,当输入轴相对于输出轴转动时,滑块按照输入轴的旋转方向和相对于输出轴的旋转量,垂直移动。当转动方向盘的时候,钮矩被传递到扭力杆,输入轴相对于输出轴方向出现偏差。该偏差是滑块出现移动,这些轴方向的移动转化为电位计的杠杆旋转角度,滑动触点在电阻线上的移动使电位计的电阻值随之变化,电阻的变化通过电位计转化为电压。这样扭矩信号就转化为了电压信号。
        扭杆式扭矩传感器在早期应用比较多,但由于是接触式的,工作时产生的摩擦使其易磨损,影响其精度,将会被逐步淘汰。

         


        三、非接触式扭矩传感器


        输入轴和输出轴由扭杆连接起来,输入轴上有花键,输出轴上有键槽。当扭杆受方向盘的转动力矩作用发生扭转时,输入轴上的花键和输出轴上键槽之间的相对位置就被改变了。花键和键槽的相对位移改变量等于扭转杆的扭转量,使得花键上的磁感强度改变,磁感强度的变化,通过线圈转化为电压信号。信号的高频部分由检测电路滤波,仅有扭矩信号部分被放大。非接触扭矩传感器由于采用的是非接触的工作方式,因而寿命长、可靠性高,不易受到磨损、有更小的延时、受轴的偏转和轴向偏移的影响更小,现已成为广泛应用的主流产品。
         


        四、其它扭矩传感器
        相位差传感方式来检测扭矩的扭矩传感器,这种传感器具有高精度,高重复性的特点。其测量原理为:在受扭轴的两端各安上一个齿轮,对着齿面再各装一个电磁传感器,从传感器上就能感应出两个与动力轴非接触的交流信号。取出其信号的相位差,在这两个相位差之间,插入由晶体震荡器产生的高精度,高稳定的时钟信号。以这个时钟信号为基准,巧妙运用数字信号处理技术就能精确地测出所承受的扭矩。
        扭矩传感器的应用范围
        扭矩传感器是一种测量各种扭矩、转速及机械功率的精密测量仪器。应用范围十分广泛,主要用于:
        1、电动机、发动机、内燃机等旋转动力设备输出扭矩及功率的检测;
        2、风机、水泵、齿轮箱、扭力板手的扭矩及功率的检测;
        3、可用于污水处理系统中的扭矩及功率的检测;
        4、铁路机车、汽车、拖拉机、飞机、船舶、矿山机械中的扭矩及功率的检测;
        5、可用于过程工业和流程工业中;
        6、可用于制造粘度计。




        扭矩传感器的发展趋势


        随着自控系统的不断完善和发展,对扭矩传感器的精度、可靠性和响应速度提出了跟高的要求。扭矩传感器正呈现以下的发展趋势:
        1、测试系统向微型化!数字化、智能化、虚拟化和网络化方向发展;
        2、从单功能向多功能发展,包括自补偿、自修正、自适应、自诊断、远程设定、状态组合、信息存储和记忆;
        3、向着小型化、集成化方向发展。传感器的检测部分可以通过结构的合理设计和优化来实现小型化,IC部分可以整合尽可能多的半导体部件、电阻到一个单独的IC部件上,减少外部部件的数量。
        4、由静态测试向动态在线检测方向发展。本文来源:http://www.cazsensor.com/product/y





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