非接触式旋转轴扭矩测量现状

1、王登泉 等：非接触式旋转轴扭矩测量现状第6期研究与设计电子测量技术ELECT RON IC M EASU REMEN T TECH N OLOGY非接触式旋转轴扭矩测量现状王登泉杨明叶林李凌（上海交通大学 电子信息与电气工程学院仪器科学与工程系上海 200240）摘 要：新型扭矩传感器的开发一直是国内外众多专家学者研 究的重点。但 近年来，非接触式旋转轴扭矩测量装置的研究成为扭矩测量的一个重要研究方向。从介绍一般性扭矩测量入手，在分析了非接触扭矩测量的应用需求 之后,发现非接触扭矩测量技术的突破性发展为实现不间断、高可靠性、高动态性扭矩测量提供了关键性的解决方案，同时极大的提高了对被测装置控制

2、的准确性 ；在此基础上，进一步归纳得岀两种实现非接触扭矩测量的关键技术,分别是:无线信号传输和特殊扭矩敏感材料的使用 ，并通过最新扭矩测量工程实例予以证明和解释。最后 ，对非接触式旋转轴 扭矩测量今后的发展进行展望。关键词：扭矩测量；非接触；旋转轴；无线信号传输；扭矩敏感材料中图分类号：TH82 文献标识码：AStudy of non con tact torque measureme nt of rotati ng shaftWang Dengquan Yang Ming Ye Lin Li Ling(Department ofin strument Scienceand Eng, Shan

3、ghai Jiao Tong University, Shanghai 200240)Abstract: The development ofnew torque sensors has been one of the key issuesthat involve the efforts ofmanyexperts. H owever non contactto rque measurement device used in shaft t orque detection is an import antreseaichin thelast few years. Starting withth

4、e intr oduction of general torque measurement, thepaper presents thesignificance ofnon contact torque measurement. By analyzing the application and requirements of non contact torque sensor, we found t hat t he breakthro ugh on relevant field provides not only crit ical solut ions for non stop, hig

5、h reliability, high precision of dynamic to rque measurement but also the cont rol accuracy of devices measured by non contact torque sensor. On this basis, t he paper puts forward a classificatio n of non contact torque measurement and two key technologies: one is the using of wireless signal trans

6、mission； the other is the torquesensitiv e material, which is exemplified by the newest engineering cases using t he non contacted methods to measurethe torque. F inally the future development of non contact t orque measurement is also discussed in this paper.Keywords: torque measurement； non contac

7、t； rotating shaft ；torque sensitive material； wireless signal tr ansmission旳时 CiiinaJiiurnal EUctPublisJiin 1 louse. All righ刊 reserved, htrpi：； ：!9 !王登泉 等：非接触式旋转轴扭矩测量现状第6期旳时 CiiinaJiiurnal EUctPublisJiin 1 louse. All righ刊 reserved, htrpi：； ：!9 !王登泉 等：非接触式旋转轴扭矩测量现状第6期0引 言在工业生产、科学研究、日常生活中，扭矩测量的需求 十分

8、广泛，其中以旋转轴的扭矩测试最为常见。大到测功 机，小到扭力扳手，市场上可以购买到各种各样的扭矩测 量装置。解决旋转轴扭矩测量的方案各不相同，有传统的 应变式、电磁式,也有新颖的声表面波、逆磁致伸缩法等。人们常常通过测量旋转轴上的扭矩和转速等参数，达 到控制旋转轴或与旋转轴相连接装置的目的。转速和转 矩作为旋转轴最重要的测量参数，如何既做到准确、快速、 可靠和廉价地测量这两个量，同时又不会因为引入了测量 反馈环节而影响旋转轴的工作状态，成为了新时期扭矩测 量研究的重点和难点。由此，扭矩测量领域引入了一个重 要的研究课题非接触测量旋转轴扭矩。本文从一般性扭矩测量方法的历史和分类入手，结合 非接触

9、扭矩测量的应用需求，归纳得到用于实现非接触扭 矩测量的解决方法和关键技术，并通过实例应用进一步说 明。最后，文章展望了非接触扭矩测量的未来方向，为进一步优化设计和实际运用非接触扭矩传感器提供了参考。1 一般性扭矩测量的历史沿革和技术分类扭矩传感器的发明最早可以追溯到发电机的扭矩测 量，但是该种扭矩测量只能测量静态扭矩，对于像内燃机一类的动态或者时变的扭矩则不能适用。19世纪30年代相位差式扭矩测量装置在欧洲发明成功，当时的测量精度可以达到4%1。19世纪50年代,第一个可靠 性高，可长时间使用的应变计发明成功2,产品化之后，数以 亿计的应变计用于各种场合的扭矩测量。19世纪80年代,一种新式的

10、扭矩传感器旋转变压器式扭矩传感器3悄然兴起。它通过两组带间隙的特殊环形旋转变压 器实现能源和信号的无接触传递,该传感器第一次实现了 扭矩的非接触测量。如果说旋转变压器式扭矩传感器解 决了有线测量到无 线测量的技术难题，那么声表面波 （surface acoustic wave,简称SA W）扭矩传感器则进一步 将扭矩传感器从有源带入了无源时代4。进入上个世纪90年代,随着材料技术的发展和进步，美国发明岀了利用 铁磁材料磁致伸缩特性的磁弹性扭矩测量设备，该种方法 的测量精度在1%左右,且造价低廉，对温度不敏感，工作寿命长g。综上所述，一般性扭矩测量技术经历了不到 100年的 发展,却岀现了数次革

11、命性的 创新。根据测 量手段的不 同，归纳起来共有3类扭矩测量的方法。1. 1测应变测扭矩测应变测扭矩是一种常规的扭矩测量的手段。该方 案首先测量旋转轴表面的应力应变值，再将测量值代入相 应的力学公式折算，最终获得旋转轴上承受的扭矩大小。 从第一枚应变片设计成功至今，应变计已经从原先单一的 电阻式应变计逐渐发展成为利用多种物理原理制成的应 力敏感元件，例如：声表面波传感器、逆磁致伸缩材料传感 器、压电式扭矩传感器等。1.2测转角测扭矩测转角测扭矩是一种特别适合细长旋转轴的扭矩测 量方案。该方案多是在旋转轴的同轴方向上加装柔性扭 杆,通过测量扭杆旋转的相对角度测量扭矩。已有的测转 角测扭矩的方案

12、有：电磁式测转角测扭矩、光电式测转角 测扭矩、激光式测转角测扭矩、电容式测转角测扭矩等。1. 3测反作用力测扭矩测反作用力测扭矩是通过测量制动扭矩（为阻止电动 机的旋转而施加的反扭矩，该扭矩就叫做制动扭矩）测扭 矩的一种扭矩测量方案，这种方法有一定的局限性，只能 测静态力矩。采用这种方案 的扭矩测量案例有：扭力扳 手、静态扭矩实验测量装置等。2非接触式扭矩测量的应用需求扭矩测量虽然属于力学常规量的测量，但是随着时代 的发展,科学研究和制造生产对扭矩测量提出了更高的要 求,在众多特殊场合的扭矩测量中，常规的扭矩测量方案 已经不能够满足需求。例如，在测量石油钻探中使用的大 扭矩杆件的扭矩情况时，一

13、旦传感器接触旋转轴时，必将 受到极大的剪切力，极易造成扭矩测量装置和被测装置的 损坏;又如,在测量小于0. 1 NM的动态微扭矩时，若采用 常规的接触式测量方案，扭矩传感器与旋转轴接触产生的 阻力矩会影响旋转轴的运动状态，甚至导致停转6;再如, 人工心脏的参数监测也需要用到扭矩的动态实时测量，即测量人工心脏中的血泵的工作状况，若采用接触式测量必 将改变血泵的受力情况，影响人工心脏的工作性能，加大 了控制单元对人工心脏状态控制的难度。综上，非接触测 量可以满足对于扭矩测量的众多需求：1）长期不间断、高可靠性扭矩测量。一般性扭矩传感 器一旦失效，不仅会造成扭矩传感器自身的损坏，更严重的是会造成被测

14、量设备的重大机械损坏。例如：应变式扭 矩测量装置中应变计的引线需要靠滑环（见图1）引出，长时间工作后，滑环极易发热老化，甚至断裂脱落，所以出于 可靠性的考虑，该方案多用于低速旋转轴的短期扭矩测 量。如果选择非接触式扭矩传感器测量扭矩，它与旋转轴 没有力的相互作用，工作过程中不受 轴向负载和弯曲 载 荷,所以零件损耗小，工作寿命长，可以实现长期不间断、 可靠性测量扭矩。图1带滑环的应变片式扭矩传感器原理图2）高动态性精确扭矩测量。传感器自身的转动惯量是影响扭矩测量精度和动态性的重要问题 ，因为传感器是 有重量的，安装在旋转轴上后就相当于增加了一个？额外质量#,这一质量在旋转轴较轻或者转速较慢的情

15、况下是 不能忽略的，那便会导致旋转轴的转速明显下降，测量得到的扭矩大小将受到严重影响。如果采用非接触式扭矩 测量，传感器对旋转轴无附加外力，这可以从根本上提高 测量的动态性和精确性，同时有助于提高系统的分辨率。3）准确控制被测装置。因为一般性扭矩测量装置的体 积大，并且要与旋转轴直接接触，所以存在着一个不可避免 的问题,即由于安装位置不当，或者接触测量时产生的干扰 力或扭矩而改变旋转轴的运动状态，这类干扰是随机的，很 难评估和定量,而扭矩测量往往又是作为控制单元的反馈 信号。这样就会直接导致控制的准确性难以保证。唯有采 取非接触式扭矩测量，从源头上消除传感器施加在旋转轴 上的附加力，末端控制的

16、高准确性才有可能实现。3实现非接触式扭矩测量的关键技术扭矩的非接触式测量是在接触式测量的基础上发展 起来的。它综合利用了已有的扭矩测量技术和方法，通过技术改进和升级实现非接触的扭矩测量目标。工程中，实现非接触测量的关键在于 实现非接触的扭矩信 号传递。 现阶段，可以实现非接触扭矩信号传递的关键技术有如下 两种。如图2所示。1）增加无线信号传输模块;2）使用特 殊扭矩敏感材料。旳时 CiiinaJiiurnal EUctPublisJiin 1 louse. All righ刊 reserved, htrpi：； ：!9 !第33卷电 子 测 量 技 术包出式血秦也赢示世图 墨无蜒电呆统的睁弭扭

17、矩传感器示倉图光电式扭矩传福器尿歳用I-光猱 2> 3-JtflJft 4光电时 筑7-Sfffl 6扭拷轴图2基于一般性扭矩测量方案的非接触扭矩测量实例3. 1基于无线信号传输模块的非接触扭矩测量方案基于一般性扭矩测量方案，即测应变测扭矩、测转矩 测扭矩、测反作用力测扭矩，这一方案是指增添无线信号 传输的功能单元实现非接触扭矩信号传递。这是一种改 良方案,通过技术改进实现从有线接触式扭矩测量到非接 触无线扭矩测量的升级。如图2所示，传统的接触式测转角测扭矩方案通过加 装磁头和齿轮，或者加装光栅盘和光电管，利用场（例如： 磁场、光、电场）的信息性和穿透性实现扭矩信号的非接触 传递。又如，

18、图2中的基于无线电系统的 SAW扭矩传感 器7是在原有的系统基础上增加无线信号发射接收单元，实现了非接触信号传递,进而实现了扭矩的非接触测量 ， 该方法还适用于传统的应变片接触式扭矩测量装置的非 接触测量方案改进。3. 2基于特殊扭矩敏感材料的非接触扭矩测量方案特殊的扭矩敏感材料，把感应得到的扭矩变化的机械 量转变为场（例如：磁场、光、电场）的变化量，并最终转换 为电学量。这是一种利用材料物理特性制成的新型扭矩 测量装置，能够实现该方案的材料有：逆磁致伸缩材料，光 弹性材料，压电材料等。图3介绍的是使用了磁致伸缩材料8和压电材料制成 的非接触扭矩传感器。应用了特殊扭矩敏感材料制成的 传感器大多

19、是最新研究成果，其发展历史比较短，成熟的 产品不多，测量设备往往有着复杂的机械结构和较大的体 积,这意味着相关的技术还有待完善。基于磴3!神端材邸的扭矩榕蔥艸 iz.推头&賢桶秋at尔棋曲壯賂 玄检测催老&底接垠 工料轴 R,離耐出相9.蛍钢10.櫛常扬灯基幵材料的扭極传撰端上孟石藍晶片ft共图3基于特殊的扭矩敏感材料的非接触扭矩测量实例3. 3两种方案的对比研究由于需要采用以上两种非接触式扭矩测量解决方案中 的任意一种就可以实现非接触扭矩测量，所以根据被测对 象、使用环境以及测量效果的不同，选择其中一种合适的非 接触式扭矩测量方案十分必要。因为技术基础不同，这两种关键技术实现

20、的非接触扭矩测量方案仍然存在着较大的 差异。下面试图通过对两种方案的详细对比（如表1）,找岀 这种差异,从而为非接触式扭矩测量的未来发展提供参考。表1两种关键技术实现的非接触扭矩测量方案对比比较内容方案名称无线信号传输方案特殊扭矩敏感材料方案适用范围非接触扭矩测量非接触扭矩测量1.必须额外增加无1.紧跟新材料的发线信号传输装置展而发展特点2.技术升级后减少2.材料较难获得二次投资3.原理简单，结构3.部分产品已经完 成标准化9可靠测量精度较高高响应速度较快快传感器体积大较小研发成本低较高目前状态成熟产品实验室研究标准化是否市场价格低高由以上分析研究可知，虽然两类方案都可以实现非接 触扭矩测量，

21、但是从性能上看，基于特殊扭矩敏感材料制 成的非接触扭矩传感器由于测量方式更加直接，原理简单,结构可靠，其扭矩测量精度也更高，响应速度更快，体 积更小。但是，传统的接触式扭矩测量装置已经经过了 100多年的发展，技术储备丰富，产品种类齐全，只需要在 原有接触式扭矩测量设备上加装无线信号传输装置，通过简单的技术升级就可以满足非接触测量的需求，所以研发 成本低廉,产品也更成熟。目前，拥有高性价比的基于无 线信号传输模块的非接触式扭矩测量装置更受市场青睐。4应用了关键技术的非接触式扭矩测量工程实例4. 1 一种无线电式非接触扭矩测量解决方案霍尼韦尔2007年在美国申请的众多专利中，一款名为 无线扭矩传

22、感器的专利10,目标也瞄准了汽车电子中的扭 矩测量环节。该专利提供了一种非接触扭矩测量的解决方 案,可以用于测量汽车引擎和变速箱承受的扭矩大小。该传感器利用无线电的方式收发扭矩测试信号,将原 本制作在一块基板上的装置分为了两个部分：扭矩敏感单 元（图4中,No: 200）和控制单元（No: 300）。安装在旋转轴4-2010 ChinaAcademic Journal Elccnonic Publishing House. All rights reservedhttp:第33卷电 子 测 量 技 术4-2010 ChinaAcademic Journal Elccnonic Publishi

23、ng House. All rights reservedhttp:第33卷电 子 测 量 技 术4-2010 ChinaAcademic Journal Elccnonic Publishing House. All rights reservedhttp:第33卷电 子 测 量 技 术起佑憧X畳到应力作用（No: 110）上的扭矩敏感单元产生扭矩信号，通过天线（No: 106）发射无线电波（No: 112）,无接触传递到控制单元，并由 控制单元解调扭矩信号，从而控制旋转轴或者与旋转轴相 连的电机（No: 600）、变速箱（No:610）等汽车部件。:ademic Journal Elect

24、ronic Publishing House. All ri&hts reserved.http:/?vwv-cnkidicT第33卷电 子 测 量 技 术其中,扭矩敏感单元中的敏感元件（No: 106）有很多种 类可供选择,例如：金属应变片，声表面波（SAW）传感器， 体声波传感器，逆磁致伸缩扭矩传感器等。它们都是薄片 状的扭矩敏感元件，与天线连接后粘贴在基板上制成完整 的扭矩敏感单元。最后，将基板粘贴在旋转轴，扭矩敏感 单元就可以正常工作了。控制单元则以不变应万变，用于接收扭矩敏感单元传来的无线电扭矩信号（No: 112, No:604, No: 606）,再将信号送入相应的控制单

25、元。该传感器套件已经批量生产，并有多种型号可供选 择。这款非接触扭矩测量装置的突出特点是小型化,成套化，便于与各类系统配套使用，成为工程实践中技术领先 的非接触扭矩测量解决方案。4. 2 一种光学非接触扭矩测量装置该方案是基于光弹效应的测应力测扭矩的非接触式 扭矩测量系统，其利用了光弹性材料的应力敏感性和光的 非接触特性实现了扭矩的非接触测量。相关文章11发表在 2009 年岀版的专著？Recent Advances in Mechatronics% 上，作者是 P. H orv th 和 A. Nagy。在光弹性材料上施加应力，光线通过该材料会产生双 折射现象，折射率与应力大小相关，这就是光

26、弹效应。该 效应已经被用在了压力、振动等力学量的测量上，扭矩测 量是光弹效应应用的又一拓展。如图5所示，光弹性材料制成套筒形状，套在旋转轴上感应旋转轴上的应力变化，然后用一束偏振光打在光弹性材料上，光线便会经过2次 透射和一次反射。最后，通过测量透过检偏镜的光强，就可以间接测量旋转轴上扭矩的大小。这款传感器结构简单，可以测量大小为毫 Nm级的扭 矩，但是与其他利用光学方法实现测量目的的方案一样，该设备对环境要求高，安装也存在一定的困难，现阶段仍 停留在实验室研究阶段。饶性客管反时由討图5光弹效应原理图和基于光弹性材料 的非接触扭矩传感器原理图5非接触式扭矩测量的未来发展方向随着生产力和科学技术

27、的不断发展，非接触式扭矩测 量在旋转轴上的使用将越来越广，这必将对测量方案提出 更多更高的要求。非接触扭矩测量也将不断的发展和进 步,现有以下几个发展趋势。1）规格化的成套产品为使用非接触式扭矩测量提供标准化的解决方案。产品的标准化是一个漫长的过程，需要不断的技术积累和改进，当然这也是市场化和产业化的必经之路。一旦非接触式扭矩传感器标准化,必将极大的 促进技术积累、科技进步、成果推广和创新扩散，非接触式 传感器的使用将更加方便，应用范围也会逐渐拓展。2）生产工艺不断进步,测量精度和响应速度逐渐提 高。精度和响应速度是制约非接触式扭矩传感器发展的 瓶颈。随着新材料的不断涌现和无线通信技术的持续进

28、步,测量精度和响应速度会不断提高。3）产品体积不断缩小，性价比显著提高。体积小，结构紧凑既是非接触扭矩测量的重要优势，仍有巨大发展潜 力。非接触扭矩传感器制作的越小越精致，安装位置就会 越灵活，便于与系统挂接，从而更加方便地在工程中使用。 但是,体积的缩小必然带来价格的提高和性能的下降，这就要求非接触式扭矩传感器相比于一般性扭矩传感器拥有更高的性价比，这样非接触式扭矩传感器才能更具市场 竞争力，被越来越广泛的使用。参考文献!11 !1 BUCK N L, RYAN JW, GOERIN C E. A noncontacting torquemeter J. Transactions of th

29、e ASAE, 1992, 8(3) : 281 284.2 尹福炎.电阻应变计的由来、发展及展望J. Sensor World, 1998(8) : 27 32.3 李国林.环形变压器供电的应变式扭矩传感器技术性能及应用J.仪表技术与传感器，2000( 6) : 44 45.4 孟宗,刘彬.声表面波扭矩无线测量系统的研究J. 仪器仪表学报,2005( 8):80 81.5 石延平.非晶态合金应力传感器的研究J.淮海工学 院学报,2007(9):11 14.6 郭占社.非接触法在微电机力矩测试中的应用J.仪器仪表学报,2006( 1):83 86.7 Honeywell Internation

30、al Inc. Wireless acoustic wave sensor system for use in vehicle applicatio ns P. US 7343804 B2, 2008 05 18.8 明星.电动转向器转矩转角传 感器研究D.武汉:武 汉理工大学,2008.9 LIPPSTADT H I. Inductive angular sensor, EUROP ISCHE PATENTSCHRIFT P . EP 0909955 B1,(上接第3页)频段进行时域重构，重构的波形如图6所示,从6图中，可 以看岀，虽然200 H z处的信号岀现的时间段较短，在常规 的谱分析

31、图5中难以看岀，但在谐波小波包分解的第 7频 段能明显地显示。图7提取出的200 H z信号的频谱本文介绍了利用谐波小波包检微弱信号的方法，通过 对谐波小波的分析，建立了谐波小波包的分析模型。通过 仿真实验证明该方法能直接实现对微弱信号的频域提取，且很好地重构了原始时域信号。谐波小波包构造简单，可以实现对整个频带的无限细分 ，提取出所需的频段，在微 弱信号检测方面具有很好的应用前途。参考文献1 张勇,纪国宜.基于混沌振子和小波理论检测微弱信号的研究J.电子测量技术，2009. 32( 6): 40 43.2 N EWL A ND D E. Harmonic Wavelet Analysis J.199904.10 JA M ES Z T, CO OK J D. W ireless t orque sensor P. US 7307517 B2, 2007 11.11 HORV TH P, NAGY A. Optical Torque Sensor Development J. R ecent Advances in Mechatronics, 2009(9): 91 96.作者简介王登泉,男,1985年12月岀生，主要研究方向为微弱 信号检测、超声电机、汽车电子。E mail: dengquan_wang126. com杨明，男,博士 ,教授,主要研究方向有精