扭矩傳感器的特性與工作原理

扭矩傳感器的特性與工作原理

扭矩傳感器已迅速成為眾多行業中的關鍵組件，成為傳感器家族中不可或缺的一部分。

一、扭矩傳感器的特性：

1. 測量能力：它們能夠測量靜態扭矩和動態扭矩，以及靜止扭矩和旋轉扭矩。

2. 高精度與穩定性：它們具有極高的檢測精度和良好的穩定性，並且經過設計以避免干擾。

3. 小巧輕便：這些傳感器體積小、重量輕，並且有多種安裝結構，便於安裝和使用。它們能夠持續測量正扭矩和負扭矩，無需重新歸零。

4. 耐用性：由於沒有易磨損的部件（如導電環），它們能夠在高速運轉的情況下長時間穩定運行。

5. 直接信號輸出：傳感器會輸出高頻率的信號，這些信號可以直接由計算機進行處理。

6. 高承載能力：這些傳感器中所使用的彈性元件能夠承受極高的負載。

二、扭矩傳感器的測量原理：

在被測量的彈性軸上安裝特殊的扭轉應變計，形成一個應變橋。當為這個橋接通電源時，它能夠測量彈性軸的扭轉電信號。這種變形信號經過壓力/頻率轉換被放大，並轉換成與扭轉反應成正比的頻率信號。該系統的能量輸入和信號輸出由兩組特殊的環形變壓器管理，這有助於實現無接觸的能量和信號傳輸。

三、扭矩傳感器的結構原理：

一個基本的扭矩傳感器是通過將特殊的扭轉測量條固定在一根特殊的彈性軸上而構成的，從而形成一個可變的電橋。以下組件被固定在軸上：

1. 能量環變壓器的次級線圈，

2. 信號環變壓器的初級線圈，

3. 軸上有一塊印刷電路板，其中包括整流和穩定電源、儀表放大電路、V/F（電壓-頻率）轉換電路以及信號輸出電路。

四、扭矩傳感器的工作過程：

為傳感器提供 15V 電源。磁路中的晶體振盪器產生一個 400Hz 的方波，該方波由 TDA2030 功率放大器放大，從而產生一個交流磁電源。該電源通過能量環變壓器 T1 從靜止的初級線圈傳輸到旋轉的次級線圈。產生的交流電源通過軸上的電路進行整流和濾波，以獲得 5V 的直流電源，為運算放大器 AD822 供電。由參考電源 AD589 和雙運算放大器 AD822 產生的高精度 4.5V 直流電源用於為橋、放大器和 V/F 轉換器供電。

當彈性軸發生扭轉時，由應變橋檢測到的微伏級變形信號被儀表放大器 AD620 放大為 1.5V 至 1V 的強信號。隨後，該信號由 V/F 轉換器 LM131 轉換為頻率信號。該頻率信號通過信號環形變壓器 T2 從旋轉的初級線圈傳輸至靜止的次級線圈。在傳感器外殼內的信號處理電路進行濾波和整形後，得到的頻率信號與施加在彈性軸上的扭矩成正比。由於活動環和靜止環之間僅有幾毫米的間隙，並且傳感器軸的一部分被金屬外殼所包圍，因此實現了有效的屏蔽，從而具備了強大的抗干擾能力。