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     瑞士MAGTROL馬格羅扭矩傳感器創(chuàng)造性的摒棄了傳統(tǒng)機(jī)電式

MAGTROL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,，分為動態(tài)和靜態(tài)兩大類，其中動態(tài)MAGTROL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MAGTROL扭矩傳感器、旋轉(zhuǎn)MAGTROL扭矩傳感器等,。 MAGTROL扭矩傳感器是對各種旋轉(zhuǎn)或非旋轉(zhuǎn)機(jī)械部件上對扭轉(zhuǎn)力矩感知的檢測,。MAGTROL扭矩傳感器將扭力的物理變化轉(zhuǎn)換成精確的電信號。MAGTROL扭矩傳感器可以應(yīng)用在制造粘度計(jì),，電動（氣動,，液力）扭力扳手，它具有精度高,，頻響快,，可靠性好,，壽命長等優(yōu)點(diǎn)。

通常所說的轉(zhuǎn)矩是外力矩,，如機(jī)床主軸旋轉(zhuǎn)是動力源提供的外力矩作用的結(jié)果,，而扭矩是內(nèi)力矩，主軸工作時,，刀具切削力對主軸的反作用使之產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)彈性變形,，可用其衡量扭矩的大小 [1] 。扭矩是使物體發(fā)生轉(zhuǎn)動效應(yīng)或扭轉(zhuǎn)變形的力矩,，等于力和力臂的乘積,。

扭矩是在旋轉(zhuǎn)動力系統(tǒng)中最頻繁涉及到的參數(shù)，為了檢測旋轉(zhuǎn)扭矩,，使用較多的是扭轉(zhuǎn)角相位差式傳感器,。該傳感器是在彈性軸的兩端安裝著兩組齒數(shù)、形狀及安裝角度相同的齒輪,，在齒輪的外側(cè)各安裝著一只接近(磁或光)傳感器,。當(dāng)彈性軸旋轉(zhuǎn)時，這兩組傳感器就可以測量出兩組脈沖波,，比較這兩組脈沖波的前后沿的相位差就可以計(jì)算出彈性軸所承受的扭矩量,。該方法的優(yōu)點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩信號的非接觸傳遞，檢測信號為數(shù)字信號,；缺點(diǎn)：體積較大,，不易安裝，低轉(zhuǎn)速時由于脈沖波的前后沿較緩不易比較,，因此低速性能不理想,。

扭矩測試比較成熟的檢測手段為應(yīng)變電測技術(shù)，它具有精度高,、頻響快,、可靠性好、壽命長等優(yōu)點(diǎn),。 將專用的測扭應(yīng)變片用應(yīng)變膠粘貼在被測彈性軸上,，并組成應(yīng)變橋，若向應(yīng)變橋提供工作電源即可測試該彈性軸受扭的電信號,。這就是基本的MAGTROL扭矩傳感器模式,。但是在旋轉(zhuǎn)動力傳遞系統(tǒng)中，最棘手的問題是旋轉(zhuǎn)體上的應(yīng)變橋的橋壓輸入及檢測到的應(yīng)變信號輸出如何可靠地在旋轉(zhuǎn)部分與靜止部分之間傳遞,，通常的做法是用導(dǎo)電滑環(huán)來完成,。 由于導(dǎo)電滑環(huán)屬于磨擦接觸，因此不可避免地存在著磨損并發(fā)熱,，因而限制了旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速及導(dǎo)電滑環(huán)的使用壽命,。并且由于接觸不可靠引起信號波動,，從而造成測量誤差大甚至測量不成功。為了克服導(dǎo)電滑環(huán)的缺陷,，另一個辦法就是采用無線電遙測的方法 ：將扭矩應(yīng)變信號在旋轉(zhuǎn)軸上放大并進(jìn)行V/F轉(zhuǎn)換成頻率信號,，通過載波調(diào)制用無線電發(fā)射的方法從旋轉(zhuǎn)軸上發(fā)射至軸外，再用無線電接收的方法,，就可以得到旋轉(zhuǎn)軸受扭的信號,。 旋轉(zhuǎn)軸上的能源供應(yīng)是固定在旋轉(zhuǎn)軸上的電池。該方法即為遙測扭矩儀,。

MAGTROL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量的一種較佳選擇,。

應(yīng)變型MAGTROL扭矩傳感器可利用被測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,，從而測出扭矩值,。在轉(zhuǎn)動狀態(tài)下可靠地自供電技術(shù)和信號傳輸技術(shù)是此類MAGTROL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MAGTROL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,，可以使整個測試裝置做的緊湊。1984 年,，Sasada 等人提出了改進(jìn)方案,，為了獲得較寬的動態(tài)范圍和較好的線性度，采用了具有特定形狀的磁場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MAGTROL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MAGTROL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MAGTROL扭矩傳感器，其氣隙擾動小,、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MAGTROL扭矩傳感器是轉(zhuǎn)角型MAGTROL扭矩傳感器的典型代表,，其工作原理是在被測件之間安裝一轉(zhuǎn)軸,，在轉(zhuǎn)軸的兩端分別裝有一個 MR 編碼器，由每個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,，再由兩個角度交差計(jì)算出扭矩,。2005 年重慶工學(xué)院遠(yuǎn)程測試與控制技術(shù)研究所開發(fā)了螺桿差動變壓器式的MAGTROL扭矩傳感器，當(dāng)彈性軸受到扭力時,，軸會產(chǎn)生一定的扭矩角度,，再通過內(nèi)部的銜鐵作用以感應(yīng)電動勢的形式輸出。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量方式的磁電型MAGTROL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MAGTROL扭矩傳感器,。

近年來一些新型MAGTROL扭矩傳感器不斷被開發(fā)和研制出來,，包括光纖式MAGTROL扭矩傳感器、無線聲表面波式MAGTROL扭矩傳感器,、磁敏式MAGTROL扭矩傳感器,、激光多普勒式MAGTROL扭矩傳感器、激光衍射式MAGTROL扭矩傳感器等,。如美國佛吉尼亞西蒙斯飛行器公司,，為了對飛行器的渦輪發(fā)動機(jī)進(jìn)行扭矩測試，研發(fā)了一種基于光纖技術(shù)的光纖式MAGTROL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量功能的預(yù)緊式 Stewart 結(jié)構(gòu)六維力/力矩傳感器,。

非接觸式MAGTROL扭矩傳感器

非接觸式MAGTROL扭矩傳感器輸入軸和輸出軸由扭桿連接起來，輸入軸上有花鍵,，輸出軸上有鍵槽,。當(dāng)扭桿受方向盤的轉(zhuǎn)動力矩作用發(fā)生扭轉(zhuǎn)時，輸入軸上的花鍵和輸出軸上鍵槽之間的相對位置就被改變了,?；ㄦI和鍵槽的相對位移改變量等于扭轉(zhuǎn)桿的扭轉(zhuǎn)量，使得花鍵上的磁感強(qiáng)度改變,，磁感強(qiáng)度的變化,，通過線圈轉(zhuǎn)化為電壓信號,。非接觸MAGTROL扭矩傳感器由于采用的是非接觸的工作方式，因而壽命長,、可靠性高,，不易受到磨損、有更小的延時,、 受軸的偏轉(zhuǎn)和軸向偏移的影響更小,，已經(jīng)廣泛用于轎車領(lǐng)域。

在非接觸式MAGTROL扭矩傳感器中,，常用的主要有應(yīng)變式,、磁電式、光纖式和光電式傳感器,。

應(yīng)變式非接觸傳感器利用了無線傳輸技術(shù),。隨著科技的進(jìn)步和無線傳輸技術(shù)的發(fā)展，接觸式應(yīng)變片傳感器輸出信號所用的導(dǎo)電滑環(huán)和刷臂已經(jīng)能夠用無線傳輸模塊替代,，從而克服了導(dǎo)電滑環(huán)和刷臂間的磨損,，提高了測量精度。

磁電式MAGTROL扭矩傳感器是利用磁電轉(zhuǎn)換的原理,，分析兩路輸出的電動勢信號的相位差,，從而達(dá)到測量扭矩的目的。主要分為閉磁路式傳感器和開磁路式傳感器,。

光纖式MAGTROL扭矩傳感器主要是利用光反射原理和相位差原理,，將軸上相應(yīng)的兩處位置反射的光信號讀取后并計(jì)算出相位差，由此能算出相應(yīng)的扭矩值,。但是光纖式傳感器易受環(huán)境影響,，安裝調(diào)試也相對較困難。

光電式MAGTROL扭矩傳感器以光電感應(yīng)元件為核心部件,。當(dāng)傳動軸上加載扭矩時，由光源發(fā)出的光的強(qiáng)度會發(fā)生相應(yīng)變化,，從而使光電元件的輸出電流發(fā)生變化,。通過測量該變化值即可計(jì)算出扭矩值。 [3]

應(yīng)變片MAGTROL扭矩傳感器

應(yīng)變片傳感器扭矩測量采用應(yīng)變電測技術(shù),。在彈性軸上粘貼應(yīng)變計(jì)組成測量電橋,，當(dāng)彈性軸受扭矩產(chǎn)生微小變形后引起電橋電阻值變化，應(yīng)變電橋電阻的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕淖兓瘡亩鴮?shí)現(xiàn)扭矩測量,。傳感器就完成如下的信息轉(zhuǎn)換,；傳感器由彈性軸、測量電橋,、儀器用放大器,、接口電路組成,。

高性能無線型

高性能無線MAGTROL扭矩傳感器將傳感器與無線通信技術(shù)結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的無線傳輸,。扭矩電信號由單片機(jī)控制的信號處理電路進(jìn)行放大,、A/D轉(zhuǎn)換之后，編碼器將采集到的數(shù)字量編碼傳送給發(fā)射模塊進(jìn)行發(fā)送,。接收模塊接收到數(shù)據(jù)后,，解碼器將譯出的數(shù)據(jù)傳送給單片機(jī)，由LED顯示得到的扭矩?cái)?shù)據(jù)值,。傳感器數(shù)據(jù)采集發(fā)射電路由MAGTROL扭矩傳感器,、信號處理部分、單片機(jī)和無線發(fā)射電路組成,。MAGTROL扭矩傳感器將電阻應(yīng)變片產(chǎn)生的應(yīng)變電信號傳送到信號處理電路,。信號處理部分對傳感器模擬信號提取放大，并進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換,。微處理器負(fù)責(zé)控制系統(tǒng)各部分器件的工作,，并對數(shù)字信號進(jìn)行處理。無線發(fā)射電路在微處理器的控制下,，由編碼器將采集到的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的編碼和處理,，并用發(fā)射模塊發(fā)射出。實(shí)現(xiàn)無線傳輸,。

電子式

電子式扭矩儀是一種針對風(fēng)機(jī),、水泵試驗(yàn)及現(xiàn)場能效評測的便攜式高性能軸功率測量儀器。電子式扭矩儀創(chuàng)造性的摒棄了傳統(tǒng)機(jī)電式MAGTROL扭矩傳感器繁瑣,、復(fù)雜,、在很多現(xiàn)場環(huán)境下不易實(shí)現(xiàn)的安裝過程，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)機(jī),、水泵電機(jī)效率的實(shí)時測量,，監(jiān)測風(fēng)機(jī)、水泵電機(jī)在使用過程中各環(huán)節(jié)的運(yùn)行狀態(tài),，對研究風(fēng)機(jī),、水泵電機(jī)的使用狀態(tài)提供了實(shí)時、真實(shí),、可靠的數(shù)據(jù),；避免了因機(jī)電式MAGTROL扭矩傳感器安裝不當(dāng)對試驗(yàn)結(jié)果造成的影響。

電子式扭矩儀能取代傳統(tǒng)MAGTROL扭矩傳感器的軸功率測量功能,，并且能獲取風(fēng)機(jī),、水泵電機(jī)的實(shí)時效率，為風(fēng)機(jī)、水泵機(jī)組節(jié)能提供了嚴(yán)謹(jǐn),、科學(xué)評測手段,。

MAGTROL扭矩傳感器是一種測量各種扭矩、轉(zhuǎn)速及機(jī)械功率的精密測量儀器,。應(yīng)用范圍十分廣泛,，主要用于：

1、電動機(jī),、發(fā)動機(jī),、內(nèi)燃機(jī)等旋轉(zhuǎn)動力設(shè)備輸出扭矩及功率的檢測；

2,、風(fēng)機(jī),、水泵、齒輪箱,、扭力板手的扭矩及功率的檢測,；

3、鐵路機(jī)車,、汽車,、拖拉機(jī)、飛機(jī),、船舶,、礦山機(jī)械中的扭矩及功率的檢測；

4,、可用于污水處理系統(tǒng)中的扭矩及功率的檢測,；

5、可用于制造粘度計(jì),；

6,、可用于過程工業(yè)和流程工業(yè)中；

7,、可以應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室,，測試部門以及生產(chǎn)監(jiān)控和質(zhì)量控制；

扭矩的測量：采用應(yīng)變片電測技術(shù),，在彈性軸上組成應(yīng)變橋,。如圖1所示：

1.信號輸出可任意選擇波形─方波或脈沖波。

2.檢測精度高,、穩(wěn)定性好、抗干擾性強(qiáng),。

3.不需反復(fù)調(diào)零即可,；連續(xù)測量正反扭矩。

4.即可測量靜止扭矩,，也可測量動態(tài)扭矩,。

5.體積小,、重傳感器可脫離二次儀表獨(dú)立使用，只要按插座針號提供 +15V,，-15V（200mA）的電源,，即可輸出阻抗與扭矩成正比的等方波或脈沖波頻率信號。量輕,、易于安裝,。

6.測量范圍： 0—10000Nm標(biāo)準(zhǔn)可選, 非標(biāo)準(zhǔn)2萬Nm、3萬Nm,、5萬Nm,、8萬Nm、10萬Nm,，特殊量程可定制,。