传感与检测技术ch18力、压力和力矩测量

第18章力、压力和转矩的测量1第一页，共四十七页。18.力、压力和转矩的测量18.0概念1）什么是力?力是物体之间的相互作用。各种机械运动是力或力矩传递的结果，因此力是最重要的物理量之一；力的动力效应：力改变物体的机械运动状态；力的静力效应：造成物体的变形。力值的计量单位：牛顿（N）。2）力矩、扭矩、转矩力矩是力和力臂的乘积。力矩能使物体转动，也称为转矩(torque)。对于一个旋转轴，转矩T=F×r，F是在半径r处的切向力。轴在转矩作用下会发生扭曲变形，材料内部会产生剪切应力和应变，也称为扭矩。计量单位：牛顿米（N.m）2第二页，共四十七页。18.0概念3）压力垂直作用于给定单位面积上的力称为该给定处的压力,P=F/A单位:帕斯卡(Pa),1Pa=1N/m2大气压力:因大气重力，包围地球的大气对单位面积的地球表面施加的压力，简称气压，随天气、海拔高度和纬度而变。绝对压力(Absolutepressure):相对绝对真空所测得的压力。表压(Gaugepressure):相对于大气压力的差压。绝对压力和大气压力之间的差压。正压力(Positivepressure):绝对压力高于大气压力时的表压，简称正压。负压力(Negativepressure):绝对压力低于大气压力时的表压，简称负压。真空度(Vacuum)：低于大气压的绝对压力。18.力、压力和转矩的测量大气压力、表压与绝对压力的关系3第三页，共四十七页。18.1力的测量18.1.1力的测量方法1）测力原理

力值测量所依据的原理是力的静力效应和动力效应。静力效应：弹性物体受力作用后产生相应变形的物理现象。由虎克定律知：弹性体在力作用下变形时，在弹性范围(严格说是比例极限)内，物体产生的变形量与所受力成正比。因此，只要测出物体的弹性变形量，就可间接确定物体所受力的大小。以静力效应测力的特征是间接测量力传感器中弹性元件的变形量。动力效应：具有一定质量的物体受力作用时，其动量变化，从而产生相应加速度的现象。由牛顿第二定律知：物体质量已知时，该物体所受力与由此力产生的加速度之间有确定的对应关系。因此，只需测出加速度，就可间接测得力。用动力效应测力的特点是间接测量力传感器中质量块的加速度。18.力、压力和转矩的测量4第四页，共四十七页。18.1力的测量18.1.1力的测量方法2）分类综上可知，测力传感器可以是位移型、加速度型或物性型。按传感器的工作原理分类有：弹性式、电阻应变式、电感式、电容式、压电式、压磁式等变换原理的力传感器。实际中利用弹性元件的测力方法最常见。3）弹性元件(Elasticelement)测力的理论基础这种测力法的基础是弹性元件的弹性变形与作用力成正比的关系。力传感器原则上可简化成图所示的单自由度系统。其输入力和输出弹性变形（或位移）之间的关系为：式中：m为弹性体的质量；c为阻尼系数；k为弹性刚度；f(t)为激振力，是系统的输入；z为振动位移，是系统的输出。

18.力、压力和转矩的测量5第五页，共四十七页。

3）弹性元件(Elasticelement)测力的理论基础该系统的频率响应H(j)、幅频特性A(j)和相频特性(j)为：18.1力的测量18.1.1力的测量方法6第六页，共四十七页。

3）弹性元件(Elasticelement)测力的理论基础上述模型中的基座是静止的。如果基座有了运动，力传感器又成为一个加速度计，对该运动产生附加的输出信号。严格地说，传感器的弹性和惯性参数是分布的而非集中的，若不视其为集中参数，必将使其质量、弹性刚度和阻尼比都很难确定。此外，这类力传感器的固有频率总是和外部承力构件的质量有关。因此，对于任何一个这类传感器，都应进行全面的标定，以建立其输出和输入力之间的关系和确定其灵敏度、固有频率等特性参数。这类传感器选用低弹性模量的材料以提高其灵敏度，但使得弹性元件和固有频率下降，并可能有较大迟滞和较低的疲劳寿命的缺点。18.1力的测量18.1.1力的测量方法7第七页，共四十七页。1)弹性元件测力传感器结构基于弹性元件测力和力矩的传感器组成结构如图所示。

各种弹性元件中最简单的是弹簧；将弹性元件变形变换为电参数的转换元件较多，电阻应变计是广泛使用的一种。2)应变片式传感器测力原理电阻应变计的工作原理是电阻应变效应。当受外力作用时，金属的长度和截面积都发生变化，从而改变其电阻值。当受外力伸长时，长度增加，截面积减小，电阻值增大；当受压力缩短时，长度减小，截面积增大，电阻值减小。因此，只要测出电阻的变化，便可知金属丝的应变。再根据应变与力的关系可得被测力值。18.1力的测量18.1.2弹性元件测力方法—应变式测力弹性元件机械变形应变转换元件及电路电信号8第八页，共四十七页。3）电阻应变式传感器探头结构在实际应用中，将金属电阻应变片粘贴在传感器弹性元件或被测零件的表面。下图是一种用于测量压缩力的应变片式测力头的典型构造。传感器中承力的弹性元件是一个由圆柱加工成的方柱体，应变片粘贴在它的四侧面上。在不减小柱体的稳定性和应变片粘贴面积的情况下，为提高灵敏度，可用内圆外方的空心柱。侧向加强板用来增大弹性元件在x-y平面中的刚度，减小侧向力对输出的影响。加强板的z向刚度很小，以免明显影响传感器的灵敏度。18.1力的测量18.1.2弹性元件测力方法—应变式测力9第九页，共四十七页。4）测量电路电阻应应变计的测量电路为电桥。测静态参数多用平衡电桥；测动态参数多用不平衡电桥。因应变片电桥电路的输出信号微弱，需要对信号进行放大处理，过去常用交流放大，现因集成运放性能提高而多采用直流放大（选用仪表放大器）。下图是输出端接放大器的直流不平衡桥电路。第一桥臂接电阻应变片R1，其它三个桥臂接固定电阻。应变片未受力时，R1阻值未变，电桥维持初始平衡条件，输出电压为零。应变片承受应力时，应变片产生R1的变化，电桥有不平衡输出:18.1力的测量18.1.2弹性元件测力方法—应变式测力10第十页，共四十七页。4）测量电路设n=R2/R1，并考虑到电桥初始平衡条件及省略分母中的微量R1/R1，则上式可写为:18.1力的测量18.1.2弹性元件测力方法—应变式测力

可知输出电压正比于应变片受应变产生的电阻变化值。实用中，可根据情况在电桥中使用单应变片、双应变片和四应变片。右图是四应变片全桥接法，能作温度补偿，并消除弯矩的影响。对精确度要求特别高的力传感器，可在电桥某一臂上串接一个热敏电阻，以补偿因应变片电阻温度系数的微小差异，用另一热敏电阻和电桥串联，改变电桥激励电压，以补偿弹性元件弹性模量随温度的变化。这两个电阻都应装在传感器内部，以保证和应变片处于相同温度环境。11第十一页，共四十七页。5）测量拉压力的典型弹性元件下图是测量拉压力的传感器的典型弹性元件。为获得较大的灵敏度，采用梁式结构。如果结构和粘贴都对称，应变片参数又相同，则这种传感器除了具有较高的灵敏度外，并能实现温度补偿和消除x和y方向力的干扰。18.1力的测量18.1.2弹性元件测力方法—应变式测力12第十二页，共四十七页。1）差动变压器式测力传感器事实上，大多数位移传感器只要在结构上作相应变化，就可转变为测力传感器。如差动变压器式、电容式、电感式等。右图为差动变压器式测力传感器的结构示意图。该传感器用一个薄壁圆筒作弹性元件，在其上固定铁心，下部固定线圈座和线圈，弹性圆筒受力发生变形时，则带动铁心在线圈中移动，两者的相对位移量即反映了被测力的大小。它是用弹性元件来实现力与位移的转换。2023/5/71318.1力的测量18.1.3其他方式的测力方法差动变压器式测力传感器

1—弹性元件;2—铁心;3—球面垫

4—感应线圈;5—线圈座13第十三页，共四十七页。2）压磁式测力压磁效应：工业纯铁、硅钢等铁磁材料在机械力作用下磁导率发生变化的现象。铁磁材料受压时，其导磁率沿应力方向下降、沿应力的垂向增加；受拉时，导磁率变化正好相反。压磁元件：具有压磁效应的磁弹性体，是构成压磁传感器的核心。压磁元件受力后，磁弹性体的磁阻（或磁导率）发生与作用力成正比的变化，测出磁阻变化即间接测定了力值。结构原理：如图所示。压磁元件由若干形状相同的硅钢片叠合而成，在中间部分开有四个对称的小孔1、2、3和4，并分别绕组。孔1、2间的绕组称励磁绕组或一次绕组，用于接入励磁电源；孔3、4间的绕组用于产生感应电势，叫二次绕组。记各孔间为A、B、C、D区域。当在激励线圈中通交变电流时，铁心中将产生磁场。2023/5/71418.1力的测量18.1.3其他方式的测力方法14第十四页，共四十七页。2）压磁式测力当压磁元件无外力作用时，因铁心磁性的各向同性，四个区域磁导率相同，磁力线呈轴对称分布，不与二次绕组交链，无感应电势，输出为零。当压磁元件受外力F作用时，A、B区域的压应力较大，磁导率下降，磁阻增大；C、D区域基本处于自由状态，磁导率基本不变。此时，部分磁力线不再通过A、B区域，而是绕过C、D区域闭合，并与绕组交链，在二次绕组中感应出电势E。力F愈大，转移磁通愈多，E愈大。对E作一定处理，能建立F和电流I或电压U的线性关系。实际因小孔的几何尺寸误差和绕组不对称等原因，压磁元件不受力时，二次绕组往往有零位电流或零位电压，需要在测量电路中补偿。18.1力的测量18.1.3其他方式的测力方法15第十五页，共四十七页。2）压磁式测力右图为一种典型的压磁式测力传感器结构。弹性梁的作用是对压磁元件施加预压力和减小横向力和弯矩的干扰，钢球则是用来保证力F沿垂直方向作用，压磁元件和基座的联接表面应十分平整密合。压磁式测力传感器具有输出功率大(但输出电压需滤波和整流处理)、扰干扰能力强、精度较高、线性好、寿命长、维护方便，能在有灰尘、水和腐蚀性气体的环境中长期运行等优点。可测很大负荷，达1M牛以上，精度1％。18.1力的测量18.1.3其他方式的测力方法压磁式测力传感器1—压磁元件2—基座；

3—弹性梁4—钢球16第十六页，共四十七页。3）压电式测力-压电式力传感器压电式传感器应用正压电效应，将机械量(力)转换成电量。作为测力传感器，有以下特点：①静态特性好，即灵敏度、线性度好、滞后小。压电式传感器的敏感元件自身的刚度很高，受力后，产生的电荷量仅与力值有关而与变形元件的位移无直接关系，因而提高刚度基本上不受灵敏度的限制，可同时获得高刚度和高灵敏度；②动态特性亦好，即固有频率高、工作频带宽，幅值相对误差和相位误差小、瞬态响应上升时间短。故特别适用于测量动态力和瞬态冲击力；③稳定性好、抗干扰能力强；④采用大时间常数的电荷放大器时，可测准静态力，但长时间的连续测量静态力将产生较大的误差。18.1力的测量18.1.3其他方式的测力方法17第十七页，共四十七页。3）压电式测力-压电式力传感器拉、压型单向测力传感器如图所示，采用两片压电晶片反叠，提高灵敏度一倍。对小力值传感器，可用多晶片重叠的方式来提高其灵敏度。双向测力传感器

如图，采用两对不同切型(x和y)的石英晶片组成传感器元件。两对压电晶片分别感受x向和y向作用力，并由各自的引线分别输出。三向测力传感器

如图，结构与双向式类同，采用三对不同切型的石英晶片，一对敏感z轴，另两对正交放置，分别敏感x和y轴，可同时测出空间任意方向作用力在x、y、z三个方向上的分力。18.1力的测量18.1.3其他方式的测力方法18第十八页，共四十七页。

压力是工业生产过程中的重要参数之一，也是一个重要的安全指标。压力的测量与控制在工业生产中有特殊地位。压力由力和面积导出，不是基准量。压力标准由准确度很高的标准仪器提供。国家建立了压力量值传递系统，见教材表4-1。由于压力可转变为作用在已知面积上的力，故压力的测量方法与力测量方法基本相同。工业生产过程中压力测量的条件、范围与精度要求各异，其测量方法非常丰富。常用测量方法按原理可分四种：基于流体静力原理的液压测压法；根据弹性元件受力变形并利用机构将变形量放大的弹性变形测压法；基于静力平衡原理与作用在已知面积上重量比较的负荷压力测压法和通过弹性元件制成的多种电学量测压力方法。根据测压原理，测压仪表可分四大类：液体式压力计、弹性式压力计、负荷式活塞压力计和电气式压力计。18.2压力的测量18.2.1概述19第十九页，共四十七页。1）液体式压力计

它是利用液体静力平衡原理，将被测压力与一定高度的工作液体产生的重力相平衡，采用液柱的高度差来测量压力的仪器。其型式可以有U形管压力计、单管压力计、倾斜微压计、补偿微压计和自动液柱式压力计等。液体式压力计中所使用的液体有水银、蒸馏水和乙醇等。要求所用液体不能与被测介质化学作用，并使其分界面具有清晰的分界线，便于判别读数。18.2压力的测量18.2.2机械式测量方法20第二十页，共四十七页。2）弹性式压力计

基于弹性元件(单圈或多圈弹管、膜盒、膜片、波纹管等)受压后产生的位移与被测压力呈一定函数关系。右图为弹簧管压力表。被测压力迫使弹簧管自由端位移，位移由曲柄连杆、扇形齿轮与小齿轮构成的传动机构放大，转换成指针的旋转在度盘上指示出被测压力值。弹性式压力表因价格低廉、结构简单、坚实牢固而应用广泛。其测量范围从微小压力或负压力到高压，精确度等级一般为1~2.5级，精密型的可达0.1级。可直接安装在各种设备上或露天作业场合。但响应频率低，不宜测动态压力。18.2压力的测量18.2.2机械式测量方法21第二十一页，共四十七页。3）负荷式压力计基于静力平衡原理，有活塞式、浮球式和钟罩式三大类。右图为最常用的油压活塞式压力计，根据静力学平衡原理和帕斯卡定理工作。工作原理：转动手轮，使油压系统压力升高，直至活塞2被顶起，这时压力表的指示值应等于砝码重力W和砝码盘及活塞的总重力W0除以活塞有效面积A，即压力：p=(W+W0)/A。特点：计量范围广、结构简单、稳定可靠、精度高、重复性好，可测量正、负及绝对压力，常用作压力基准器，进行精密测压。18.2压力的测量18.2.2机械式测量方法油压活塞式压力计1-活塞筒2-活塞3-砝码托盘4-砝码5-油环6-被测压力表座9-加压手轮7、8、11、12-手阀10-加压丝杆13-被校准的压力表22第二十二页，共四十七页。1）概述电气式压力计一般由压力传感器和电子测量线路或压力变送器构成。压力传感器用于感受被测压力并将压力信息转换为电气信号输出，供信号处理、显示控制用。它通常可分为基于力敏原理和基于压力位移转换原理两大类。常见：电阻式、电感式、电容式、振频式、霍尔式、超声式、石英谐振式、光电式、激光式等多种类型。18.2压力的测量18.2.3电气式测量方法23第二十三页，共四十七页。2）压力传感器

应变式压力传感器主要有圆桶式和平膜片式两种结构。前者应变片沿圆桶环向粘贴；后者应变片沿平膜片的径向和切向粘贴。在测量桥路中，多用热敏电阻来补偿材料弹性模量受温度影响的变化。

压阻式压力传感器有粘贴型和扩散型两种。特点：体积小、重量轻、灵敏度高、重复性好、频带较宽等。利用微机电加工技术制成的微型传感器，可用于人体的生理压力测量；缺点：压阻系数和体电阻值都有较大的温度系数，采用恒流源供电可使其温漂大为减小。常见类型：表压、绝压、差压和密封压等。既可用于测微压又可用于测高压，广泛用于工业过程及汽车、医疗等领域。18.2压力的测量18.2.3电气式测量方法24第二十四页，共四十七页。2）压力传感器电容式压力传感器：通过测电容来测量压力，有灵敏度高、测量精度高、测量范围大、抗振性能好、可靠耐用的特点。右图所示为由圆形固定电极和弹性膜片组成的平行平板电容器。当弹性膜片在均匀的压力p作用下，膜片产生位移，固定极板与膜片构成了变间隙式电容测压传感器。传感器在压力p作用下的电容量相对变化量为：式中，R为膜片的半径，t为厚度，d为膜片与固定极板间初始距离，C0为初始电容，E为膜片的弹性模量，为泊松比。关键技术问题：非线性改善、测量电路及抗感干扰。18.2压力的测量18.2.3电气式测量方法25第二十五页，共四十七页。3）压力变送器一般用压力表传递压力信息的距离不能很远。为此，将弹性测压元件与电气传感器结合构成压力变送器，实现远距离传输。通常将压力变送器分为力平衡式和位移式两大类。力平衡式压力变送器：采用力矩平衡原理，通过负反馈将弹性元件测压产生的力矩与输出信号的反馈力矩相平衡，有效地减小弹性模数随温度变化、弹性滞后及变形非线性的影响，提高了测量精度。位移式压力变送器：将弹性测压元件的位移变换为电感、电容、电阻等电学量，再经测量桥路、放大电路转换最后输出压力值。其精度均超过力平衡式，而且结构简单、运行可靠、维护方便。18.2压力的测量18.2.3电气式测量方法26第二十六页，共四十七页。3）压力变送器力平衡式：右图所示为一典型力平衡式压力变送器结构示意图。通常包括测量和转换两部分，前者由差压测量室、弹性测压元件和测量杠杆组成；后者由主杠杆、矢量机构、副杠杆、电磁反馈装置、差动变压器、位移检测放大器及调零装置等组成。18.2压力的测量18.2.3电气式测量方法27第二十七页，共四十七页。3）压力变送器位移式电容差压变送器。组成=测压部分+转换电路+放大输出电路。上图为该变送器测压部分的结构图，由正负测压室、隔离膜和差动电容敏感元件组成。下图为该变送器原理线路图。18.2压力的测量18.2.3电气式测量方法28第二十八页，共四十七页。

转矩是力的一种特殊形式，它是力和力臂的乘积，是改变物体转动状态的原因。工程中转矩的测量常与功率、转速的测量联系在一起，它们之间的转换关系见下表。测量转矩方法，按照其基本原理可以分为：平衡力法（反力法）、传递法（扭轴法）和能量转换法等三大类。转矩与功率及转速的关系18.3转矩的测量18.3.1转矩测量方法分类功率P的单位转速n的单位转矩M的单位换算关系瓦[特]（W）弧度每秒（rad/s）牛[顿]米（N•m）M=P/n千瓦（kW）转/分（r/min）千克力米（kgf•m）M=973.76P/n马力（德PS）转/分（r/min）千克力米（kgf•m）M=716.2P/n29第二十九页，共四十七页。

它是利用平衡转矩去平衡被测转矩M，从而求得M。对任何一种均匀工作的动力机械或制动机械，当其主轴受转矩作用时，在其机体上必然同时作用着方向相反的平衡力矩（即支座反力矩），因此测出机体上的平衡力矩就可知被测转矩的大小（平衡力法）。即：M=M0=lF式中：

l—转轴与力作用点的距离，即力臂；F—力。在力平衡法测转矩的装置中，被测整体安装在摩擦力矩很小的平衡支承上，被视为只通过转轴和机壳与外界有力矩的联系。右图为利用杠杆体平衡力矩测量的力矩仪原理图。以重力为W的法码及臂长为l的杠杆去平衡被测力矩M。可由砝码重力获得被测的力矩值。18.3转矩的测量18.3.2力平衡法30第三十页，共四十七页。应用分类：按照安装在平衡支架上的机种可分类为电力测功机、水力测功机、电偶测功机等。其中只有电力测功机既可作原动机又可作制动器，其它的只能作制动器。原动机可用于测量各种工作机械，而制动器只能用于测量动力机械。特点：平衡式力矩仪仅能测量匀速工作情况下的转矩，不能用于测量动态转矩。18.3转矩的测量18.3.2力平衡法31第三十一页，共四十七页。

它是根据弹性元件在传递扭矩时所产生物理参数的变化（变形、应力或应变）来测量转矩的方法，它利用弹性体把转矩转换为角位移，再由角位移转换成电信号输出。测量转矩时常用的弹性元件是扭轴。右图为用于转矩传感器的扭矩轴弹性元件。把这种扭转轴连接在驱动源和负载之间，扭转轴就会产生扭转，所产生的扭转角为：式中：—扭转轴的扭转角(rad)；

l—扭转轴长(m)；

D—扭转轴直径(m)；

M—转矩(N•m)；

G—扭转轴材料的切变模量(Pa)。18.3转矩的测量18.3.3传递法32第三十二页，共四十七页。按转轴变形测量时，按转轴应力测量时，

按转轴应变测量时，（45,135为转轴与轴线成45和135角的主应变）从上可知，当扭转轴的参数固定，转矩对扭转轴作用时，产生的扭转角或应力、应变与转矩成正比关系。因此只要测得扭矩转角或应力、应变，便可知转矩的大小。按转矩信号的产生方式可以设计为光电式、光学式、磁电式、电容式、电阻应变式、振弦式、压磁式等各种转矩仪器。因此，这种传递法测量原理应用广泛，使用场合最多。18.3转矩的测量18.3.3传递法（为转轴的剪切应力）

33第三十三页，共四十七页。

它按能量守恒定律测量力矩，通过测量其它与转矩有关的能量系数（如电能系数）来确定被测力矩大小。

E1=E2+E式中，E1为输入力矩产生的能量；E2为机构输出能量；E为转换过程中损耗的能量。E1转换成E2，可以是机械能量转换为电能、热能、势能等。相应的设备如发电机、水力制动器、油泵等。测量这些能量转换并计入功率因数即可间接测得转矩大小。例如对电动机，其转矩M与输入能量或功率P1、转速n、电动机效率的关系为M=P1/(kn)

，其中k为单位系数。对发电机有M=P2/(

kn)

，其中P2为输出功率。基于能量法的测力矩仪一般用于测各种电机的转矩，因其影响因素较多，误差大，仅在电机转矩测量仪应用较多。18.3转矩的测量18.3.3能量传递法34第三十四页，共四十七页。

以上三种力矩测量方法中，传递法测量原理简单，仪器轻便，不必对被测机器作大的改动，因此目前采用较多。在输出信号传输方式上，为减小摩擦阻力的影响，提高测量精度，采用非接触式传输日益增多。教材表4-3列出了各种力矩测量用传感器和力矩测量仪的性能和用途。其中应用最广的是相位差式和电阻应变式转矩仪。在选择转矩测量仪时，主要考虑转矩量程、工作转速范围、精度等级、灵敏阀、平均特性、动态特性、工作寿命、环境适应性、抗干扰能力、外形尺寸及重量等因素。18.3转矩的测量18.3.4三种力矩测量法的比较与选用35第三十五页，共四十七页。1）应变片式转矩传感器当转轴发生扭转时，在相对于轴中心线45方向上会产生压缩及拉伸力，从而将力加在旋转轴上。如果在转轴上45或135直接在被测轴上，沿轴线的45或135方向粘贴应变片，当转轴受转矩M作用时，应变片产生应变，其应变量与转矩M成线性关系。对于空心圆柱形轴：式中，G为剪切模量；d和D分别为空心转轴的内、外径。对于方形截面积：，a为转轴的边长。18.3转矩的测量18.3.5常用转矩传感器与转矩测量仪36第三十六页，共四十七页。1）应变片式转矩传感器转轴截面最常用圆柱形。对小转矩轴，考虑到抗弯强度、临界转速、电阻应变片尺寸及粘贴工艺等因素，多用空心结构转轴。大量程转矩测量多用实心方形截面转轴，其中应变片中心线必须准确粘贴在表面的45或135螺旋线上，否则转轴正、反向力矩作用下的输出灵敏度有差，造成方向误差。一般允许粘贴角度的误差范围为±0.5

。右图是传感器工作原理图。为给旋转的应变片供电和从电桥中取出检测信号，在扭转轴上安装有集电环和电刷。18.3转矩的测量18.3.5常用转矩传感器与转矩测量仪各种截面形状转轴应变式扭矩传感器37第三十七页，共四十七页。1）应变片式转矩传感器

应变式转矩仪测量精度高达±(0.2~0.5)%，其线性度可达0.05%，重复性达0.03%，测量范围为5~50000N·m。但安装要求高，测试技术复杂，易受温度影响，高速测量误差大。18.3转矩的测量18.3.5常用转矩传感器与转矩测量仪38第三十八页，共四十七页。应变式扭矩传感器的电感和电容集流环：39图a是采用电感及电容集流环的应变式转矩测量仪的结构。在图b线路框图中，电感集流环8类似于脉冲变压器，它的一次线圈安装在壳体5上，二次线圈同转轴1固定连接。由此，通过电感集成环向旋转轴提供脉冲电源。电桥输出信号经A/D转换成频率正比于转矩的数字脉冲信号，再经电容集流环7的内环(固定在轴上的极板)耦合至外环(固装在基座上的另一极板)，使信号输入到装在壳体的前置放大器6上，最后由转矩测量仪输出显示被测转矩。第三十九页，共四十七页。2）磁电式转矩测量仪

磁电式转矩传感器根据磁电转换和相位差原理制成。它可将转矩转成有一定相位差的电信号。下图是磁电式转矩传感器的工作原理图。在驱动源和负载之间的扭转轴的两侧安装齿形圆盘，在它们旁边装两个磁电式角位移数字传感器。18.3转矩的测量18.3.5常用转矩传感器与转矩测量仪磁电式角位移传感器结构40第四十页，共四十七页。2）磁电式转矩测量仪当转轴空载旋转时，两个磁电传感器输出信号电压U1和U2。信号的频率随转速而变，但两个信号间的相位关系是一定的，即初相位差0为某一常数。当转轴传递转矩而产生扭转变形时，转轴两端的信号圆盘产生相对转角，使两磁电传感器的输出电压在相位上相对改变了

（即产生了附加相位差）。此时信号的相差与轴的扭转角之间的关系为：=Z；其中Z为圆盘齿数（即信号激发圆盘每转一圈磁电传感器中所产生的信号个数）。

Z值不能太大，应使=Z<2。当考虑正、反方向转矩及超载转矩出现时，一般的取在/2<<，对应的Z值为10~100。测量高转速时Z值应小。测量低转速时Z值要大。18.3转矩的测量18.3.5常用转矩传感器与转矩测量仪41第四十一页，共四十七页。3）光电式转矩测量仪在这种转矩仪器测量装置中除采用磁电型传感器之外，多采用光电型传感器组成发生器。采用光电型传感器结构时扭轴上固定安装两片圆盘光栅。当扭轴受扭矩作用时，两片光栅错动引起光电接收器中信号变化。下图是一种脉冲法处理相位差信号的原理图和信号波形图。当传感器Ⅰ和Ⅱ获取正弦波信号后，经比较器Ⅲ和Ⅳ输入门脉冲控制器Ⅴ，其输出反映两传感器输出信号相位差的方波见图b。由方波控制门电路Ⅶ的开合，控制晶体振荡器产生的时钟脉冲输入。时钟经门电路Ⅸ到计数Ⅹ，读数正比于相位差大小。即：M=kp(N-N0)式中，M为被测速转矩值;kp为转换系数；N和N0为有转矩和无转矩时计数器的读数值。18.3转矩的测量18.3.5常用转矩传感器与转矩测量仪42第四十二页，共四十七页。3）光电式转矩测量仪上述信号处理方法的最大误差为：式中，k为轴材料及尺寸和测量电路等决定的常数；n为转速；t为测量时间间隔。该方法一般可得±0.2%的精度。可高达±(0.2~0.1)%的精度，转速分档达0~1500~6000r/min，测量范围:0.2~105N·m。可用于以下场合：信号处理电路框图（a）信号转换原理（b）信号波形图18.3转矩的测量18.3.5常用转矩传感器与转矩测量仪