非接触式旋转轴扭矩测量现状

　　0　引　　言

　　在工业生产、科学研究、日常生活中,扭矩测量的需求十分广泛,其中以旋转轴的扭矩测试最为常见。大到测功机,小到扭力扳手,市场上可以购买到各种各样的扭矩测量装置。解决旋转轴扭矩测量的方案各不相同,有传统的应变式、电磁式,也有新颖的声表面波、逆磁致伸缩法等。人们常常通过测量旋转轴上的扭矩和转速等参数,达到控制旋转轴或与旋转轴相连接装置的目的。转速和转矩作为旋转轴最重要的测量参数,如何既做到准确、快速、可靠和廉价地测量这两个量,同时又不会因为引入了测量反馈环节而影响旋转轴的工作状态,成为了新时期扭矩测量研究的重点和难点。由此,扭矩测量领域引入了一个重要的研究课题———非接触测量旋转轴扭矩。本文从一般性扭矩测量方法的历史和分类入手,结合非接触扭矩测量的应用需求,归纳得到用于实现非接触扭矩测量的解决方法和关键技术,并通过实例应用进一步说明。最后,文章展望了非接触扭矩测量的未来方向,为进一步优化设计和实际运用非接触扭矩传感器提供了参考。

　　1　一般性扭矩测量的历史沿革和技术分类

　　扭矩传感器的发明最早可以追溯到发电机的扭矩测量,但是该种扭矩测量只能测量静态扭矩,对于像内燃机一类的动态或者时变的扭矩则不能适用。19世纪30年代,相位差式扭矩测量装置在欧洲发明成功,当时的测量精度可以达到±4%[1]。19世纪50年代,第一个可靠性高,可长时间使用的应变计发明成功[2],产品化之后,数以亿计的应变计用于各种场合的扭矩测量。19世纪80年代,一种新式的扭矩传感器———旋转变压器式扭矩传感器[3]悄然兴起。它通过两组带间隙的特殊环形旋转变压器实现能源和信号的无接触传递,该传感器第一次实现了扭矩的非接触测量。如果说旋转变压器式扭矩传感器解决了有线测量到无线测量的技术难题,那么声表面波(surface acoustic wave,简称SAW)扭矩传感器则进一步将扭矩传感器从有源带入了无源时代[4]。进入上个世纪90年代,随着材料技术的发展和进步,美国发明出了利用铁磁材料磁致伸缩特性的磁弹性扭矩测量设备,该种方法的测量精度在±1%左右,且造价低廉,对温度不敏感,工作寿命长[5]。综上所述,一般性扭矩测量技术经历了不到100年的发展,却出现了数次革命性的创新。根据测量手段的不同,归纳起来共有3类扭矩测量的方法。

　　1.1　测应变测扭矩

　　测应变测扭矩是一种常规的扭矩测量的手段。该方案首先测量旋转轴表面的应力应变值,再将测量值代入相应的力学公式折算,最终获得旋转轴上承受的扭矩大小。从第一枚应变片设计成功至今,应变计已经从原先单一的电阻式应变计逐渐发展成为利用多种物理原理制成的应力敏感元件,例如:声表面波传感器、逆磁致伸缩材料传感器、压电式扭矩传感器等。