扭矩传感器的原理与设计

首先，让我们了解什么是扭矩？

扭矩是围绕轴的扭转力或转动力，可以顺时针或逆时针方向施加。一个很好的例子是车辆转向机构；转弯时，驾驶员向方向盘施加力，该力直接向转向柱施加扭矩。该扭矩是由驾驶员手的力和手与车轮中心的距离共同产生的。

扭矩是力和长度的函数（称为力矩或力臂），这在我们简单的“跷跷板"图中显示如下。即使施加在每一侧的力不同，跷跷板也是平衡的，这是因为中间点的扭矩相同。计算如下，常用的扭矩公制工程单位是牛顿米 (Nm)，而英制工程单位是英尺磅 (ft.lb)：

左侧 = 100N 力 x 1 米 = 100Nm 扭矩

右侧 = 300N 力 x 1/3 米 = 100Nm 扭矩

其次，我们来看看扭矩传感器是如何测量扭矩的？

最常见的扭矩传感器测量是使用粘合应变片技术，其中应变片粘合到适当设计的轴上。带有圆轴和 45°应变计的扭矩传感器是一种已经存在多年的设计。然而，设备的设计和配置将由应用决定，轴可能是实心或空心的，横截面可能与十字形、方形或其他定制设计不同，以获得最大信号可从测量输出。

当对轴施加扭力使其扭曲时，会产生剪切应力。这将通过与水平扭矩轴呈 45° 粘合的应变片来测量。由于在轴中引起的剪切应力在其整个长度上都是相同的，因此可以在沿其长度的任意点粘合应变片。然而，通常的做法是将它们放置在中心，尽可能远离可能在机械接口处引起的寄生应力。

然后，再来看看我们是如果读取扭矩传感器的信号呢？

通常将四个应变计粘合并连接到惠斯通电桥配置中，电桥电路中包含温度补偿组件。将激励电压施加到桥上并在轴中感应扭矩，将产生与该扭矩成线性比例的电输出。要使应变测量轴成为有用的测量仪器（扭矩传感器），必须使用已知的参考标准对其进行校准，也即参考标准扭矩传感器（更高精度的扭矩传感器）的输出。

完成的惠斯通电桥需要稳定的直流电源来激励电路。这通常是 5Vdc 或 10Vdc，但可以是 1Vdc 到 18Vdc 之间的任何值。

最后，让我们来总结一下，扭矩传感器的测量：

要有效地测量扭矩，重要的是要了解扭矩产生所涉及的因素以及可能改变扭矩测量的因素，因为这些因素会影响适当传感器的选择。标称扭矩额定值、速度、安装传感器的可用空间、测量持续时间和进行测量的环境等标准是决定扭矩传感器选择的最重要标准。

测量动态扭矩时（动态扭矩传感器我们将在后续的文章中介绍），测量位置对于确保测量真实扭矩并避免错误测量至关重要，错误测量是由传动系中的相邻部件或阻尼扭矩测量系统的部件（包括测量系统本身）引起的。

通常，存在的物理和环境因素会精确地选择合适的设备。选择正确的换能器额定值、传输系统和机械连接将确保测量解决方案不会比需要的更昂贵，并且将实现最大的长期精度和可靠性。