扭矩傳感器的測力過程因不同分類各有不同，以下是詳細的扭矩傳感器測力過程說明：
應變片式扭矩傳感器
應變片式扭矩傳感器在眾多扭矩測量場景中廣泛應用，是一種經(jīng)典且成熟的測量方案。其核心組件為粘貼在彈性軸表面的應變片，這是實現(xiàn)扭矩測量的關(guān)鍵元件。彈性軸作為扭矩的直接承受部件，選用具有良好彈性和機械性能的材料制成，如優(yōu)質(zhì)合金鋼。當彈性軸受到外部扭矩作用時，依據(jù)材料力學的胡克定律，在彈性限度范圍內(nèi)，軸的表面會產(chǎn)生與所受扭矩大小成比例的應變。這種應變表現(xiàn)為軸表面的微小拉伸或壓縮變形。
應變片的工作原理基于金屬導體的電阻應變效應。金屬導體在發(fā)生機械變形時，其電阻值會相應改變，且電阻變化率與應變量呈正比關(guān)系。應變片通常由敏感柵、基底、引線等部分組成，敏感柵多采用金屬箔或金屬絲制成，其電阻值會隨著彈性軸的形變而精確變化。這些應變片以特定方式組成惠斯通電橋電路，惠斯通電橋由四個電阻臂構(gòu)成，在初始無應變狀態(tài)下，電橋的四個電阻臂阻值相等，電橋達到平衡狀態(tài)，此時電橋輸出電壓為零。當彈性軸因受扭矩發(fā)生形變，導致粘貼在其表面的應變片電阻值改變，電橋的平衡被打破。根據(jù)電橋的輸出特性，此時電橋會輸出一個與應變量、進而與扭矩大小成比例的電壓信號。后續(xù)通過高精度的電壓測量儀器采集該電壓值，并將其輸入至預先設定好算法的微處理器中，經(jīng)過復雜的數(shù)學運算和轉(zhuǎn)換，就能精準得到實際作用在彈性軸上的扭矩數(shù)值。在汽車發(fā)動機扭矩測試這一典型應用場景中，應變片式扭矩傳感器被安裝在發(fā)動機輸出軸附近，能夠?qū)崟r、精確地監(jiān)測發(fā)動機輸出扭矩的動態(tài)變化，這些數(shù)據(jù)被傳輸至車輛的電子控制系統(tǒng)，為發(fā)動機的燃油噴射、點火時機等關(guān)鍵控制參數(shù)的優(yōu)化提供重要依據(jù)，從而實現(xiàn)車輛動力系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運行。
磁電式扭矩傳感器
磁電式扭矩傳感器借助磁學領(lǐng)域的原理來實現(xiàn)扭矩的測量，其結(jié)構(gòu)主要包含磁鋼、感應線圈等關(guān)鍵部件。磁鋼作為磁場的產(chǎn)生源，通常采用高磁能積的永磁材料，如釹鐵硼永磁體，以確保能夠產(chǎn)生穩(wěn)定且較強的磁場。感應線圈則用于檢測磁場變化所產(chǎn)生的電信號。當彈性軸受到扭矩作用發(fā)生扭轉(zhuǎn)時，會引起磁路結(jié)構(gòu)的微小變化，進而導致磁路中的磁導率發(fā)生改變。以磁阻效應為例，在部分磁電式傳感器中，采用了磁阻元件，如巨磁阻（GMR）或各向異性磁阻（AMR）元件。這些磁阻元件對磁場變化極為敏感，當磁導率改變時，磁阻元件所處磁場環(huán)境發(fā)生變化，其電阻值也會隨之改變。這種電阻值的變化會影響到感應線圈中的電流分布，進而改變感應線圈中的感應電動勢。通過精密的信號檢測電路，能夠?qū)崟r準確地測量感應線圈輸出電動勢的變化情況。依據(jù)電磁學原理和預先建立的扭矩與電動勢變化的對應關(guān)系模型，經(jīng)過一系列數(shù)據(jù)處理和計算，就可以推算出彈性軸所受扭矩的大小。在工業(yè)傳動系統(tǒng)中，磁電式扭矩傳感器發(fā)揮著重要作用。例如在電機與減速機之間的連接軸上安裝此類傳感器，能夠?qū)崟r監(jiān)測電機輸出扭矩以及減速機輸入輸出扭矩的變化。通過對這些扭矩數(shù)據(jù)的分析，可有效判斷設備的運行狀態(tài)，確保設備始終運行在正常負載范圍內(nèi)，及時發(fā)現(xiàn)因扭矩異常升高或波動引發(fā)的潛在故障，如齒輪磨損、軸承損壞等，為工業(yè)生產(chǎn)的連續(xù)性和穩(wěn)定性提供有力保障。
相位差式扭矩傳感器
相位差式扭矩傳感器的工作原理基于扭轉(zhuǎn)波在軸中的傳播特性。在軸的兩端對稱安裝有兩組信號發(fā)生器，這兩組信號發(fā)生器通常采用光電式、電磁式等方式，能夠穩(wěn)定地產(chǎn)生周期性的信號。在軸未承受扭矩的初始狀態(tài)下，由于軸未發(fā)生扭轉(zhuǎn)，兩組信號發(fā)生器所產(chǎn)生的信號在時間上是同步的，即它們的相位相同。然而，一旦軸受到外部扭矩作用，軸會發(fā)生扭轉(zhuǎn)形變，這種扭轉(zhuǎn)會使得軸兩端的信號發(fā)生器之間產(chǎn)生相對位移。從信號傳播的角度來看，相當于在信號傳輸路徑上引入了一個延遲，導致兩端信號發(fā)生器產(chǎn)生的信號出現(xiàn)相位差。該相位差的大小并非只與扭矩相關(guān)，還和軸的長度、材料的剪切模量等因素密切相關(guān)。在實際應用前，需要通過精確的實驗和校準流程，確定該傳感器在不同工況下扭矩與相位差之間的定量關(guān)系，并將這些校準參數(shù)存儲在傳感器的控制系統(tǒng)中。在實時測量過程中，通過高精度的相位測量儀器精確測量兩組信號之間的相位差，然后將測量得到的相位差數(shù)據(jù)與預先存儲的校準參數(shù)一同輸入至專門的計算單元，運用相應的數(shù)學模型進行復雜計算，最終能夠準確得出軸所承受的扭矩值。在風力發(fā)電設備領(lǐng)域，相位差式扭矩傳感器發(fā)揮著不可或缺的作用。風輪主軸作為風力發(fā)電機中將風能轉(zhuǎn)化為機械能的關(guān)鍵部件，其承受的扭矩大小和變化情況直接關(guān)系到風機的運行穩(wěn)定性和發(fā)電效率。通過在風輪主軸兩端安裝相位差式扭矩傳感器，能夠?qū)崟r監(jiān)測主軸扭矩的動態(tài)變化。當扭矩出現(xiàn)異常波動時，控制系統(tǒng)可及時調(diào)整風機的葉片角度、轉(zhuǎn)速等參數(shù)，保障風機在不同風速和工況下都能穩(wěn)定運行，最大限度地提高發(fā)電效率，同時避免因扭矩過載對風機造成損壞。
