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国内扭矩传感器的发展研究综述

2016年12月15日11:44 阅读:2033次
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     扭矩传感器是扭矩测试中不可或缺的重要部分。它主要用来测量各种扭矩、转速及机械功率,它将扭力的变化转化成电信号,其精度关系到整个检测系统的精度。扭矩传感器在后面的检测系统中起着非常重要的作用,如果传感器没有高的精度,后面的精度再高,也难以提高整个检测系统的精度。因此,随着对检测系统精度及应用范围要求的不断提高,扭矩传感器也在不断地发展着。

     非接触式扭矩传感器无接触、使用寿命长、无磨损、转换精度高;非接触式传感器采用微电子测量,可靠性大幅提高,可在高转速下进行扭矩测量;内藏控制电路,可以实现各种控制补偿提高精度;通过无线发送和接收可以实现直接与数字仪表和计算机相联。非接触式扭矩传感器主要包括应变式、磁弹性式、磁电式和光电式传感器。

     1. 应变非接触式传感器发展研究情况

     应变非接触式传感器是从应变接触式传感器的基础上发展起来的,它整合了已有的扭矩测量技术和方法,通过技术改进和革新,实现非接触扭矩测量目标;它采用无线电遥测技术替代接触式的用导电滑环和刷臂传输扭矩信息的非接触式扭矩传感器。下面分别介绍应变非接触传感器的发展研究情况。

     1993年苏州大学工学院研制的微型遥测扭矩仪。工作原理是把贴于轴上的应变桥路和大规模模拟集成电路5G7650的放大器、单片集成的V/f转换器AD537的V/f电路及发射电路固定在转轴上,其接收放大电路用飞利浦公司的TDA7021T调频信号处理电路。此类扭矩传感器利用无线传输的总精度约为0.5%。

     1994年航天工业总公司的第四十四研究所研制了CN15-1型转矩转速传感器,为了提高传感器的使用寿命和测量精度,它的转矩测量电源传输采用了电感引电器机构,即用电磁感应现象来传输能源。它的工作原理和变压器相似,初次级线圈分别绕在一个静止和一个旋转的磁芯上。CN15-1型传感器是用光电计数-测频法进行转速测量的。CN15-1型传感器的转矩测量信号输出运用电容引电器机构。

     1997年洛阳工学院和洛阳轴承集团公司共同研制了在线动态扭矩测试仪。它把检测和发射电路集成在一块20mm×35mm的印刷电路板上,与扭矩传感器固接在一起。

     2. 磁弹性式传感器发展研究情况

     基于铁磁物质的压磁效应制成了磁弹性式传感器。某些铁磁物质在外界机械力的作用下,其内部产生应力,从而引起磁导率的变化,这种现象称为压磁效应。反之,某些铁磁物质在外界磁场力的作用下会产生变形,部分伸长,部分压缩,这种现象称为磁致伸缩。

     2001年华北工学院张艳花等研究一种新型磁弹传感器。它提出一种新的测试方法,这种方法不借助涂层,直接测定轴材料应力。这种扭矩传感器是在U形磁芯上绕上一组线圈,构成检测磁头,使用时将扭矩传感器安装在金属表面,由被测金属和传感器检测磁头的磁芯共同构成一个磁路,通过测量闭合磁路磁阻的改变,从而测得扭应力的变化。

     2001年中国矿业大学设计了一种适用于煤矿生产中的逆磁致伸缩效应扭矩传感器,这种扭矩传感器由外罩、激励线圈和测量线圈、激励铁心和测量铁心、调节装置和铁心固定架等组成。两个有相同截面形状的U型铁心呈十字交叉安放,各个磁极上分别绕有测量线圈和激励线圈,其中激励线圈和测量线圈的两个磁极所在平面与被测轴线平行和垂直。两对磁极与被测轴表面之间有气隙,≥1mm。当激励线圈接交流电压时,在被测轴表面的对应部分产生相应磁场,由于材料的各向同性,当轴无扭矩作用时,此磁场具有对称性,磁桥处于平衡,测量线圈中就会有感应电势产生;当轴受有扭矩作用时,轴体表面磁场就会失去对称性,磁桥平衡被打破,于是在测量线圈中就有感应电动势产生。再根据输出电压与被测轴扭矩的关系就可得到要测的扭矩值。

     3. 磁电式传感器发展研究情况

     磁电式传感器是依据磁电转换和相位差原理制成的。它将扭矩值转换成有相位差的电信号,因而实现扭矩的测量。

     2005年重庆工学院远程测试与控制技术研究所研究了一种基于螺管形差动变压器的非接触式扭矩传感器。其工作原理是当轴受到扭矩作用时,轴会产生转角,当轴产生转角时,凸块在衔铁内部运动将轴的转角转化为衔铁的轴向位移,进而转换为次级线圈的感应电动势。

     2009年淮海工学院机和江苏海洋资源开发研究院共同研制了一种新型磁电感应式动态非接触扭矩传感器,它是在转轴表面附着一条薄带,其磁导率远大于晶态合金Co基非晶态合金薄带,它的轴向和径向尺寸与传感器铁心尺寸相符,厚度为0.035mm。扭矩传感器探头采用了“E”字型磁极,两侧为测量磁极,中间为激励磁极。当激磁绕组通入频率的激磁电流时,形成闭合磁路;当传感器探头与非晶态合金薄带和转轴正对时,由于气隙的变化,磁路中的磁阻会发生变化,进而引起磁通变化,导致测量绕组中感应电压的变化。确定出两测量线圈输出感应电压的相位差就可以计算出转轴所受扭矩的大小。.

     4. 光电式传感器发展研究情况

     光电式扭矩传感器的主要部件有光源和光电元件。当传动轴受力时,光电元件把光源得到的光强度变化转换成输出脉冲电流的变化,通过电流的变化的测量来实现扭矩的测量。2006年重庆大学的光电技术及系统教育部重点实验室研究了一种光栅扭矩动态测量系统。它是在主轴两端各安装一对与主轴相连的主光栅和与光电三极管固定在一起的指示光栅,通过形成莫尔条纹,照射到光电三极管上。光电三极管实现光信号和电信号的转换。当主轴受力时两个光电三极管产生的电信号会因为光的衍射而具有的相位差。通过对相位差的处理可以得到所需的扭矩值。

 

     文章转自:宋春华,徐光卫.扭矩传感器的发展研究综述[J].微特电机,2012(11):58-60

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