http://www.paper.edu.cn1环型空间阵列扭矩传感器原理研究巴军1，何安国2，喻洪麟11重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室，重庆(400044)2重庆大学自动化学院，重庆（400044）E-mail：bajun@cqu.edu.cn摘要：针对极端环境下机械转轴扭矩动态测量的难题，分析了交流电磁感应原理，采用特制的环型空间阵列和专用的磁电式检测器，组成一种新型的非接触式扭矩传感器。建立了其动态扭矩测量的数学模型，并对该传感器的原理进行了较为深入的研究，经初步实验验证可满足极端环境下机械转轴扭矩的动态测量。关键词：新型扭矩测量传感器；环型空间阵列；磁电式检测器中图分类号：TH71．引言在各类大型机械传动系统中，扭矩是最能反映系统动态性能的典型机械量之一。通过对机械转轴扭矩的分析，可以获得整个传动系统的性能参数[1]，为设备的可靠运行和操作人员的安全提供技术上的保障。为此，通过扭矩测量实现对机械传动系统动态特性的监测、诊断与控制原理新方法，是目前国内外学者关注的研究热点之一。针对目前国内外对强冲击、高温、腐蚀、振动大等极端环境下机械转轴扭矩的测量仍无有效检测方法的现状，提出一种基于球对称特性和交流电磁感应原理，采用环型空间阵列和磁电式检测器组成新型的非接触式扭矩传感器，实现对机械转轴扭矩的在线动态测量。由于传感器所有器件及电路元件均密封于机壳内，因此它具有抗电磁干扰、抗冲击、耐振动、防油、防尘等特点，可满足极端环境下机械传动系统的动态特性测量。2．传感器工作原理从物理学和材料力学出发，扭矩测量方法[2]可以分为传递法、平衡力法和能量转换法三大类。在这三种扭矩测量方法中，传递法测量原理简单，仪器轻便，不必对被测机器做大的改动，因此目前较多的被采用。即根据弹性元件在传递扭矩时所产生的物理参数的变化（变形、应力或应变）来测量其扭矩。当扭矩M作用在直径为d、长度为l的弹性轴上时，轴将在材料的弹性极限内产生与扭矩成线性关系的扭转角ϕ，有M=GIPϕ/l4式中，G为切变模量；IP为极惯性矩，对直径为d的圆轴，IP=πd/32。按转轴变形测量时，有M=Gπd4ϕ/(32l)根据上述关系，通过对转轴扭转角ϕ的测量，就可以获得扭矩M的量值。1本课题得到重庆市自然科学基金（项目编号：CSTC,2007BB3201）的资助。-1-http://www.paper.edu.cn2.1传感器结构原理传感器主要由环型空间阵列和磁电式检测器组成。图1给出了其结构原理示意图。转轴检测器r检测器转轴固定点图1传感器结构原理图Fig.1Structureofthesensor环型空间阵列由一个环型非磁性不锈钢管构成，管内塞满尺寸和磁特性完全相同的磁性钢球，这些钢球在钢管内紧密排列，形成一个环型阵列，具体数量根据具体要求和不同测量对象而定。磁电式检测器由铝制外壳封装而成，内部有一塑料骨架，上面缠绕着一组特定绕法的线圈。根据交流电磁感应原理[3]，在主线圈上加上一定频率和振幅的正弦信号，当机械转轴受到扭矩的作用时，磁电式检测器将相对于环型空间阵列产生相应的环型位移，副线圈上便会产生相对于激励信号的感应调幅信号，其幅值的大小与线圈套住钢球的有效体积有关。2.2测量原理磁电式检测器由一组特定绕法的线圈和相应的信号处理电路组成。图2给出了线圈的互感原理图。L1N1L2N2φφ1121i11+u−1’22u+’121图2互感原理图Fig.2Principleofmutualinductance假设在磁芯上绕有两个线圈N1和N2，当匝数为N1的初级线圈通入激励电流i1时，初级线圈中产生自感应磁通φ11，其中将有一部分磁通φ21穿过匝数为N2的次级线圈，从而在次级线圈中产生互感电动势u21，其表达式为dψdiu=21=M121dt0dt式中，ψ21为穿过N2的磁链，ψ21=N2φ21；M0为两线圈的互感系数。当激励电流为正弦稳态形式且其角频率为ω时，可用相量表示其伏安关系-2-http://www.paper.edu.cnU&21=jωM0I&1因为I&1=U&1/(r1+jωL1)，其中U&1为激励电压对应的相量，r1为初级线圈的有效电阻，L1为初级线圈电感，则次级线圈开路输出电压U&21为U&21=jωM0U&1/(r1+jωL1)2221/2有效值即相量的模为U21=ωM0U1/(r1+ωL1)=k1U1M0（k1为常数）。由此可知，输出电压信号的幅值正比于两线圈的互感系数。从传感器的结构可以看出，当转轴在