扭矩测量方法现状及发展趋势
第38卷第11期2010年11月
林业机械与木工设备
FORESTRYMACHINERY&WOODWORKINGEQUIPMENT
Vo138No.11Nov.
2010
扭矩测量方法现状及发展趋势
王
岩，储江伟
（东北林业大学，黑龙江哈尔滨150040）
摘要：按照不同的测量原理，将扭矩测量方法分为平衡力法、能量转换法和传递法三大类。根据被测物理参数的不同，重点分析了应用最为广泛的传递法扭矩测量所包含的各种方法，阐述了这些方法的原理、特点和适用范围，并归纳出扭矩测量方法的主要发展趋势。
关键词：扭矩；测量方法；应用现状；发展趋势中图分类号：TH823.4
文献标识码：A
文章编号：1001-4462（2010）11-0014-05
CurrentStatusandDevelopmentTrendofTorqueMeasuringMethods
WANGYan,
CHUJiang-wei
（NortheastForestryUniversity,HarbinHeilongjiang150040,China）
Abstract：Basedondifferentmeasuringprinciples,torquemeasuringmethodscanbedividedinto3kinds,balanceforcemethod,energyconversionmethodandtransmissionmethod.Inaccordancewiththedifferenceinphysicalparameterstobemeasured,priorityisgiventothevariousmethodsincludedinthemostextensivetransmissionmethodfortorquemeasurement,withtheprinciples,characteristicsandapplicablescopesofsuchmethodsstatedandmaindevelopmenttrendoftorquemeasuringmethodssummarized.
Keywords：torque;measuringmethod;applicationstatus;developmenttrend
在转矩作用下，机械构件将产生一定程度的扭转
收稿日期：2010－09－17
变形。因此，扭转力矩又被称为转动力矩，简称扭矩［1］。扭矩是能够反映机械传动系统性能的典型机械量，扭
[***********][***********]1111111111
2007（5）：12－13.多具体工作要做，随着我国对轻型木结构建筑研究的
等.中国木结构的发展历程［J］.山西建筑，2005（21）：逐渐开展以及人们对低碳生活环境要求的不断提高，［4］周海宾，
10－11.
落叶松材在轻型木结构建筑中的研究还会不断深入，
［5］周海宾.世界木结构房屋研究的最新进展［J］.木材工业，2006
并将步入一个新的阶段。具体研究方向为：
（7）：1－3.
①开展工字梁的研究与开发，使其国产化、低成本［6］樊承谋.木结构在我国建筑中应用的前景［J］.木材工业，2003化，这是利用落叶松材的关键。（3）：4－6.
［7］涂平涛.木材与建筑［J］.人造板通讯，2003（9）：3－4.②可借鉴我国古建筑结构特点，探讨传统榫卯连接
［8］林利民，等.轻型木结构建筑胶合板覆板的握钉力性能［J］.木材方式，部分代替轻型木结构中金属件连接的可行性，中
工业，2005（5）：4－6.
西结合，发挥我国传统榫卯结构的优势，为现代建筑服务。
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第11期
王岩，等：扭矩测量方法现状及发展趋势
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矩测量具有非常广泛的应用。1扭矩测量方法分类
按测量原理分类，扭矩测量方法可分为平衡力法、能量转换法和传递法三大类，其中传递法的应用最为广泛［2］。1.1
平衡力法
处于匀速工作状态的传动机械构件，其主轴和机体上一定同时存在一对扭矩T和T′，并且二者大小相等、方向相反。通过测量机体上的T′来测量主轴上T的方法称为平衡力法。设F为力臂上的作用力，L为力臂长度，则T′=LF。可见，测得F和L，即可得出T′和T。
平衡力法的优点是不存在传递扭矩信号的问题，力臂上的作用力F容易测得；缺点是测量范围仅局限为匀速工作状态，无法完成动态扭矩的测量。1.2能量转换法
能量转换法是指根据能量守恒定律，利用热能、电能等其他参数来测量扭矩的一种间接测量方法。这种方法并不常用，其测量误差相对较高，一般为±（10～15）%，只有当直接测量无法进行时才考虑采用该种方法。1.3
传递法
传递扭矩时弹性元件的物理参数会发生某种程度的变化，利用这种变化与扭矩的对应关系来测量扭矩的方法被称为传递法。按照不同的物理参数，可将传递法进一步划分为磁弹性式、应变式、振弦式、光电式、磁电式、
电容式、光纤式、无线声表面波式、磁敏式、激光多普勒式、软测量式、激光衍射式等多种扭矩测量方法。目前，国内外扭矩测量所应用的方法绝大多数是传递法。2传递法扭矩测量分析2.1
磁弹性式扭矩测量法
磁弹性式扭矩测量法是指利用铁磁材料及其他合金材料的磁弹性效应来实现扭矩测量的一种方法。在扭矩或外力作用下，铁磁材料的内部晶格发生畸变，产生应力，使铁磁材料内部磁畴之间的界限发生移动，磁畴磁化强度矢量发生旋转，使材料的磁化强度产生相应的变化，这种现象被称为磁弹性效应或磁致伸缩特性［3-4］。
铁磁性材料可分为正磁致伸缩和负磁致伸缩两类。正磁致伸缩材料的磁化强度随机械拉伸应力的增加而增加，而材料本身在这种情况下是伸长的；负磁致伸缩材料的磁化强度则随拉伸应力的增加而减小，材
料本身在这种情况下是缩短的［5-6］。在磁场中对铁磁材质的弹性轴施加扭矩，磁导率的变化将反映出铁磁材料磁化强度的变化，因此可以通过测量磁导率的变化来获得扭矩信号。
这种测量方法的优点是灵敏度高、稳定性好、非接触测量、输出功率大、响应速度快、过载能力好、安装使用方便、抗干扰能力强、结构与电路简单、能在恶劣环境下工作。磁弹性式扭矩测量法的缺点是存在“圆弧调制”误差，使其应用受到限制；沿扭轴圆周分布的磁导率存在固有偏差，其测量准确度比较低，测得的只是磁致伸缩层材料的应力值，与所需扭矩值尚存在误差。磁弹性式扭矩测量法被广泛应用于船舶动力装置、轧钢、石油钻机及数控机车等领域。2.2应变式扭矩测量法
扭矩会使传动轴产生一定的应变，而且这种应变与扭矩的大小存在着比例关系，因此可以通过电阻应变片来检测相应扭矩的大小。当传动轴受到扭矩作用时会发生扭转变形，最大剪应变产生在与轴线成45°角的方向上，在此方向上粘贴电阻应变片能够检测到传动轴所受扭矩的大小，其工作原理如图1所示［7］。
导电滑环
应变桥
图1应变式扭矩测量法工作原理
应变式扭矩测量法的优点是结构简单、灵敏度高、适应性强、成本低廉、操作简便、技术成熟、应用范围广、测量精度高、响应速度快、性能稳定可靠、温度补偿性能好、能适应恶劣环境；其缺点是湿度、温度、粘结剂等因素都会影响到测量的准确度，而且抗干扰能力差，这种方法不适用于高速转轴的扭矩测量。2.3
振弦式扭矩测量法
利用振动弦固有频率与张力间的函数关系，将力转换成电量，先测出电量值转换成力的大小，再计算出相应扭矩值的方法称为振弦式扭矩测量法，其工作原理如图2所示［8］。
振弦式扭矩测量法的优点是可以直接利用传动轴作为扭轴进行测量；采用频率信号传输方式，抗干扰性能好；传感器部分与测力轴分开，便于在船舶或车辆上进行测量；其缺点是结构复杂、灵敏度较低、测量准确
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第38卷
套筒
振弦
凸柱
图2振弦式扭矩测量法工作原理
度较低、对弹性轴的弹性变形要求高。振弦式扭矩测量法适用于大型转轴的扭矩测量而不适用于高速转轴的测量。2.4
光电式扭矩测量法
将开孔数完全相同的两片圆盘形光栅固定在转轴上，并将光电元件和固定光源分别固定在光栅两侧，转轴无扭矩作用时两片光栅的明暗条纹错开，完全遮挡光路，无光线照到光敏元件上不输出电信号；有扭矩作用时两个圆盘形光栅的截面产生相对转角，明暗条纹部分重合，部分光线透过光栅照到光敏元件上，输出电信号［9-10］。扭矩值越大扭转角越大，照到光敏元件上的光线强度越大，输出电信号也就越大，通过测量输出的电信号能够测得外加扭矩的大小，其工作原理如图3所示
［11-12］
。
光源
光电元件
开孔圆盘1
开孔圆盘2
图3光电式扭矩测量法工作原理
光电式扭矩测量法的优点是响应速度快，能实现扭矩的实时监测；其缺点是结构复杂、静标困难、可靠性较差、抗干扰能力差，测量精度受温度变化的影响较大。该方法不适用于刚启动和低转速轴的扭矩测量，目前应用较少。2.5
磁电式扭矩测量法
在弹性轴上安装两个相同的齿轮，磁芯和线圈组成信号采集系统，齿顶与磁芯之间预留出微小间隙，当轴转动时，两个线圈中分别感应出两个交变电动势，而且交变电动势仅与两个齿轮的磁芯相对位置和相交位置有关，通过检测电动势的大小即可得到相应的扭矩值，这种扭矩测量方法被称为感应式扭矩测量法或磁
电式扭矩测量法，其工作原理如图4所示［13］。
齿轮A
齿轮B
扭矩传递轴
驱动端
负载端
电磁传感器C
电磁传感器D
信号输出E
信号输出F
图4
磁电式扭矩测量法工作原理
磁电式扭矩测量法的优点是精度高，成本较低，性能可靠，其为非接触测量，即不需要电源和中间传输环节；其缺点是结构复杂，频响有限，难以制造，响应时间较长，相应的传感器尺寸和质量较大，低速时信号小而高速时动平衡困难。磁电式扭矩测量法适用于测量能够产生较大转角位移的扭矩，能够测量启动和低速转矩。由于其动态特性不好，所以不适于高速转动轴的扭矩测量。2.6
电容式扭矩测量法
这种扭矩测量方法可以用来连续监测齿轮箱传动轴或汽车发动机轴的扭矩，主要是在轴上安装由不变电感和可变电容组成的振荡电路，其工作原理如图5所示［14］。
牙距
牙宽
r1
位移r0
固定端
绝缘厚度
介质
轴口
管套
电容镀板
图5电容式扭矩测量法工作原理
电容式扭矩测量法的优点是成本低廉，原理简单，不受转速影响；其缺点是对套管的刚度要求高，必须保证套管与轴的同轴度。其不适合转轴尺寸过大的扭矩测量。2.7
光纤式扭矩测量法
新兴的光纤技术为扭矩测量方法提供了新的思路，目前国内外已研制出很多种类的光纤式扭矩传感器，利用这种扭矩传感器实现扭矩测量的方法被称为光纤式扭矩测量法，其工作原理如图6所示［15-16］。
光纤扭矩测量法不受电磁干扰，电气绝缘性好，但测试环境中的尘埃、气雾等因素都将干扰光路，而且调试困难。其主要应用于飞行器的涡轮发动机测量［17-18］。
第11期
王
岩，等：扭矩测量方法现状及发展趋势
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反射偏振片
速度差
偏振片
光纤
ABC1
频率连接器
计1速度1输出相位计
扭矩输出轴
透镜
光纤
新光盘反射部分
ABC2
频率计2
速度2输出
图6
光纤式扭矩测量法工作原理
2.8无线声表面波式扭矩测量法
无线声表面波式扭矩测量法是近期发展起来的一
种新型扭矩测量方法，这种方法将雷达技术与无线声表面波（SAW）技术相结合，利用压电基片、叉指换能器IDT）、反射栅（R1-R3）所组成的SAW传感器，通过测量与转轴成45°方向上的应变来实现转轴扭矩的测量。SAW传感器接收到由天线发出的高频电磁波；与天线相连的IDT把接收到的信号转换成SAW；SAW在压电晶片上传播，部分SAW被声波传播路径上的反射器反射回来，被反射回来的SAW包含被测量信息；通过IDT转化成电磁脉冲序列，由天线发射出去并被雷达装置接收；传感器信号经信号处理器分析后将最好的测量结果送到计算机进行数据处理和存储，其工作原理如图7所示［19-20］。
IDTR1R2R3
（a）SAW扭矩传感器结构RFDSPPC
（b）遥测系统原理图
图7无线声表面波式扭矩测量法工作原理
无线声表面波式扭矩测量法的优点是可以达到无源化测量和无线测量；SAW传感器几乎不老化，可以节约成本；能适应恶劣环境，例如在被污染的地方、高压电厂、高真空内、混凝土下、高温及强辐射的环境下进行测量。尽管无线声表面波式扭矩测量法的应用前景广阔，但技术尚不成熟，还有待于进一步完善。2.9磁敏式扭矩测量法
磁敏式扭矩测量法的工作原理如图8所示，将磁块交替安装在左右两个相差盘内且保证磁块的中心位于同一圆周上，采用由磁敏元件作为敏感元件制成的单磁头结构［21-22］。当传动轴转动时，单磁头中会产生一
1
2
3
4
5
6
图8磁敏式扭矩测量法的工作原理
1.传动轴；2.传递套筒；3.左相差盘；4.磁头；5.磁铁；6.右相差盘
个谐波信号，该信号由左右相差盘共同产生；通过检测相邻谐波间的相位差变化就可以测得相应的扭矩。磁敏式扭矩测量法的测量精度较低，机械结构复杂，对敏感元件的灵敏度要求高。2.10激光多普勒式扭矩测量法
激光多普勒式扭矩测量法的工作原理是：由同一个激光器发出的激光通过分光镜分成两束相同的光并供给两个截面，截面间距为a；每一截面的光又被分成两束平行的激光投射到被测转轴表面，平行光束的间距为d；转轴表面的散射光沿原路返回，通过折射镜后到达光电检测器上；与参考光束叠加形成多普勒差拍频率并被检测，其工作原理如图9所示［23-25］。
探测器B
参考光BBS5θB
B
yMBS2
d軑RByL
x
ω軑R1A
转轴载面1
BS0
BS1BS2
A参考光A
BS4θA探测器A探测器B参考光BθB
BS5Byd軑RB激光器
M
BS2
VL軑R
x
Aω2转轴载面2BS0BS1
BS2A参考光A
BS4
θA
探测器A
图9激光多普勒式扭矩测量法工作原理
激光多普勒式扭矩测量法的优点是效率、灵敏度及准确度都很高，且为非接触测量、不改变转轴运行状态和不受转轴形状影响；其缺点是成本高，结构复杂，安装及调试难度大，不适合大规模应用。2.11软测量式扭矩测量法
软测量式扭矩测量法是应用RBF神经网络和BP神经网络分别建立电机扭矩的软测量模型；利用改进的Levenberg-Marquardt算法对两种神经网络进行学习和训练；对电机扭矩的预测效果进行对比，发现由RBF神经网络观测到的扭矩具有更好的动态跟随性能［26］。
（
18林业机械与木工设备
第38卷
软测量式扭矩测量法只需要电流信息，辨识方法简单，为扭矩测量提供了一种新的思路。2.12激光衍射式扭矩测量法
将大小和形状完全相同的两个钢质圆盘安装在弹性轴两端，在圆盘表面开设两条细小缝隙，且大小和角度完全相同，在弹性轴一端安装激光源，所发出的激光通过两条缝隙后发生衍射。当弹性轴发生扭转变形时两条缝隙的公共区域变窄，激光通过的缝隙变小，根据光的衍射原理，衍射产生的圆斑大小与激光通过的缝隙大小相关；缝隙变小后，衍射产生的圆斑直径变大，在弹性轴的另一端用CCD传感器接收衍射图像，将成像数据传至计算机；通过测量衍射圆斑的直径可以得到弹性轴所承受的扭矩大小，其工作原理如图10所示［27］。
23
9
2
2
17
8
3
6
5
4
图10激光衍射式扭矩测量法工作原理
1.激光源；2.缝隙；3.圆盘；4.成像数据；5.CCD传感器；6.弹性轴；7.计算机；8.激光；9.外壳
3扭矩测量方法的发展趋势
随着各种被测系统复杂性和自动化程度的不断提
高，扭矩测量方法也在不断地推陈出新，目前扭矩测量
方法的发展趋势主要体现在以下几个方面：
①向直接测量扭矩的方向发展；②向动态在线扭矩测量的方向发
展；
③向多功能扭矩测量的方向发展；④向扭矩优化测量的方向发展；⑤向数字化、智能化、网络化扭矩测量的方向发展；
⑥扭矩传感器新技术的不断涌现为扭矩测量方法的适时更新提供了新途径，例如扭矩传感器逐步向微型化和巨型化方向发展；从单件单品种向成套系列化方向发展；由介入式逐渐发展为非介入式；向原器件集成化和信号处理智能化的方向发展；出现了非接触式和光电结合式扭矩传感器；利用非晶材料的优良性能研制新型扭矩传感器等等。
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第一作者简介：王岩（1978-），男，黑龙江省哈尔滨人，
工作于东北林业大学实验室设备管理处，工程师，现为东北林业大学在读硕士研究生，主要研究方向为载运工具运用工程，电子邮箱：
[email protected]，联系电话：[1**********]。［［［［［