扭矩傳感器在軸功率測量中的應用和發展趨勢

史嘯寒 陳冠通

摘 要： 本文介紹了多種類型的扭矩傳感器的原理和特點，以及其在軸功率測量系統中的一些應用，最后展望了扭矩傳感器的發展趨勢。

關鍵詞： 扭矩傳感器；軸功率測量系統；無線遙測；應變電測技術

1.引言

軸功率是水泵等動力裝置關鍵的性能參數之一，也是實際生產中十分重要的能耗與安全指標。所以，設計制造出精確、可靠的軸功率測量儀器對于機械設備的研發測試、安全保障、性能提高等都具有很大的現實意義。

目前測量軸功率大致可以分為兩類，即電測功法和扭矩測功法。其中電測功法是利用間接測量的方式，先測量相關數據得到原動機的輸入功率，再間接求得軸功率。電測功法往往利用損耗分析法來計算泵軸的功率，然而損耗分析法在實際應用中數據處理繁瑣復雜。測量泵軸功率更精確的方法是利用應變扭矩法，通過測量原動機動力輸出軸的扭矩和轉速從而得到泵軸的功率。

2.扭矩傳感器概述

扭矩測量過程是一些動力設備開發調試、質量把控、工況監測、優化升級等必不可少的步驟，在此測試過程中扭矩傳感器起到了至關重要的作用。 為了適應更高的精度要求以及某些復雜惡劣的工作環境，目前國內外對于扭矩傳感器的研究成果頗豐，種類很多，根據原理的不同可以分成應變型、磁彈性型、轉角型這三種類別。

國外在應變電測技術上的研究較早，技術成長較為成熟。德國的HBM公司研制的電阻應變式扭矩傳感器，采用弧齒聯軸節，減小了不同軸度引起的測量誤差。 英國的霍佛科公司也開發出了類似的運用應變電測技術的測量儀。日本九州技術研究所研發出了用非晶態星形線圈制成的扭矩傳感器。扭矩產生的的角變形可被線圈所感應，再輸出相應的電信號。

國內的起步則較晚，但是也有令人矚目的學術創新與產品成績。北京冶金一局超硬材料研究所的李國林研制了一組旋轉變壓器，實現了能源的非接觸式傳遞。洛陽工學院等研制的動態扭矩測試儀，能夠實時顯示扭矩的大小，還具有閾值報警功能， 并通過合理布線等方式提高其抗干擾性能。

應變電測技術是一項發展十分成熟的技術，電阻應變片因為其成本低、體積小、易操作而受到青睞。利用應變電測技術制成的各項儀器目前也被國內外廣泛應用于土木、鐵路、機械、航空航天等各個領域當中。 同時，應變電測技術現階段還在不斷創新和發展，出現了能夠適用于特殊應用場景的新型電阻應變計以及更高精度與穩定性的數據采集和分析儀器。

應變型扭矩傳感器操作簡單，是當下應用最為廣泛的一種傳感器。它采用在旋轉軸表面貼應變片的傳統方法，旋轉軸受扭矩影響產生變形，使得貼在其上的應變片變形致使電阻值發生改變，應變電橋失衡，輸出與扭矩成正比的電信號，然后再進行分析處理。磁彈性型扭矩傳感器是非接觸式的，它是根據扭軸截面上的剪應力與扭矩成正比且磁性材料在機械應力作用下， 其導磁性能發生相應變化的原理設計的。轉角型扭矩傳感器是利用扭軸產生的變形角和剪應變角設計的，常常被用來測量長且細旋轉軸的扭矩信息。

3.軸功率測量中的應用

軸功率測量的原理是扭矩與轉速的乘積，P=Tn/9550，所以軸功率的測量工作應圍繞扭矩和轉速數據的獲取來展開。轉速和扭矩信息可以分別由轉速儀和扭矩傳感器測量得到。由于導線也具有電阻，其也算入橋臂電阻內，會使測量產生一定誤差，另外在較為惡劣的環境下無法布線，所以目前軸功率測量更多采用無線遙測的方式。

現階段比較成熟的無線傳輸技術有WIFI，藍牙，Zigbee等。WIFI已經在筆記本電腦，智能手機等智能設備上廣泛應用，基于WIFI技術的智能家庭互聯也在快速推進和發展，但是其數據安全性能較差，且功耗高，輻射大。藍牙技術采用分散式的網絡架構，支持點對點和點對多點通訊，受到了市場的歡迎和青睞。相比較于前兩種無線傳輸技術，Zigbee以其低功耗、自組網的特性在物聯網和工業控制領域受到了高度關注。

市面上的軸功率測量系統一般都具有數據采集模塊、數據傳輸模塊以及數據處理模塊這三個模塊。天津工程機械研究所應用單片微機研制成的MSZ-12型轉速扭矩功率儀具有轉速和扭矩兩個輸入口，還可以和微機和制圖儀連接，具有易操作、精度高、體積小的優點。江蘇東華測試技術股份有限公司生產的DH5905無線扭矩測試系統，具有測量旋轉軸的扭矩和軸功率等信息的功能。測試系統采用WiFi無線通訊技術，安裝方便，無需繁瑣的現場布線，更適用于狹小空間和有線傳輸不便的場合的應變應力測量。該儀器可以實時顯示扭矩值，通過測量轉速還可以得到旋轉軸的軸功率值，并采用了分體設計，對稱安裝，測量時不會影響軸系平衡。

4.扭矩測量的發展趨勢

（1）材料工業技術的發展使得研制出擁有更多功能、更高精度與穩定性的扭矩傳感器成為可能。

（2）現代網絡和人工智能交互技術飛速進步，扭矩測量勢必會朝著自動化、智能化、集成化、網絡化方向發展。

（3）相比于傳統的有線測量，基于無線通信技術原理研制的、可無線遙測的非接觸式扭矩傳感器將會更受市場的青睞。

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