本文介紹電阻扭矩傳感器的結(jié)構(gòu)原理，以“卡特皮勒1G2”發(fā)動機臺架為例介紹了典型應用，分析了扭矩信號集散電路工作原理，以及扭矩傳感器常見故障維修，最后簡單地介紹了在發(fā)動機試驗臺架應用的磁感應扭矩傳感器的原理。 

1 概述 

扭矩又叫轉(zhuǎn)矩，是反映轉(zhuǎn)動設(shè)備輸出力的大小的重要參數(shù)。扭矩在物理學中用下面的公式計算。 

P=M?N/9550 公式（1） 

其中：P表示轉(zhuǎn)動設(shè)備的輸出功率，單位千瓦（kW）；M 表示轉(zhuǎn)動設(shè)備的輸出扭矩，單位牛米（N?m）；N表示轉(zhuǎn)動設(shè)備的轉(zhuǎn)速，單位轉(zhuǎn)/分鐘（r/min）。 

從公式（1）可以看出，扭矩是一個與功率和轉(zhuǎn)速相關(guān)的物理量，它反映了轉(zhuǎn)動設(shè)備輸出功率和轉(zhuǎn)速的比值關(guān)系。如果知道了轉(zhuǎn)動設(shè)備的輸出功率和轉(zhuǎn)動速度，就可以利用公式1計算出轉(zhuǎn)動設(shè)備的扭矩。但實際生產(chǎn)中，功率的測量是不容易的，而扭矩可以利用較簡單的裝置把扭矩轉(zhuǎn)化為力和磁的測量，對于力和磁這兩個物理量的檢測，我們有許多成熟工具，這樣扭矩的測量就變得相對簡單了。 

2 電阻應變式扭矩傳感器的原理 

我們知道，在通常情況下，當金屬受外力作用時它的電阻值會發(fā)生變化，其變化大小可以依據(jù)虎克定律求得，這就是金屬應變原理。電阻應變式扭矩傳感器，就是利用應變原理制成的。它的結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。 

扭矩傳感器利用高檔箔式應變片組成了電橋，在力的作用下電阻值增加或減小，當輸入端加上直流電壓后，輸出端就可以得到隨所施力大小而改變的電壓信號。再經(jīng)過信號處理計算，我們就能知道扭矩的大小了。 

3 扭矩傳感器應用和調(diào)試 

扭矩大小是發(fā)動機臺架實驗的重要參數(shù)之一?！翱ㄌ仄だ?G2”發(fā)動機臺架應用的就是上面介紹的電阻應變式傳感器，以此為例分析扭矩信號集散電路原理和扭矩傳感器的調(diào)試。 

3.1 扭矩信號集散電路原理 

圖2中T2、T4分別接±5V電源給扭矩傳感器提供激勵電壓。T3接傳感器的信號輸出端，以IC7650高穩(wěn)定的自穩(wěn)零放大器為核心組成信號放大電路，再經(jīng)過LM348進行放大處理，輸出信號給計算機。 

3.2 扭矩傳感器的調(diào)試 

扭矩傳感器的調(diào)試包括零點滿度的標定和靜校。 

當進行零點標定時，測功機裝好校正臂和校正盤，不放砝碼，調(diào)節(jié)扭矩信號集散板上的電位器RW2及RW5，使端子輸出電壓為OV；再加滿砝碼，調(diào)節(jié)電位器RW3和RW4，使端子輸出電壓后9.8V。 

當零點和滿度標定好以后，就可以進行靜校。校驗的方法很簡單，就是往校正盤中逐次放入適當砝碼，然后根據(jù)公式（2）：Me=G?g?L （2）其中Me是標準力矩，G是砝碼質(zhì)量，g是當?shù)刂亓铀俣?，L是校正臂的長度。 

計算出的標準力矩與計算機顯示力矩上比較，就可以完成校驗。 

4 扭矩傳感器的故障與維修 

“卡特皮勒1G2”發(fā)動機臺架所使用的扭矩傳感器內(nèi)部接線為電橋型，可以通過萬用表測量其橋臂間的電阻來辨別好壞。參考圖1，正常時R1和R3，R2和R4的電阻值應一樣，如果阻值不一樣，說明橋臂平衡已被破壞，傳感器不能使用。根據(jù)使用和維修經(jīng)驗看，扭矩傳感器自身發(fā)生故障的機率很小。通常，在激勵電壓正常和正確安裝傳感器后，故障多發(fā)生在外圍電路中，總結(jié)如表1所示： 

　　故障現(xiàn)象 故障原因 解決辦法 

　　扭矩數(shù)值漂移大 扭矩信號集散板上 

　　電容熱穩(wěn)定性不好 更換電容 

　　扭矩數(shù)值不穩(wěn)定 發(fā)動機點火干擾 

　　或電網(wǎng)干擾 發(fā)動機點火高壓帽增加阻尼；檢查系統(tǒng)接地 

5 磁電感應式扭矩傳感器

除了電阻應變式扭矩傳感器，還有一種較特殊的扭矩傳感器，就是磁電感應式扭矩傳感器，它電定子、轉(zhuǎn)子、傳感器軸和輔助電路組成。轉(zhuǎn)子包括線圈固定在傳感器軸上，定子永久磁鐵固定在傳感器外殼上，定、轉(zhuǎn)子上都有相等的齒和槽。 

測量扭矩時，用兩個完全相同的傳感器，它們的轉(zhuǎn)子分別固定在被測軸的兩端，而定子用支架固定。一個傳感器的定子齒和轉(zhuǎn)子齒相對，另一個則定子槽和轉(zhuǎn)子槽相對。當轉(zhuǎn)軸以一定角速度旋轉(zhuǎn)時，則在兩個傳感器輸出線組內(nèi)感應出電勢大小相等，頻率相同，相位差180°的近似正弦波，而當被測軸受扭矩時，兩個繞組內(nèi)感應電熱相位差將不再是180°，而是扭轉(zhuǎn)角與定（轉(zhuǎn)）子齒數(shù)的積。在彈性限度內(nèi)，材料扭矩與扭轉(zhuǎn)角成正比，因此，測出扭轉(zhuǎn)角也就得到了扭矩的值。這種扭矩傳感器反應較電阻應變式傳感器反應靈敏，但抗干擾能力較弱，對應用場所的電磁強度有較高要求。 

6 結(jié)論 

在發(fā)動機臺架試驗中，大部分測功機的扭矩測量都像“卡特皮勒1G2”發(fā)動機臺架一樣，利用固定在定子上的平衡臂將扭矩變?yōu)槔瓑毫Φ臏y量。這時扭矩傳感器嚴格地說應該叫拉壓傳感器。當然，在發(fā)動機試驗臺架中也有進行純扭矩測量的，如CL-100齒輪油試驗機使用的扭矩傳感器。它的工作原理與電阻應變式扭矩傳感器一樣，只是傳感器外形不是傳統(tǒng)的橋形，而是圓柱形，四個電阻應變片是貼在轉(zhuǎn)軸上使用的，輸出信號是頻率信號。