扭矩傳感器的原理與設計

首先，讓我們了解什么是扭矩？

扭矩是圍繞軸的扭轉力或轉動力，可以順時針或逆時針方向施加。一個很好的例子是車輛轉向機構；轉彎時，駕駛員向方向盤施加力，該力直接向轉向柱施加扭矩。該扭矩是由駕駛員手的力和手與車輪中心的距離共同產生的。

扭矩是力和長度的函數（稱為力矩或力臂），這在我們簡單的“蹺蹺板"圖中顯示如下。即使施加在每一側的力不同，蹺蹺板也是平衡的，這是因為中間點的扭矩相同。計算如下，常用的扭矩公制工程單位是牛頓米 (Nm)，而英制工程單位是英尺磅 (ft.lb)：

左側 = 100N 力 x 1 米 = 100Nm 扭矩

右側 = 300N 力 x 1/3 米 = 100Nm 扭矩

其次，我們來看看扭矩傳感器是如何測量扭矩的？

最常見的扭矩傳感器測量是使用粘合應變片技術，其中應變片粘合到適當設計的軸上。帶有圓軸和 45°應變計的扭矩傳感器是一種已經存在多年的設計。然而，設備的設計和配置將由應用決定，軸可能是實心或空心的，橫截面可能與十字形、方形或其他定制設計不同，以獲得最大信號可從測量輸出。

當對軸施加扭力使其扭曲時，會產生剪切應力。這將通過與水平扭矩軸呈 45° 粘合的應變片來測量。由于在軸中引起的剪切應力在其整個長度上都是相同的，因此可以在沿其長度的任意點粘合應變片。然而，通常的做法是將它們放置在中心，盡可能遠離可能在機械接口處引起的寄生應力。

然后，再來看看我們是如果讀取扭矩傳感器的信號呢？

通常將四個應變計粘合并連接到惠斯通電橋配置中，電橋電路中包含溫度補償組件。將激勵電壓施加到橋上并在軸中感應扭矩，將產生與該扭矩成線性比例的電輸出。要使應變測量軸成為有用的測量儀器（扭矩傳感器），必須使用已知的參考標準對其進行校準，也即參考標準扭矩傳感器（更高精度的扭矩傳感器）的輸出。

完成的惠斯通電橋需要穩定的直流電源來激勵電路。這通常是 5Vdc 或 10Vdc，但可以是 1Vdc 到 18Vdc 之間的任何值。

最后，讓我們來總結一下，扭矩傳感器的測量：

要有效地測量扭矩，重要的是要了解扭矩產生所涉及的因素以及可能改變扭矩測量的因素，因為這些因素會影響適當傳感器的選擇。標稱扭矩額定值、速度、安裝傳感器的可用空間、測量持續時間和進行測量的環境等標準是決定扭矩傳感器選擇的最重要標準。

測量動態扭矩時（動態扭矩傳感器我們將在后續的文章中介紹），測量位置對于確保測量真實扭矩并避免錯誤測量至關重要，錯誤測量是由傳動系中的相鄰部件或阻尼扭矩測量系統的部件（包括測量系統本身）引起的。

通常，存在的物理和環境因素會精確地選擇合適的設備。選擇正確的換能器額定值、傳輸系統和機械連接將確保測量解決方案不會比需要的更昂貴，并且將實現最大的長期精度和可靠性。