无线卡环式扭矩传感器及测试系统关键技术探究

韦 祎，刘福稼

（1.芜湖航翼集成设备有限公司，安徽 芜湖 241007；2.工业和信息化部电子第五研究所，广东 广州 511370）

扭矩是对物理量的反映，这在传统机械系统当中展现出性能特点，输出更多的机械动力，能够为检验产品质量提供依据。测量结果影响到制造行业的设计等。但扭矩在测试环境的时候，存在自身旋转、振动干扰较大、空间较小等限制因素，传统测试无法解决这种问题。因此，待测结构能够在不被破坏的前提下进行测试，安装便捷，适用范围较广，成为今后业内研究的重点。

1 无线卡环式扭矩传感器测试系统关键技术研究现状

扭矩传感器要对待测结构进行改造，导致结果与实际并不相符，这在很多场合是不允许的，直接使测试工作更加复杂化。当前我国对于相关传感器的研究还较少，主要集中在船舶动力系统的构建与设计等方面，在波谐振器等进行的传感器研究，无论是测试环境还是精度等都需要通过详细的试验才能够进行充分的验证。而以夹持式扭矩为基础构建的测试系统，在灵敏度等方面并不理想，能够测试的范围也较小。施加力的时候，会使扭杆发生变形，转换角度值，输入/输出轴将旋转并产生偏差。而产生偏差的时候就需要将内部滑块进行轴向的输出移动，在轴向移动的作用下滑块会做出驱动的动作，并且改变电阻值。电位计在出现电阻值的变化的时候能够输出对应电压，利用测试完成对输出电压的检测，并且扭矩也会做出相应大小或者方向的转变。通常情况下电位器投入的成本相对较低，以接触式的方式进行运行，会产生较低的摩擦，使精度受到影响，降低使用寿命，不得不采取频繁维护，使成本提升，不利于集成，将逐步淘汰，取而代之的是不接触的形式，但是通过将传感器进行的扭杆连接，使输入或者输出都能够正常，在两者的轴当中固定光码盘，要保证所有的光码盘中设计孔洞，一个光码盘的孔处于相同的相位分布，而另一个孔处于异相分布。施加扭矩时，扭力杆的扭转变形会导致光学编码板错位，从而改变光学编码板当中不同的孔出现的重叠情况，应用二极管对其进行照射，这样也能够输出相应的电压数值，接受电压信号就能够检测出扭矩的大小或者方向，这种方式在测量上能够产生较高的精度，并且快速响应，不会受到电磁等的干扰，性能高。然而，光学编码板当中的孔洞对于精度、位置等要求较高，并且受到周边环境的影响较大，使得寿命较低，安装密封要求高，价格昂贵。日本发明感应式扭矩传感器，以非接触的方式进行测量，同时精度高，并且也在不断地创新发展，通过电动助力的形式实现了批量生产，在韩国等国家中开始生产和使用。而我国也对相关扭矩传感器进行了研究，以信号采集、电路处理等形式进行广泛的试验，在信号传输、重复性、精度、误差等方面都得到了一定的满足。

2 卡环式扭矩传感器的力学模型

2.1 模型建立

依据理论基础构建卡环机械结构模型，通过原点不断地扩大坐标系。如图1 所示。

图1 卡环式扭矩传感器力学模型

2.2 力学模型论证及结构优化

通过COMSOL 软件，对卡环机械结构进行了有限元仿真。作为整体系统通过弹性体等开展测试，依据当前情况，铝成为主要的材料选择对象，将弹性体等以45#钢为主体。固体机械稳态等方面的研究是主要的类型分析，并且将其划分成为物理场控制，这种常规规模能够更好地将待测轴进行固定约束，将另一边进行扭矩荷载试验。

弹性体与卡环连接之后发现靠近它们的位置能够展现出较为明显的应力变化，特别是弹性体两端表现出相反效果的应力作用。在弹性体当中要找到相关变化的传感器元件，确定其主要的位置变化，这样就能够构建全或者半桥的电路测量结果。弹性体轴向观察线中处于表面的一种变化，因此，就要对线中应力变化进行计算。

进行的仿真试验获取到的结果与理论预设的结果具有相同性，这也说明了模型建立的正确性。通过观察模拟数据能够发现其呈现锯齿形状，这体现出模拟数据在经过网格划分之后自身的精度不会受到影响，同时也能够显示出模拟突变，但是不会影响到计算结果。而造成突变的主要原因就是整体过程相互挤压导致边缘受应力不均发生突变。模型在建立当中理论分析等都不会受到影响，同时也不会发生理论推导在内容上的添加。传感器在性能方面主要受到多元因素的影响，长度、截面等都要做好总体考虑，即便是待测环境、敏感元件等在安装上都要做好充分的选择。进行分析能够发现，其中的数据变化具有的规律性与整体的模型在理论上较为接近，这能够说明模型的有效性。

选定的待测点在扭矩测量范围内，根据线性的处理要求对扭矩不同应力作用下的变化进行关系分析，不同的点对点都能够展现出相反或者相等的应力变化，构建成为测试电路系统，也说明了卡环扭矩传感器的可行性。

3 无线卡环式扭矩测试系统实现

3.1 系统总体设计

通过对整体测试系统进行分析能够发现，无论是前端模块还是调平模块等都能够对扭矩信号进行处理，控制好无线状态下的数据采集工作。应力变化作用下的待测点要详细的布置，这样就能够转换好扭矩与应力的信号，扭矩信号调节模块中，一个滤波电路和一个零偏移调整电路，因此信号更易于采集和处理。桥式调平模块中会设置不同电路，这样能够实现对树模的转换，也能够同时开展数据采集，扭矩信号在无线模块的作用下能够，操作计算、线性采集和分配以及控制好时序等相关逻辑问题。

3.2 新型电桥调平模块

在实际测试过程中，由于应变仪的生产过程、温度系数、安装误差和电缆电阻等因素，在静载环境下，桥端输出往往不为零，影响到在测试当中精度。考虑到硬件成本和电缆布局的复杂性，选择半桥应变测量电路来完成扭矩测试任务。假设电桥由两个电阻值为R 的应变计和两个恒定电阻器组成，两个应变计是相邻的臂，应变计之间的电阻差为δR。为了能够保障电桥运行的平衡性，电阻值在设置上要相等。有效地调控电阻网络，添加到的电路系统不会影响到电桥，使测试结果更为稳定，但是在调整当中电桥容易短路，影响系统的可靠性。电阻网络如图2 所示。

图2 电桥调平模块的电阻网络

在图1 中，R＿strain 设置调整范围的电阻，改变R＿strain 可以控制桥梁调平模块的调整范围；RP为齿轮细分设定阻力，可控制调整精度；DPOT 是一种数字电位器。数字电位器选用美国模拟器件公司的AD8402ARU10 芯片。电位器具有256 个双通道，调节范围为0～10 kΩ，调节分辨率为39 Ω。其中一个通道用作扭矩信号调节模块中的放大增益控制电阻，另一个通道用于电桥调平模块的调节电阻。应变计电阻的R_应变为120 Ω，桥臂AB 两端的预期电阻调整范围设置为±2 Ω。

根据阻力串联和并联计算公式，当RP=2.8 kΩ时，4 个间隔中的齿轮数相对平衡，分别为19、30、60 和147，区域间调整的精度接近0.05 Ω、0.03 Ω、0.016 Ω 和0.006 Ω。它可以微调应变仪的电阻误差，完成桥平功能。如果调整范数降低到±1 Ω，桥梁调平模块的调整精度也将提高。可以根据实际情况平衡调整范围和调整精度之间的关系。当无线夹持式扭矩测试系统执行测试任务时，将执行桥接调平程序，以在当前环境中校正传感器前端模块，以确保测试过程的测量精度。

如果需要调整电桥，就要依据电阻公式，对电压值等进行电位器的数字计算，得到理论上的输出数值，操作控制模块，弯沉归队测试信号的电压转换，并且在调节模块作用下最终确认设定精度与调整之后的输出值的一致性。当没有达到精度要求的时候，就要依据制定范围对出现偏差的问题进行搜索，明确电位器输出数值，这样就能够调节桥式平衡。通常情况下搜索次数要控制在5 次以内。

3.3 模块性能仿真

根据上述电桥调平策略，当应变传感器的误差为±2 Ω 时，模拟补偿电桥输出，并与未补偿电桥的输出进行比较。

当应变传感器的误差为±2 Ω 时，无补偿电桥的输出电压范围为±15 MV，而补偿电桥输出电压在±0.2 MV 范围内，输出误差降低了70 倍。这表明文章设计的电动调平模块对减小电桥的输出误差有明显的调节作用。

4 发展趋势

随着对于传感器可靠性等方面的需求不断提升，接触式将会淘汰，而非接触式将会不断发展。电动助力下的传感器能够在成本、结构等方面做出创新，单一形式并不能够满足当前社会的发展需求，以复合形式进行的扭矩在新材料等方面得到了充分的应用，精细化程度越来越高，理论基础越来越丰富，传感器发挥的作用也就越能够凸显，既能够保留优点，消除缺点的影响。微电子技术等也为无线卡环式扭矩传感器的发展提供了技术支持，优化了设计和结构，将不同的电路都能够集中在相同的IC 元件当中，扭矩传感器也实现了小型化的发展，集成技术更为突出，不同系统中的控制功能更为密切，使得内部机械数量不断地减少，在不同ECU 等之间实现了数据共享，在开展自我诊断的同时完成自我校准，及时发挥出补偿功能，能够适应不同的环境。

5 结束语

对于测试无线卡环式扭矩传感器系统能够发现，无线卡环式扭矩传感器在安装上较为便利，维护工作简单，待测轴承不会受到破坏，这些都是其最为突出的优点。即便是非接触也能够完成系统的测试。无线卡环式扭矩传感器在弹性体的力的作用下会发生变形，根据原理能够说明在整体结构上具有可行性，在今后的工作当中也会实现其不断优化，而采用的新型电桥调平方法进一步显现出其结构简单的特点，同时增加了调节精度，在发现问题的时候能够快速响应，针对不同形式都能够适应应变传感系统，使环境适应性大大提升。即便是开展卡环安装方式的优化、固定结构稳定性提升都能够实现。