扭矩傳感器已成為傳感器技術(shù)快速發(fā)展的重要研究方向。扭矩測(cè)量作為反映機(jī)械旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和檢測(cè)的主要參數(shù)，體現(xiàn)在輸出功率、能耗、使用壽命、安全性和穩(wěn)定性等方面。扭矩測(cè)量已廣泛應(yīng)用于石油、汽車(chē)、船舶、航空航天、工程機(jī)械、運(yùn)輸、軍事、口腔醫(yī)學(xué)、醫(yī)療器械、電機(jī)、機(jī)器人和仿生機(jī)械等領(lǐng)域。隨著全球資源的減少和國(guó)家戰(zhàn)略的需要，原有的接觸扭矩測(cè)量容易磨損，受環(huán)境因素影響的缺點(diǎn)日益擴(kuò)大。非接觸式電磁扭矩應(yīng)運(yùn)而生，以提高扭矩傳感器的測(cè)量精度，降低使用成本，提高抗干擾能力。
各種扭矩傳感器的主要代表如下：
1.立式電磁扭矩傳感器。
盡管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，抗外界干擾能力強(qiáng)，但Li等對(duì)平面電磁扭矩傳感器進(jìn)行了深入研究。但也有明顯的缺點(diǎn)，因?yàn)檫@種傳感器是平面的，占用了太多的橫向空間，限制了其應(yīng)用范圍。同時(shí)，為了解決國(guó)內(nèi)外壟斷問(wèn)題，避免海拉傳感器專(zhuān)利，通過(guò)立體柱面電磁耦合和內(nèi)外嵌套曲面渦流耦合結(jié)構(gòu)，提出了立體電磁扭矩傳感器。
在減小傳感器體積的同時(shí)，為了提高測(cè)量精度和非線性誤差，建議將傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成兩個(gè)垂直結(jié)構(gòu)，即兩個(gè)轉(zhuǎn)子和兩個(gè)接收線圈的主從級(jí)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。通過(guò)Maxwell軟件電磁模擬輸出電壓、激勵(lì)線圈匝數(shù)、轉(zhuǎn)子厚度等參數(shù)，優(yōu)化傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)，去除電壓波動(dòng)大、結(jié)構(gòu)參數(shù)差的組，最終找到一組傳感器的設(shè)計(jì)參數(shù)，使傳感器的非線性度產(chǎn)生最小誤差，指導(dǎo)傳感器的加工，為垂直結(jié)構(gòu)電磁扭矩角度傳感器的設(shè)計(jì)提供新的理論基礎(chǔ)和發(fā)展方向。
2.霍爾扭矩傳感器。
中北大學(xué)設(shè)計(jì)了一種基于霍爾效應(yīng)的扭矩傳感器，以解決現(xiàn)有扭矩傳感器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造成本高的問(wèn)題。該傳感器采用低成本的永磁體(N35釹鐵硼)作為激勵(lì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，并將其形狀設(shè)計(jì)成片狀。相鄰兩片的N、S極排列，極性排列在旋轉(zhuǎn)軸徑向上，形成繞軸的磁環(huán)。旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，軸兩端的磁環(huán)產(chǎn)生周期性交變磁場(chǎng)。霍爾元件在這個(gè)磁場(chǎng)中會(huì)在其內(nèi)部產(chǎn)生霍爾電壓。由于旋轉(zhuǎn)軸兩端的相位差，通過(guò)計(jì)算兩個(gè)電壓信號(hào)之間的相位差，可以得到軸兩端的相對(duì)扭轉(zhuǎn)角。
3.差動(dòng)電磁感應(yīng)扭矩傳感器。
基于電磁感應(yīng)原理的差動(dòng)扭矩傳感器。傳感器軸輸出鐵芯的一端與轉(zhuǎn)軸同心固定在轉(zhuǎn)軸上，另一端用軸承連接旋轉(zhuǎn)傳感器軸，輸出繞組布置在輸出鐵芯槽中。勵(lì)磁鐵芯固定在勵(lì)磁套管上，勵(lì)磁繞組安裝在勵(lì)磁鐵芯上。傳感器的工作原理是將扭矩角信號(hào)轉(zhuǎn)換為傳感器的閉合磁路磁通，由勵(lì)磁鐵芯、氣隙和輸出鐵芯形成。由于負(fù)載扭矩，輸出繞組的兩個(gè)磁通不再相同，電勢(shì)不再相等。差動(dòng)輸出后，輸出繞組產(chǎn)生與角線性關(guān)系的電動(dòng)勢(shì)，最終通過(guò)電磁耦合獲得與負(fù)載扭矩T成正比的電動(dòng)勢(shì)。測(cè)量動(dòng)態(tài)和靜態(tài)扭矩，同時(shí)進(jìn)行結(jié)構(gòu)創(chuàng)新。
4.環(huán)形球柵式電磁扭矩傳感。
在原有電磁扭矩傳感器的基礎(chǔ)上，結(jié)合光柵扭矩傳感器的測(cè)量原理和電磁傳感器，開(kāi)發(fā)了一種新型的電磁扭矩傳感器。其原理是電磁感應(yīng)現(xiàn)象的應(yīng)用，填補(bǔ)了光柵與電磁結(jié)合的空白。
該傳感器由磁性鋼球和電磁探測(cè)器陣列組成，主要?jiǎng)?chuàng)新上述結(jié)構(gòu)，引入環(huán)球柵，保留電磁測(cè)量頭，完美結(jié)合。由于傳感器的球柵環(huán)是固定的，當(dāng)傳動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，球和空氣的磁阻通過(guò)環(huán)形球珊中的金屬球不同。由于磁阻的變化，它可以轉(zhuǎn)化為讀數(shù)頭和球柵之間的相對(duì)位移，最終測(cè)量扭矩。該傳感器具有物理性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)可靠的優(yōu)點(diǎn)。
在工業(yè)上，扭矩傳感器已應(yīng)用于傳統(tǒng)汽車(chē)動(dòng)力轉(zhuǎn)向、變速器與傳動(dòng)軸、船舶與飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)、試驗(yàn)臺(tái)、電機(jī)等傳動(dòng)系統(tǒng)的扭矩測(cè)量和功率計(jì)算。
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