發布日期：2022-10-09 點擊率：120
摘要：新型扭矩傳感器的開發一直是國內外眾多專家學者研究的重點。但近年來，非接觸式旋轉軸扭矩測量裝置 的研究成為扭矩測量的一個重要研究方向。從介紹一般性扭矩測量入手，在分析了非接觸扭矩測量的應用需求之后, 發現非接觸扭矩測量技術的突破性發展為實現不間斷、高可靠性、高動態性扭矩測量提供了關鍵性的解決方案，同時 極大的提高了對被測裝置控制的準確性;在此基礎上，進一步歸納得出兩種實現非接觸扭矩測量的關鍵技術,分別是: 無線信號傳輸和特殊扭矩敏感材料的使用，并通過最新扭矩測量工程實例予以證明和解釋。最后，對非接觸式旋轉軸 扭矩測量今后的發展進行展望。
關鍵詞：扭矩測量；非接觸；旋轉軸；無線信號傳輸；扭矩敏感材料
0 引 言
在工業生產、科學研究、日常生活中，扭矩測量的需求 十分廣泛,其中以旋轉軸的扭矩測試最為常見。大到測功 機，小到扭力扳手，市場上可以購買到各種各樣的扭矩測 量裝置。解決旋轉軸扭矩測量的方案各不相同，有傳統的 應變式、電磁式,也有新穎的聲表面波、逆磁致伸縮法等。
人們常常通過測量旋轉軸上的扭矩和轉速等參數，達 到控制旋轉軸或與旋轉軸相連接裝置的目的。轉速和轉 矩作為旋轉軸最重要的測量參數，如何既做到準確、快速、 可靠和廉價地測量這兩個量，同時又不會因為引入了測量 反饋環節而影響旋轉軸的工作狀態，成為了新時期扭矩測 量研究的重點和難點。由此，扭矩測量領域引入了一個重要的研究課題一非接觸測量旋轉軸扭矩。
本文從一般性扭矩測量方法的歷史和分類入手，結合 非接觸扭矩測量的應用需求，歸納得到用于實現非接觸扭 矩測量的解決方法和關鍵技術，并通過實例應用進一步說 明。最后，文章展望了非接觸扭矩測量的未來方向，為進 一步優化設計和實際運用非接觸扭矩傳感器提供了參考。
1 一般性扭矩測量的歷史沿革和技術分類
扭矩傳感器的發明最早可以追溯到發電機的扭矩測 量，但是該種扭矩測量只能測量靜態扭矩，對于像內燃機 一類的動態或者時變的扭矩則不能適用。19世紀30年 代，相位差式扭矩測量裝置在歐洲發明成功，當時的測量 精度可以達到土4%。19世紀50年代，第一個可靠性 高，可長時間使用的應變計發明成功，產品化之后，數以 億計的應變計用于各種場合的扭矩測量。19世紀80年代，一種新式的扭矩傳感器一旋轉變壓器式扭矩傳感 器13悄然興起。它通過兩組帶間隙的特殊環形旋轉變壓 器實現能源和信號的無接觸傳遞，該傳感器第一次實現了 扭矩的非接觸測量。如果說旋轉變壓器式扭矩傳感器解 決了有線測量到無線測量的技術難題，那么聲表面波 (surface acoustic wave,簡稱SAW)扭矩傳感器則進一步 將扭矩傳感器從有源帶入了無源時代。進入上個世紀90年代，隨著材料技術的發展和進步，美國發明出了利用 鐵磁材料磁致伸縮特性的磁彈性扭矩測量設備，該種方法 的測量精度在±1%左右，且造價低廉，對溫度不敏感，工 作壽命長。
綜上所述，一般性扭矩測量技術經歷了不到100年的 發展，卻出現了數次革命性的創新。根據測量手段的不同，歸納起來共有3類扭矩測量的方法。
1.1 測應變測扭矩
測應變測扭矩是一種常規的扭矩測量的手段。該方 案首先測量旋轉軸表面的應力應變值，再將測量值代入相 應的力學公式折算，最終獲得旋轉軸上承受的扭矩大小。 從第一枚應變片設計成功至今，應變計已經從原先單一的 電阻式應變計逐漸發展成為利用多種物理原理制成的應 力敏感元件，例如：聲表面波傳感器、逆磁致伸縮材料傳感器、壓電式扭矩傳感器等。
1.2 測轉角測扭矩
測轉角測扭矩是一種特別適合細長旋轉軸的扭矩測 量方案。該方案多是在旋轉軸的同軸方向上加裝柔性扭 桿，通過測量扭桿旋轉的相對角度測量扭矩。己有的測轉 角測扭矩的方案有：電磁式測轉角測扭矩、光電式測轉角 測扭矩、激光式測轉角測扭矩、電容式測轉角測扭矩等。
1. 3 測反作用力測扭矩
測反作用力測扭矩是通過測量制動扭矩（為阻止電動 機的旋轉而施加的反扭矩，該扭矩就叫做制動扭矩）測扭 矩的一種扭矩測量方案，這種方法有一定的局限性，只能 測靜態力矩。采用這種方案的扭矩測量案例有：扭力扳 手、靜態扭矩實驗測量裝置等。
2 非接觸式扭矩測量的應用需求
扭矩測量雖然屬于力學常規量的測量，但是隨著時代的發展，科學研究和制造生產對扭矩測量提出了更高的要 求，在眾多特殊場合的扭矩測量中，常規的扭矩測量方案已經不能夠滿足需求。例如，在測量石油鉆探中使用的大 扭矩桿件的扭矩情況時，一旦傳感器接觸旋轉軸時，必將 受到極大的剪切力，極易造成扭矩測量裝置和被測裝置的 損壞;又如，在測量小于0. 1 NM的動態微扭矩時，若采用 常規的接觸式測量方案，扭矩傳感器與旋轉軸接觸產生的 阻力矩會影響旋轉軸的運動狀態，甚至導致停轉16 ;再如， 人工心臟的參數監測也需要用到扭矩的動態實時測量，即 測量人工心臟中的血泵的工作狀況，若采用接觸式測量必將改變血泵的受力情況，影響人工心臟的工作性能，加大 了控制單元對人工心臟狀態控制的難度。綜上，非接觸測 量可以滿足對于扭矩測量的眾多需求：
1)長期不間斷、高可靠性扭矩測量。一般性扭矩傳感 器一旦失效，不僅會造成扭矩傳感器自身的損壞，更嚴重 的是會造成被測量設備的重大機械損壞。例如:應變式扭 矩測量裝置中應變計的引線需要靠滑環（見圖1)引出，長 時間工作后，滑環極易發熱老化，甚至斷裂脫落，所以出于可靠性的考慮，該方案多用于低速旋轉軸的短期扭矩測 量。如果選擇非接觸式扭矩傳感器測量扭矩，它與旋轉軸 沒有力的相互作用，工作過程中不受軸向負載和彎曲載 荷，所以零件損耗小，工作壽命長，可以實現長期不間斷、 可靠性測量扭矩。
2)高動態性精確扭矩測量。傳感器自身的轉動慣量 是影響扭矩測量精度和動態性的重要問題，因為傳感器是有重量的，安裝在旋轉軸上后就相當于增加了一個“額外 質量”，這一質量在旋轉軸較輕或者轉速較慢的情況下是 不能忽略的，那便會導致旋轉軸的轉速明顯下降，測量得 到的扭矩大小將受到嚴重影響。如果采用非接觸式扭矩 測量，傳感器對旋轉軸無附加外力，這可以從根本上提高 測量的動態性和精確性，同時有助于提高系統的分辨率。
3)準確控制被測裝置。因為一般性扭矩測量裝置的體 積大，并且要與旋轉軸直接接觸，所以存在著一個不可避免 的問題，即由于安裝位置不當，或者接觸測量時產生的干擾 力或扭矩而改變旋轉軸的運動狀態，這類干擾是隨機的，很 難評估和定量，而扭矩測量往往又是作為控制單元的反饋 信號。這樣就會直接導致控制的準確性難以保證。唯有采 取非接觸式扭矩測量，從源頭上消除傳感器施加在旋轉軸 上的附加力，末端控制的高準確性才有可能實現。
3 實現非接觸式扭矩測量的關鍵技術
扭矩的非接觸式測量是在接觸式測量的基礎上發展 起來的。它綜合利用了已有的扭矩測量技術和方法，通過 技術改進和升級實現非接觸的扭矩測量目標。工程中，實 現非接觸測量的關鍵在于實現非接觸的扭矩信號傳遞。 現階段，可以實現非接觸扭矩信號傳遞的關鍵技術有如下 兩種。如圖2所示。1)增加無線信號傳輸模塊;2)使用特殊扭矩敏感材料。
3.1 基于無線信號傳輸模塊的非接觸扭矩測量方案
基于一般性扭矩測量方案，即測應變測扭矩、測轉矩 測扭矩、測反作用力測扭矩，這一方案是指增添無線信號 傳輸的功能單元實現非接觸扭矩信號傳遞。這是一種改 良方案，通過技術改進實現從有線接觸式扭矩測量到非接 觸無線扭矩測量的升級。
圖2基于一般性扭矩測量方案的非接觸扭矩測量實例
如圖2所示，傳統的接觸式測轉角測扭矩方案通過加 裝磁頭和齒輪，或者加裝光柵盤和光電管，利用場（例如: 磁場、光、電場）的信息性和穿透性實現扭矩信號的非接觸 傳遞。又如，圖2中的基于無線電系統的SAW扭矩傳感 器是在原有的系統基礎上增加無線信號發射接收單元， 實現了非接觸信號傳遞，進而實現了扭矩的非接觸測量， 該方法還適用于傳統的應變片接觸式扭矩測量裝置的非 接觸測量方案改進。
3. 2 基于特殊扭矩敏感材料的非接觸扭矩測量方案
特殊的扭矩敏感材料，把感應得到的扭矩變化的機械 量轉變為場（例如：磁場、光、電場）的變化量，并最終轉換 為電學量。這是一種利用材料物理特性制成的新型扭矩 測量裝置，能夠實現該方案的材料有：逆磁致伸縮材料，光 彈性材料，壓電材料等。
圖3介紹的是使用了磁致伸縮材料和壓電材料制成的非接觸扭矩傳感器。應用了特殊扭矩敏感材料制成的傳感器大多是最新研究成果，其發展歷史比較短，成熟的 產品不多，測量設備往往有著復雜的機械結構和較大的體積，這意味著相關的技術還有待完善。
圖3基于特殊的扭矩敏感材料的非接觸扭矩測量實例
3.3 兩種方案的對比研究
由于需要采用以上兩種非接觸式扭矩測量解決方案中 的任意一種就可以實現非接觸扭矩測量，所以根據被測對 象、使用環境以及測量效果的不同，選擇其中一種合適的非 接觸式扭矩測量方案十分必要。因為技術基礎不同，這兩 種關鍵技術實現的非接觸扭矩測量方案仍然存在著較大的 差異。下面試圖通過對兩種方案的詳細對比(如表1),找出 這種差異，從而為非接觸式扭矩測量的未來發展提供參考。
表1兩種關鍵技術實現的非接觸扭矩測量方案對比
由以上分析研究可知，雖然兩類方案都可以實現非接 觸扭矩測量，但是從性能上看，基于特殊扭矩敏感材料制 成的非接觸扭矩傳感器由于測量方式更加直接，原理簡 單，結構可靠，其扭矩測量精度也更高，響應速度更快，體 積更小。但是，傳統的接觸式扭矩測量裝置己經經過了 100多年的發展，技術儲備豐富，產品種類齊全，只需要在 原有接觸式扭矩測量設備上加裝無線信號傳輸裝置，通過 簡單的技術升級就可以滿足非接觸測量的需求，所以研發 成本低廉，產品也更成熟。目前，擁有高性價比的基于無 線信號傳輸模塊的非接觸式扭矩測量裝置更受市場青睞。
4 應用了關鍵技術的非接觸式扭矩測量工程實例
4.1 一種無線電式非接觸扭矩測量解決方案
一款名為無線扭矩傳感器的專利,目標也瞄準了汽車電子中的扭矩測量環節。該專利提供了一種非接觸扭矩測量的解決方 案，可以用于測量汽車引擎和變速箱承受的扭矩大小。
該傳感器利用無線電的方式收發扭矩測試信號，將原 本制作在一塊基板上的裝置分為了兩個部分:扭矩敏感單元(圖4中，No: 200)和控制單元(No: 300)。安裝在旋轉軸(No:110)上的扭矩敏感單元產生扭矩信號，通過天線(No: 106)發射無線電波(No: 112),無接觸傳遞到控制單元，并由 控制單元解調扭矩信號，從而控制旋轉軸或者與旋轉軸相 連的電機(N0:600)、變速箱(N0:610)等汽車部件。
圖4無線扭矩傳感器的原理框圖
其中,扭矩敏感單元中的敏感元件（N〇:106)有很多種 類可供選擇，例如：金屬應變片，聲表面波（SAW)傳感器， 體聲波傳感器，逆磁致伸縮扭矩傳感器等。它們都是薄片 狀的扭矩敏感元件，與天線連接后粘貼在基板上制成完整 的扭矩敏感單元。最后,將基板粘貼在旋轉軸，扭矩敏感 單元就可以正常工作了。控制單元則以不變應萬變，用于 接收扭矩敏感單元傳來的無線電扭矩信號（No: 112, No: 604, No: 606),再將信號送入相應的控制單元。
該傳感器套件已經批量生產，并有多種型號可供選 擇。這款非接觸扭矩測量裝置的突出特點是小型化，成套 化，便于與各類系統配套使用，成為工程實踐中技術領先 的非接觸扭矩測量解決方案。
4. 2 —種光學非接觸扭矩測量裝置
該方案是基于光彈效應的測應力測扭矩的非接觸式 扭矩測量系統,其利用了光彈性材料的應力敏感性和光的 非接觸特性實現了扭矩的非接觸測量。相關文章111]發表 在2009年出版的專著《Recent Advances in Mechatronics》 上，作者是 P. Horvdth 和 A. Nagy。
在光彈性材料上施加應力，光線通過該材料會產生雙 折射現象，折射率與應力大小相關，這就是光彈效應。該 效應已經被用在了壓力、振動等力學量的測量上，扭矩測 量是光彈效應應用的又一拓展。如圖5所示，光彈性材料 制成套筒形狀，套在旋轉軸上感應旋轉軸上的應力變化， 然后用一束偏振光打在光彈性材料上,光線便會經過2次 透射和一次反射。最后,通過測量透過檢偏鏡的光強，就 可以間接測量旋轉軸上扭矩的大小。
這款傳感器結構簡單，可以測量大小為毫Nm級的扭 矩，但是與其他利用光學方法實現測量目的的方案一樣， 該設備對環境要求高，安裝也存在一定的困難，現階段仍 停留在實驗室研究階段。
圖5光彈效應原理圖和基于光彈性材料的非接觸扭矩傳感器原理圖
5 非接觸式扭矩測量的未來發展方向
隨著生產力和科學技術的不斷發展，非接觸式扭矩測 量在旋轉軸上的使用將越來越廣，這必將對測量方案提出 更多更高的要求。非接觸扭矩測量也將不斷的發展和進 步，現有以下幾個發展趨勢。
1)規格化的成套產品為使用非接觸式扭矩測量提供 標準化的解決方案。產品的標準化是一個漫長的過程，需 要不斷的技術積累和改進，當然這也是市場化和產業化的 必經之路。一旦非接觸式扭矩傳感器標準化，必將極大的 促進技術積累、科技進步、成果推廣和創新擴散，非接觸式 傳感器的使用將更加方便，應用范圍也會逐漸拓展。
2)生產工藝不斷進步，測量精度和響應速度逐漸提 高。精度和響應速度是制約非接觸式扭矩傳感器發展的 瓶頸。隨著新材料的不斷涌現和無線通信技術的持續進 步,測量精度和響應速度會不斷提高。
3)產品體積不斷縮小，性價比顯著提高。體積小，結 構緊湊既是非接觸扭矩測量的重要優勢，仍有巨大發展潛 力。非接觸扭矩傳感器制作的越小越精致,安裝位置就會 越靈活，便于與系統掛接，從而更加方便地在工程中使用。 但是，體積的縮小必然帶來價格的提高和性能的下降，這 就要求非接觸式扭矩傳感器相比于一般性扭矩傳感器擁 有更高的性價比，這樣非接觸式扭矩傳感器才能更具市場 競爭力，被越來越廣泛的使用。(作者：王登泉、楊明、葉林、李凌)
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