螺线管传感器 浅析扭矩传感器发展历程

浅析扭矩传感器发展历程

扭矩传感器，又称力矩传感器、扭力传感器、转矩传感器、扭矩仪，分为动态和静态两大类，其中动态扭矩传感器又可叫做转矩传感器、转矩转速传感器、非接触扭矩传感器、旋转扭矩传感器等。 扭矩传感器是对各种旋转或非旋转机械部件上对扭转力矩感知的检测。扭矩传感器将扭力的物理变化转换成精确的电信号。扭矩传感器可以应用在制造粘度计，电动（气动，液力）扭力扳手，它具有精度高，频响快，可靠性好，寿命长等优点。

扭矩传感器，又称扭矩仪。扭矩传感器是对各种旋转或非旋转机械零件上扭矩感知的检测。扭矩传感器将扭矩的物理变化转化为电信号。

一般来说，扭矩就是外扭矩。比如机床主轴的转动是动力源提供的外力矩的结果，而力矩是内力矩。主轴工作时，刀具切削力对主轴的反作用力使其产生扭转弹性变形，可用来测量扭矩。力矩是使物体转动或扭转的力矩，等于力和力臂的乘积。

转矩是旋转动力系统中常涉及的参数。为了检测转矩，扭转角相位差传感器被广泛使用。宁波辰邦智能扭矩传感器是在弹性轴的两端安装两组齿数、形状和安装角度相同的齿轮，在每个齿轮的外侧安装一个接近(磁或光)传感器。当弹性轴转动时，两组传感器可以测量两组脉搏波。通过比较两组脉搏波前后沿的相位差，可以计算出弹性轴所承受的扭矩量。

宁波辰邦智能扭矩传感器的成熟测试方法是应变电测技术，它具有精度高、频响快、可靠性好、寿命长等优点。用应变胶将测量扭矩的专用应变片贴在被测弹性轴上，形成应变桥。如果应变电桥有工作电源，就可以测得弹性轴扭转时的电信号。这是基本的扭矩传感器模式。

然而，在旋转动力传输系统中，棘手的问题是如何在旋转部分和静止部分之间可靠地传输旋转体上的应变桥的桥压输入和检测到的应变信号输出，这通常通过使用导电滑环来完成。由于导电滑环是摩擦接触，不可避免地磨损发热，限制了转轴的转速和导电滑环的使用寿命。并且接触不可靠造成信号波动，导致测量误差大，甚至测量不成功。

为了克服导电滑环的缺陷，另一种方法是采用无线电遥测:扭矩应变信号在转轴上放大，经V/F转换成频率信号，通过载波调制由无线电发射从转轴传到轴外，再由无线电接收即可得到转轴扭转的信号。转轴上的能源是固定在转轴上的电池。这种方法就是遥测扭矩仪。

扭矩传感器发展历程：

扭矩传感器的发展历程大致为：光学机械变形类型、电磁感应类型、相位差类型、应变类型。1856 年汤姆逊发现了在机械应变作用下，金属丝电阻会发生变化的现象，这奠定了电阻应变片的研制基础。1938 年鲁奇与西蒙斯制造了纸基式电阻应变片。此后，电阻应变片得到了快速地发展，在工程领域得到了广泛应用，电阻应变片也是用于扭矩测量的一种较佳选择。

应变型扭矩传感器可利用被测物理量在弹性元件上产生弹性变形，因而弹性变形可通过应变片转换成电阻的变化，从而测出扭矩值。在转动状态下可靠地自供电技术和信号传输技术是此类扭矩传感器仍需研究的主要问题。1982 年日本福冈九州大学 Sasada 等研究人员研制出了新型磁头扭矩传感器，利用等离子法在转轴表面喷覆了一段磁致伸缩层，可以使整个测试装置做的紧凑。1984 年，Sasada 等人提出了改进方案，为了获得较宽的动态范围和较好的线性度，采用了具有特定形状的磁场各向异性的三角形或平行四边形磁片。1986 年 Sasada等人研究了应用非晶薄带的磁致伸缩逆效应来检测扭矩，具体的方式是在一段圆轴表面上粘贴非晶薄带，其粘贴方向与圆轴线成 45度角，最后基于此方法成功的研制了螺线管式扭矩传感器。1992 年王荣等人为改善“角度依存性”问题，采用在转轴的表面粘贴一层特制的软磁合金薄带的方法，研制了逆磁致伸缩扭矩传感器。2011 年由淮海工学院的文西芹、李纪明等人研究了一种磁弹性效应的新型扭矩传感器，其气隙扰动小、磁滞小、可满足电助力转向系统的使用要求。

由日立公司研制的 MR 编码器式扭矩传感器是转角型扭矩传感器的典型代表，其工作原理是在被测件之间安装一转轴，在转轴的两端分别装有一个 MR 编码器，由每个编码器的两相正弦输出可以分别计算出转轴两端的角度，再由两个角度交差计算出扭矩。2005 年重庆工学院远程测试与控制技术研究所开发了螺杆差动变压器式的扭矩传感器，当弹性轴受到扭力时，轴会产生一定的扭矩角度，再通过内部的衔铁作用以感应电动势的形式输出。2010 年由淮海工学院和江苏海洋资源开发研究院共同研制了一种非接触测量方式的磁电型扭矩传感器。2014 年赵浩、丁立军等人基于电磁感应原理，设计了一种新型扭矩传感器。

近年来一些新型扭矩传感器不断被开发和研制出来，包括光纤式扭矩传感器、无线声表面波式扭矩传感器、磁敏式扭矩传感器、激光多普勒式扭矩传感器、激光衍射式扭矩传感器等。如美国佛吉尼亚西蒙斯飞行器公司，为了对飞行器的涡轮发动机进行扭矩测试，研发了一种基于光纤技术的光纤式扭矩传感器。重庆大学光电技术及系统教部重点实验室的研究人员，提出了一种新型平板式压电四维力/力矩传感器，大连理工大学联合长春光学精密机械与物理研究所，研制了一种具有分载测量功能的预紧式 Stewart 结构六维力/力矩传感器。

非常详细的霍尔传感器介绍

霍尔传感器是一种磁传感器。它可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。霍尔传感器以霍尔效应为其工作基础，是由霍尔元件和它的附属电路组成的集成传感器。霍尔传感器在工业生产、交通运输和日常生活中有着非常广泛的应用。

一、霍尔效应 霍尔元件 霍尔传感器

（一）霍尔效应

如图1所示，在半导体薄片两端通以控制电流I，并在薄片的垂直方向施加磁感应强度为B的匀强磁场，则在垂直于电流和磁场的方向上，将产生电势差为UH的霍尔电压，它们之间的关系为：

式中d 为薄片的厚度，k称为霍尔系数，它的大小与薄片的材料有关。

上述效应称为霍尔效应，它是德国物理学家霍尔于1879年研究载流导体在磁场中受力的性质时发现的。

（二）霍尔元件

根据霍尔效应，人们用半导体材料制成的元件叫霍尔元件。它具有对磁场敏感、结构简单、体积小、频率响应宽、输出电压变化大和使用寿命长等优点，因此，在测量、自动化、计算机和信息技术等领域得到广泛的应用。

（三）霍尔传感器

由于霍尔元件产生的电势差很小，故通常将霍尔元件与放大器电路、温度补偿电路及稳压电源电路等集成在一个芯片上，称之为霍尔传感器。

霍尔传感器也称为霍尔集成电路，其外形较小，如图2所示，是其中一种型号的外形图。

二、霍尔传感器的分类

霍尔传感器分为线性型霍尔传感器和开关型霍尔传感器两种。

（一）线性型霍尔传感器由霍尔元件、线性放大器和射极跟随器组成，它输出模拟量。

（二）开关型霍尔传感器由稳压器、霍尔元件、差分放大器，斯密特触发器和输出级组成，它输出数字量。

三、霍尔传感器的特性

（一）线性型霍尔传感器的特性

输出电压与外加磁场强度呈线性关系，如图3所示，可见，在B1～B2的磁感应强度范围内有较好的线性度，磁感应强度超出此范围时则呈现饱和状态。

（二）开关型霍尔传感器的特性

如图4所示，其中BOP为工作点“开”的磁感应强度，BRP为释放点“关”的磁感应强度。

当外加的磁感应强度超过动作点Bop时，传感器输出低电平，当磁感应强度降到动作点Bop以下时，传感器输出电平不变，一直要降到释放点BRP时，传感器才由低电平跃变为高电平。Bop与BRP之间的滞后使开关动作更为可靠。

另外还有一种“锁键型”（或称“锁存型”）开关型霍尔传感器，其特性如图5所示。

当磁感应强度超过动作点Bop时，传感器输出由高电平跃变为低电平，而在外磁场撤消后，其输出状态保持不变（即锁存状态），必须施加反向磁感应强度达到BRP时，才能使电平产生变化。

四、霍尔传感器的应用

按被检测对象的性质可将它们的应用分为：直接应用和间接应用。前者是直接检测受检对象本身的磁场或磁特性，后者是检测受检对象上人为设置的磁场，这个磁场是被检测的信息的载体，通过它，将许多非电、非磁的物理量，例如速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等，转变成电学量来进行检测和控制。

（一）线性型霍尔传感器主要用于一些物理量的测量。例如：

1、电流传感器

由于通电螺线管内部存在磁场，其大小与导线中的电流成正比，故可以利用霍尔传感器测量出磁场，从而确定导线中电流的大小。利用这一原理可以设计制成霍尔电流传感器。其优点是不与被测电路发生电接触，不影响被测电路，不消耗被测电源的功率，特别适合于高电压、大电流传感。

霍尔电流传感器工作原理如图6所示，标准圆环铁芯有一个缺口，将霍尔传感器插入缺口中，圆环上绕有线圈，当电流通过线圈时产生磁场，则霍尔传感器有信号输出。

2、位移测量

如图7所示，两块永久磁铁同极性相对放置，将线性型霍尔传感器置于中间，其磁感应强度为零，这个点可作为位移的零点，当霍尔传感器在Z轴上作△Z位移时，传感器有一个电压输出，电压大小与位移大小成正比。

如果把拉力、压力等参数变成位移，便可测出拉力及压力的大小，如图8所示，是按这一原理制成的力传感器。

（二）开关型霍尔传感器主要用于测转数、转速、风速、流速、接近开关、关门告知器、报警器、自动控制电路等。

1、测转速或转数

如图9所示，在非磁性材料的圆盘边上粘一块磁钢，霍尔传感器放在靠近圆盘边缘处，圆盘旋转一周，霍尔传感器就输出一个脉冲，从而可测出转数（计数器），若接入频率计，便可测出转速。

如果把开关型霍尔传感器按预定位置有规律地布置在轨道上，当装在运动车辆上的永磁体经过它时，可以从测量电路上测得脉冲信号。根据脉冲信号的分布可以测出车辆的运动速度。

2、各种实用电路

开关型霍尔传感器尺寸小、工作电压范围宽，工作可靠，价格便宜，因此获得极为广泛的应用。下面列举两个实用电路加以说明：

电路1 防盗报警器：

如图10所示，将小磁铁固定在门的边缘上，将霍尔传感器固定在门框的边缘上，让两者靠近，即门处于关闭状态时，磁铁靠近霍尔传感器，输出端3为低电平，当门被非法撬开时，霍尔传感器输出端3为高电平，非门输出端Y为低电平，继电器J吸合，Ja闭合，蜂鸣器得电后发出报警声音。

电路2 公共汽车门状态显示器：

使用霍尔传感器，只要再配置一块小永久磁铁就很容易做成车门是否关好的指示器，例如公共汽车的三个门必须关闭，司机才可开车。电路如图11所示，三片开关型霍尔传感器分别装在汽车的三个门框上，在车门适当位置各固定一块磁钢，当车门开着时，磁钢远离霍尔开关，输出端为高电平。若三个门中有一个未关好，则或非门输出为低电平，红灯亮，表示还有门未关好，若三个门都关好，则或非门输出为高电平，绿灯亮，表示车门关好，司机可放心开车。

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[最佳回答](1)1.06(1.0~1.1都对)(2)ABD(3)0.8%(0.7%~0.9%都对)