淺析扭矩傳感器發(fā)展歷程
淺析扭矩傳感器發(fā)展歷程
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(dòng)態(tài)和靜態(tài)兩大類，其中動(dòng)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(duì)各種旋轉(zhuǎn)或非旋轉(zhuǎn)機(jī)械部件上對(duì)扭轉(zhuǎn)力矩感知的檢測(cè)。扭矩傳感器將扭力的物理變化轉(zhuǎn)換成精確的電信號(hào)。扭矩傳感器可以應(yīng)用在制造粘度計(jì)，電動(dòng)（氣動(dòng)，液力）扭力扳手，它具有精度高，頻響快，可靠性好，壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。
扭矩傳感器，又稱扭矩儀。扭矩傳感器是對(duì)各種旋轉(zhuǎn)或非旋轉(zhuǎn)機(jī)械零件上扭矩感知的檢測(cè)。扭矩傳感器將扭矩的物理變化轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。
扭矩傳感器的工作原理:
一般來說，扭矩就是外扭矩。比如機(jī)床主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)是動(dòng)力源提供的外力矩的結(jié)果，而力矩是內(nèi)力矩。主軸工作時(shí)，刀具切削力對(duì)主軸的反作用力使其產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)彈性變形，可用來測(cè)量扭矩。力矩是使物體轉(zhuǎn)動(dòng)或扭轉(zhuǎn)的力矩，等于力和力臂的乘積。
轉(zhuǎn)矩是旋轉(zhuǎn)動(dòng)力系統(tǒng)中常涉及的參數(shù)。為了檢測(cè)轉(zhuǎn)矩，扭轉(zhuǎn)角相位差傳感器被廣泛使用。寧波辰邦智能扭矩傳感器是在彈性軸的兩端安裝兩組齒數(shù)、形狀和安裝角度相同的齒輪，在每個(gè)齒輪的外側(cè)安裝一個(gè)接近(磁或光)傳感器。當(dāng)彈性軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，兩組傳感器可以測(cè)量?jī)山M脈搏波。通過比較兩組脈搏波前后沿的相位差，可以計(jì)算出彈性軸所承受的扭矩量。
寧波辰邦智能扭矩傳感器的成熟測(cè)試方法是應(yīng)變電測(cè)技術(shù)，它具有精度高、頻響快、可靠性好、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。用應(yīng)變膠將測(cè)量扭矩的專用應(yīng)變片貼在被測(cè)彈性軸上，形成應(yīng)變橋。如果應(yīng)變電橋有工作電源，就可以測(cè)得彈性軸扭轉(zhuǎn)時(shí)的電信號(hào)。這是基本的扭矩傳感器模式。
然而，在旋轉(zhuǎn)動(dòng)力傳輸系統(tǒng)中，棘手的問題是如何在旋轉(zhuǎn)部分和靜止部分之間可靠地傳輸旋轉(zhuǎn)體上的應(yīng)變橋的橋壓輸入和檢測(cè)到的應(yīng)變信號(hào)輸出，這通常通過使用導(dǎo)電滑環(huán)來完成。由于導(dǎo)電滑環(huán)是摩擦接觸，不可避免地磨損發(fā)熱，限制了轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速和導(dǎo)電滑環(huán)的使用壽命。并且接觸不可靠造成信號(hào)波動(dòng)，導(dǎo)致測(cè)量誤差大，甚至測(cè)量不成功。
為了克服導(dǎo)電滑環(huán)的缺陷，另一種方法是采用無線電遙測(cè):扭矩應(yīng)變信號(hào)在轉(zhuǎn)軸上放大，經(jīng)V/F轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)，通過載波調(diào)制由無線電發(fā)射從轉(zhuǎn)軸傳到軸外，再由無線電接收即可得到轉(zhuǎn)軸扭轉(zhuǎn)的信號(hào)。轉(zhuǎn)軸上的能源是固定在轉(zhuǎn)軸上的電池。這種方法就是遙測(cè)扭矩儀。
扭矩傳感器發(fā)展歷程：
扭矩傳感器的發(fā)展歷程大致為：光學(xué)機(jī)械變形類型、電磁感應(yīng)類型、相位差類型、應(yīng)變類型。1856 年湯姆遜發(fā)現(xiàn)了在機(jī)械應(yīng)變作用下，金屬絲電阻會(huì)發(fā)生變化的現(xiàn)象，這奠定了電阻應(yīng)變片的研制基礎(chǔ)。1938 年魯奇與西蒙斯制造了紙基式電阻應(yīng)變片。此后，電阻應(yīng)變片得到了快速地發(fā)展，在工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，電阻應(yīng)變片也是用于扭矩測(cè)量的一種較佳選擇。
應(yīng)變型扭矩傳感器可利用被測(cè)物理量在彈性元件上產(chǎn)生彈性變形，因而彈性變形可通過應(yīng)變片轉(zhuǎn)換成電阻的變化，從而測(cè)出扭矩值。在轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)下可靠地自供電技術(shù)和信號(hào)傳輸技術(shù)是此類扭矩傳感器仍需研究的主要問題。1982 年日本福岡九州大學(xué) Sasada 等研究人員研制出了新型磁頭扭矩傳感器，利用等離子法在轉(zhuǎn)軸表面噴覆了一段磁致伸縮層，可以使整個(gè)測(cè)試裝置做的緊湊。1984 年，Sasada 等人提出了改進(jìn)方案，為了獲得較寬的動(dòng)態(tài)范圍和較好的線性度，采用了具有特定形狀的磁場(chǎng)各向異性的三角形或平行四邊形磁片。1986 年 Sasada等人研究了應(yīng)用非晶薄帶的磁致伸縮逆效應(yīng)來檢測(cè)扭矩，具體的方式是在一段圓軸表面上粘貼非晶薄帶，其粘貼方向與圓軸線成 45度角，最后基于此方法成功的研制了螺線管式扭矩傳感器。1992 年王榮等人為改善“角度依存性”問題，采用在轉(zhuǎn)軸的表面粘貼一層特制的軟磁合金薄帶的方法，研制了逆磁致伸縮扭矩傳感器。2011 年由淮海工學(xué)院的文西芹、李紀(jì)明等人研究了一種磁彈性效應(yīng)的新型扭矩傳感器，其氣隙擾動(dòng)小、磁滯小、可滿足電助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的使用要求。
由日立公司研制的 MR 編碼器式扭矩傳感器是轉(zhuǎn)角型扭矩傳感器的典型代表，其工作原理是在被測(cè)件之間安裝一轉(zhuǎn)軸，在轉(zhuǎn)軸的兩端分別裝有一個(gè) MR 編碼器，由每個(gè)編碼器的兩相正弦輸出可以分別計(jì)算出轉(zhuǎn)軸兩端的角度，再由兩個(gè)角度交差計(jì)算出扭矩。2005 年重慶工學(xué)院遠(yuǎn)程測(cè)試與控制技術(shù)研究所開發(fā)了螺桿差動(dòng)變壓器式的扭矩傳感器，當(dāng)彈性軸受到扭力時(shí)，軸會(huì)產(chǎn)生一定的扭矩角度，再通過內(nèi)部的銜鐵作用以感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的形式輸出。2010 年由淮海工學(xué)院和江蘇海洋資源開發(fā)研究院共同研制了一種非接觸測(cè)量方式的磁電型扭矩傳感器。2014 年趙浩、丁立軍等人基于電磁感應(yīng)原理，設(shè)計(jì)了一種新型扭矩傳感器。
近年來一些新型扭矩傳感器不斷被開發(fā)和研制出來，包括光纖式扭矩傳感器、無線聲表面波式扭矩傳感器、磁敏式扭矩傳感器、激光多普勒式扭矩傳感器、激光衍射式扭矩傳感器等。如美國(guó)佛吉尼亞西蒙斯飛行器公司，為了對(duì)飛行器的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行扭矩測(cè)試，研發(fā)了一種基于光纖技術(shù)的光纖式扭矩傳感器。重慶大學(xué)光電技術(shù)及系統(tǒng)教部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究人員，提出了一種新型平板式壓電四維力/力矩傳感器，大連理工大學(xué)聯(lián)合長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，研制了一種具有分載測(cè)量功能的預(yù)緊式 Stewart 結(jié)構(gòu)六維力/力矩傳感器。
