摘要：简述了几种常见的电阻应变式旋转扭矩传感器，对包括接触式、非接触式，可断轴、不可断轴，高 转速、低转速等各种测量状态下应采取哪种旋转扭矩传感器进行测量及各种旋转扭矩传感器的优缺点都进行了详 细的分析。

　　关键词：旋转扭矩；信号传输；无线传输；电磁感应；卡环式

　　旋转扭矩传感器是测量各种电动机、内燃机以及 旋转动力设备的输出扭矩及功率的必备设备，从上世 纪三、四十年代发展至今已有数十种产品，从最初的 光学机械变形类发展到电磁感应类、相位差类，到应 用最广泛的应变测量类。低功耗微电子技术的发展， 又为各类旋转扭矩传感器赋予了新的生命，其性能也 越来越好，可测的转速与精度也越来越高。本文主要 介绍了几种常见的电阻应变式旋转扭矩传感器。

　　1　接触式旋转扭矩传感器

　　接触式旋转扭矩传感器的原理为传动轴由于受 扭产生机械应变，引起贴在轴上的应变计变形使其电 阻值发生改变，从而导致应变电桥失衡，输出与扭矩 成正比的微弱电压信号，然后即可根据材料力学中应 变和扭矩的关系得到相应扭矩大小，这里信号的传输 采用接触式的导电滑环和刷臂，图1为接触式旋转扭矩传感器测量的原理图。旋转轴上的应变桥把电压信 号传递给和旋转轴一起旋转的导电滑环，导电滑环再 把信号传递给和其接触的固定在传感器外壳上的导电 刷臂，从而完成信号由旋转到静止的可靠传递。

　　一般情况下，刷臂分为两种，一种为刷丝式，一 种为刷片式。刷丝式的刷臂和滑环的接触面小，摩擦 小，但信号传递可靠性相对较低，不适合高速旋转下 测量，一般转速在500 r/min情况下，可采用这种测量 方式；刷片式的刷臂和滑环的接触面大，摩擦大，信 号传递可靠性相对较高，一般转速在500~3000 r/min 的情况下，可采用这种测量方式。

　　接触式旋转扭矩传感器的特点是：适合测量静止 扭矩，也可以测量低速转动扭矩；体积小，重量轻, 易于安装；无需复杂电路；存在导电滑环的磨损，寿命有限，不适合高转速场合。

　　2　非接触式旋转扭矩传感器

　　非接触式旋转扭矩传感器中能量的传递都是通过 非接触耦合的电磁感应来供电的，传递电压为9V 左右。

　　电感集流环是应用初级线圈与次级线圈之间的电 磁感应现象来进行非接触能源传递的，解决了在旋转 运动状态下，对旋转扭矩传感器进行持续、非接触供 能的问题。电感集流环的初级线圈是绕在一个静止的 尼龙骨架上，外面包有电磁纯铁，卡在传感器的外壳 上；次级线圈是绕在一个圆环形电磁纯铁上，圆环形 电磁纯铁固定在弹性轴上，与轴一起旋转。静止的和 旋转的线圈同轴布置，互相不接触，有一个很小的空 气间隙。为了提高两个线圈之间的耦合系数，这个间 隙应该尽可能做得小，通常约为0.15 mm。加在初级线圈上的高频电压（一般为10 ~60Hz)，通过电磁 感应在旋转的次级线圈上感应出电压，经稳压、整流 后为应变电桥、信号处理电路及发射机提供能量。感 应供电的优点是适合长时间测量，尤其适合实时运行状态监测。

　　非接触式旋转扭矩传感器根据信号的传输方式又 分为数字信号无线传输型旋转扭矩传感器和频率信号传输型旋转扭矩传感器。

　　2.1　数字信号无线传输型旋转扭矩传感器

　　数字信号无线传输型旋转扭矩传感器把无线传输技术应用到旋转扭矩传感器，实现了纯数字式的无线 传输，测试系统包括电源信号、应变电桥、单片机、 数据无线发射与接收模块、转换电路与终端显示与存 储设备。其原理框图如图2所示。

　　图2无线传输型旋转扭矩传感器原理框图

　　将测扭电阻应变片粘贴在被测弹性轴上并组成应 变电桥，电感集流环的感应电压经过整流、滤波、稳 压后向应变电桥提供电源，当弹性轴受扭时，弹性轴 产生变形，电阻应变片的阻值随之发生变化，使电桥 输出不平衡，由变换电路输出mV级的电压信号，模 拟信号直接接人ADC824的模拟输人端，A/D转换器将应变信号转换成数字信号，单片机进行编程处理后按 照一定的格式传送给无线发送模块，信号通过无线数 传模组来实现纯数字量的无线收发，无线接收模块将 信号接收后，再通过RS232串行通讯口传送给上位机， 进行数据处理。

　　2.2　频率信号无线传输型旋转扭矩传感器

　　频率信号无线传输型旋转扭矩传感器与数字信号无线传输型旋转扭矩传感器电源的供电方式相同，都 采用无接触耦合的电磁感应供电方式，主要区别是此 类传感器传递的并非纯数字信号，而是通过非接触的电磁感应来传递频率信号，同样较好地解决了旋转状态下扭矩数值（转矩）的测量。其结构原理框图 如图3所示。

　　图3频率信号无线传输型旋转扭矩传感器

　　电源经过处理后经耦合将能源供给应变桥，应变 电桥将应变轴的微小变形转换成电信号，经过放大器 的放大送到V/F变换器，把电压信号转换成可以耦合 的频率信号，经输出信号耦合器输出，通过信号输出 电路整形后输出调频方波信号，然后测出方波频率量， 就可以得到相应的扭矩值。

　　非接触式旋转扭矩传感器的特点：无接触，无磨损，使用寿命长，转换精度高，A/D转换内码可达10万以上；由于采用微电子技术，测量可靠性大大提高; 可在高转速下测量，数字信号无线传输型可在5000 1/ min转速下测量扭矩（取决于无线收发模块传递的可 靠性）；频率信号数据传输型可在8000 r/miii转速下测 量；由于内藏CPU电路，可以实现各种补偿，使其精 度大大提高；数字信号无线传输型旋转扭矩传感器由 于实现了数字的无线发射与接收，因此它可以直接与 带有232或485的数字仪表或计算机相联，可以实现 联网测量与控制，是一种智能型数字旋转扭矩传感器。

　　以上几种旋转扭矩传感器属于介入式，即需要断开轴系或更改轴系的布置，传感器必须作为_传动轴的一部分介人传动系统才能使用，这样限制了它的应用 范围，一般仅限于实验室、试验台架等的测量，不适 用于工业现场测量。卡环式旋转扭矩传感器为非介入 式扭矩传感器，只要将传感器卡在轴上或安装在轴边， 无须断开轴系，这样给实际工况测量扭矩参数带来很大的方便。

　　非介入式扭矩传感器是解决不断轴扭矩测量的有 效途径，它是在一段有效长轴（通常大于80 mm)的 工作轴上卡上两道卡环，卡环采用两个半圆的卡盘结 构，通过螺栓的预紧力将两个半圆紧紧固定在工作轴 上，在两道卡环间安装一小量程的应变传感器。由于 被测轴受扭后，两卡环之间产生微小扭转角，此时安 装在卡环上的应变传感器也产生变形，传感器上应变 片产生应变信号，该信号与扭矩成正比，通过实际的 标定或理论计算可以测定出转轴上的扭矩值。

　　目前对于非介人式旋转扭矩的测量，常用的有有 线传输和无线传输两种方式。其中比较传统的有线传 输方式多采用滑环和刷丝引电装置。

　　3.1有线传输型卡环式旋转扭矩传感器

　　对于非介人式测量，如果信号的传输采用有线传 输型则采用刷丝和滑环结构，传统的刷丝和滑环结构 需要进行改进和调整，滑环结构一般采用两个半圆对 拼的结构，使用螺栓拧紧的方式将滑环固定在工作轴 上，这样可以方便的安装滑环。由于滑环采用对接结 构，在接缝处不免存在接触不良的现象，影响测量精 度。采用如图4所示的接缝结构，只要使得刷丝头的 宽度大于滑环宽度的一半，即可保证在接缝处不会出 现接触不良。传感器结构原理图如图4。

　　3.2无线传输型卡环式旋转扭矩传感器

　　由于有线传输大多采用滑环和电刷等引电装置，存在接触部位的摩擦阻力和接触零件的磨损、发热等 问题，使得其信号传输不稳定，工作寿命短，不适合 高速旋转或振动较大的轴。另外，一些特殊场合，由 于受测量环境约束，往往不适合使用有线传输方式。
无线传输利用无线电波、电磁波或光波来传输信 号，较好地解决了有线传输方式存在的一系列问题。 无线传输方式就是要将应变电桥输出的微弱电压信号 经过前置处理后，通过无线的方式传送到地面上静止 的分析仪器或设备。

　　无线传输型传感器中应变桥的供电由固定在轴上 的锂电池提供，由于采用低功耗电路设计，普通锂电 池充电一次，可实现20 h以上的连续测量。信号的传 输由无线数据发射模块与无线数据接收模块来传输， 其结构示意图如图5所示，其原理框图见图5。

　　卡环式旋转扭矩传感器的特点：无需断开轴系， 适宜工业现场测量；适合大扭矩、大振动、小间距的 现场测量；可用于测量中低转速的旋转扭矩。

　　4　结束语

　　旋转扭矩的计量及测试一直以来就是困扰计量工作者们的一个难题，随着相关技术的发展，旋转扭矩传感器在结构上、测量方式上以及可靠性、长期稳定 性和环境适应性上都有了长足的发展，本文介绍的当 前常见的的电阻应变式旋转扭矩传感器的原理和结构， 希望能为相关从业者提供参考。（作者：柴继新，王恩锋，范小燕，孙颖，徐舰）

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