轉(zhuǎn)矩傳感器的研究綜述

彭家瑤等

作者簡(jiǎn)介：彭家瑤（1988-），男，漢族，四川江油市人，學(xué)生，研究生在讀，西華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，研究方向：控制工程與電子技術(shù)。

摘要：本文主要介紹了轉(zhuǎn)矩傳感器的基本工作原理及分類，比較了各類轉(zhuǎn)矩傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)，認(rèn)識(shí)了各類轉(zhuǎn)矩傳感器的應(yīng)用類型及應(yīng)用特點(diǎn)，了解了各類轉(zhuǎn)矩傳感器市場(chǎng)前景以及國內(nèi)外研究的具體情況，預(yù)測(cè)了未來轉(zhuǎn)矩傳感器的發(fā)展趨勢(shì)和應(yīng)用方向，為進(jìn)一步研究轉(zhuǎn)矩傳感器奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)；轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；傳感器；發(fā)展趨勢(shì)

1.緒論

電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）是近年來取代了傳統(tǒng)的液電式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，迅速發(fā)展起來的一種新型動(dòng)力轉(zhuǎn)向裝置。目前，電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要用于輕型車和經(jīng)濟(jì)型轎車上，由于耗油少，在一定程度上降低了汽車的燃油費(fèi)用[1]。

電子控制單元（ECU）、轉(zhuǎn)矩傳感器、電磁離合器、電動(dòng)機(jī)、蝸輪蝸桿等共同組成了電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)矩傳感器的作用相當(dāng)于整個(gè)系統(tǒng)的眼睛，因此，轉(zhuǎn)矩傳感器是電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中最為重要的器件之一[2]。

2.轉(zhuǎn)矩傳感器的基本工作原理

轉(zhuǎn)矩傳感器是汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件，其主要的工作原理是：用來檢測(cè)作用在方向盤下面轉(zhuǎn)向軸上的轉(zhuǎn)矩，這個(gè)轉(zhuǎn)矩的大小通過彈性軸（也就是轉(zhuǎn)向軸）的扭轉(zhuǎn)彈性形變的程度來衡量，轉(zhuǎn)矩傳感器就把這個(gè)檢測(cè)到的轉(zhuǎn)矩大小的信號(hào)傳遞給電子控制單元（ECU），此時(shí)，電子控制單元就發(fā)出準(zhǔn)確的指令，來控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出與之匹配的轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向軸的轉(zhuǎn)向。

3.轉(zhuǎn)矩傳感器的國內(nèi)外現(xiàn)狀

目前，轉(zhuǎn)矩傳感器種類很多，按測(cè)量原理可分為電位計(jì)式、光式、電感式、電磁式、磁阻式等[3]；按測(cè)量方式通常分為接觸式、非接觸式。

3.1轉(zhuǎn)矩傳感器按測(cè)量原理的分類

3.1.1電位計(jì)式

電位計(jì)式轉(zhuǎn)矩傳感器是將扭桿的變形轉(zhuǎn)換為電位計(jì)電阻值的變化，通過測(cè)量電位計(jì)輸出電壓的變化而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩測(cè)量[8]。它的主要特點(diǎn)是成本低廉，但是由于是采用接觸式，工作時(shí)產(chǎn)生的摩擦磨損，進(jìn)而影響測(cè)量精度，縮短了壽命，維護(hù)不方便，不利于集成化，將逐漸淘汰，被非接觸式轉(zhuǎn)矩傳感器所替代。

3.1.2光式

光式轉(zhuǎn)矩傳感器的輸入/輸出軸由扭桿連接，將兩光碼盤分別固定在輸入軸和輸出軸，每個(gè)光碼盤有兩圈一定個(gè)數(shù)的孔，其中一個(gè)光碼盤的孔同相分布，另一個(gè)反相位分布，發(fā)光管和光敏二極管固定在光碼盤兩側(cè)。有扭矩作用時(shí)，扭桿的扭轉(zhuǎn)變形引起光碼盤的錯(cuò)動(dòng)，使得光碼盤內(nèi)外孔的重疊面積發(fā)生變化，照射到光敏二極管的光發(fā)生變化，輸出相應(yīng)的電壓信號(hào)。光電式轉(zhuǎn)矩傳感器測(cè)量精度較高、響應(yīng)速度快、不受電磁干擾、屬于非接觸測(cè)量、性能可靠、受溫度影響小。但是對(duì)光碼盤上孔的加工精度和位置精度要求很高，且光源壽命有限，受環(huán)境影響較大，安裝密封性要求較高，價(jià)格比較貴。

3.1.3電感式

電感式轉(zhuǎn)矩傳感器的輸入/輸出軸通過扭桿連接，輸入軸上分布有由非磁性材料制成帶兩排孔的鍵槽，輸出軸上分布有由磁性材料制成的花鍵，花鍵與鍵槽外面與線軸套和線圈對(duì)應(yīng)。有扭矩作用時(shí)，扭桿產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，扭桿變形與傳遞扭矩大小呈一線性關(guān)系。扭桿變形，使得鍵槽和花鍵產(chǎn)生相對(duì)位移，導(dǎo)致鍵槽帶孔位置的磁感強(qiáng)度發(fā)生變化，通過磁通量探測(cè)線圈將電感變化轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，據(jù)此檢測(cè)扭矩的大小和方向。電感式轉(zhuǎn)矩傳感器屬于非接觸式，不易受到磨損、可靠性高、壽命長(zhǎng)、有更小的延時(shí)、精度適中。但是此種傳感器存在磁性元件，受溫度影響較大，增加溫度補(bǔ)償線圈后，傳感器體積較大，不利于集成化。

3.1.4電磁式

電磁式轉(zhuǎn)矩傳感器由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成，定子是印刷電路板，其上分布有激勵(lì)線圈、接收線圈和相應(yīng)的信號(hào)處理電路。轉(zhuǎn)子由上下對(duì)稱的雙層轉(zhuǎn)子片組成，每層轉(zhuǎn)子片均有特定個(gè)數(shù)的轉(zhuǎn)子環(huán)均勻分布在圓周上。當(dāng)激勵(lì)線圈通入高頻交流電時(shí)，激勵(lì)線圈包圍區(qū)域產(chǎn)生均衡的交變磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子處于交變磁場(chǎng)中，由于渦流的作用，造成磁場(chǎng)分布不勻衡，這種不均衡導(dǎo)致接收線圈端輸出電壓發(fā)生相應(yīng)變化，因此，方向盤扭矩轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓變化。信號(hào)處理單元接收接收線圈的電壓信號(hào)，進(jìn)行相應(yīng)處理實(shí)現(xiàn)扭矩的測(cè)量。電磁式傳感器屬于非接觸式、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，利于集成化，不需要額外的磁性材料，無需設(shè)定溫度補(bǔ)償、對(duì)傳感器定子接收線圈進(jìn)行相應(yīng)的處理，可以實(shí)現(xiàn)扭矩和方向盤轉(zhuǎn)角的復(fù)合測(cè)量，是轉(zhuǎn)矩傳感器未來發(fā)展方向之一。

3.1.5磁阻式

磁阻式轉(zhuǎn)矩傳感器是根據(jù)磁阻效應(yīng)或巨磁阻效應(yīng)制成的傳感器。其輸入軸和輸出軸通過扭桿連接，輸入軸裝有鐵磁材料制成的齒輪信號(hào)盤A，輸出軸上裝有鐵磁材料制成的齒輪信號(hào)盤B、C，信號(hào)盤分別對(duì)應(yīng)安裝著MR傳感器A、B、C，因?yàn)榭諝馀c信號(hào)盤磁導(dǎo)率不同，扭桿發(fā)生扭轉(zhuǎn)，信號(hào)盤A、B發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，通過齒輪信號(hào)盤的齒頂和齒根對(duì)磁場(chǎng)的影響，使得MR傳感器A，B的阻值大小改變，轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓變化，實(shí)現(xiàn)扭矩的測(cè)量。同理，根據(jù)信號(hào)盤B，C可以測(cè)量方向盤轉(zhuǎn)角[4]。

此類轉(zhuǎn)矩傳感器測(cè)量精度較高、有效性好、便于集成化。其靈敏度、頻率特性、精度、線性度等均滿足電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向的性能要求，代表了電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)矩傳感器的發(fā)展方向。

3.2轉(zhuǎn)矩傳感器按測(cè)量方式的分類

3.2.1接觸式轉(zhuǎn)矩傳感器

接觸式轉(zhuǎn)矩傳感器的線性度和靈敏度之間存在矛盾，不利于提高準(zhǔn)確性和靈敏性，且存在接觸磨損的問題。這類傳感器共有的一大缺陷就是接觸磨損，這是使用中最為棘手的問題，使用壽命短，要想保證良好的特性就要多次更換，這樣帶來了資源浪費(fèi)和成本問題，即使采用好的材料來減小磨損，也會(huì)帶來成本問題，接觸磨損不會(huì)消除。所以接觸式轉(zhuǎn)矩傳感器會(huì)逐3.2.2非接觸式轉(zhuǎn)矩傳感器

電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩傳感器的非接觸工作方式，使其壽命長(zhǎng)，可靠性高，不易受磨損，同時(shí)受軸向偏移影響小，所以非接觸式早已成為研究和應(yīng)用熱點(diǎn)。國外將其分為兩大類，光電式和電磁感應(yīng)式。電磁感應(yīng)式的轉(zhuǎn)矩傳感器就是上面介紹的電感式、電磁式和磁阻式三大類，他們具有精度適中、耐污染、抗干擾、穩(wěn)定性高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等諸多優(yōu)點(diǎn)，在轉(zhuǎn)向傳感器方向得到廣泛的應(yīng)用。

4.轉(zhuǎn)矩傳感器發(fā)展方向

隨著對(duì)電動(dòng)轉(zhuǎn)向成本、空間、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等要求的提高，傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)角、扭矩單一傳感器已不能滿足要求。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向傳感器開始從提供單一扭矩信號(hào)向提供復(fù)合扭矩轉(zhuǎn)角信號(hào)方向發(fā)展。

轉(zhuǎn)矩傳感器是測(cè)量技術(shù)、信息處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、材料科學(xué)和微電子學(xué)等綜合密集型技術(shù)，轉(zhuǎn)矩傳感器將向具有自診斷功能、自校準(zhǔn)功能、自補(bǔ)償功能、自修正功能、自適應(yīng)、自尋故障等更高級(jí)的智能化發(fā)展。

總之，電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩傳感器整體上都會(huì)朝著小型化，實(shí)用溫度范圍更廣化，向大型車、重型車方向發(fā)展。

5.結(jié)束語

本文從工作原理、研究發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用情況等幾方面對(duì)國內(nèi)外主導(dǎo)的幾類轉(zhuǎn)矩傳感器進(jìn)行了論述，比較了各轉(zhuǎn)矩傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)。隨著汽車電動(dòng)轉(zhuǎn)向裝配率的提高，對(duì)滿足結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、精度適中、價(jià)格便宜的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向?qū)Ｓ棉D(zhuǎn)矩傳感器的研究成為必然。（作者單位：西華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院）

參考文獻(xiàn)：

[1]于振州.77種汽車最新電器構(gòu)造、原理與維修[M].電子工業(yè)出版社，2000.

[2]林逸，施國標(biāo).汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)[J].公路交通科技，2001，18（3）：79-81.

[3]周廷明，劉志輝，劉夢(mèng)奇.電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)[J].機(jī)床與液壓，2012，40（7）：177-179.

[4]王巖，儲(chǔ)江偉.扭矩測(cè)量方法現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2010，38（11）：15-18.