几种典型的电磁式扭矩传感器
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随着传感器技术的迅速发展，扭矩传感器成为其中一个重要的研究方向。扭矩测量作为各种反映机械转动系统运行状态和检测的主要参数，对扭矩的检测关系到整个转动系统性能，表现在其所输出的功率、能耗、使用寿命、安全性和稳定性等方面。扭矩测量已经在石油、汽车、船舶、航空航天、工程机械、交通运输、军事、口腔医学、医疗器械、电机、机器人及仿生机械等各个领域有着广泛的应用。随着全球资源的减少和国家战略的需求，原有的接触式扭矩测量易磨损，易受环境因素影响的弊端被日益放大，为了提高扭矩传感器的测量精度，降低使用成本和提高抗干扰能力，非接触式的电磁式扭矩应运而生。
自从80年代起开始，美国、日本等发达国家研制出了电磁式扭矩传感器后，科技界对其进行了广泛和深入的研究。各式各样的新型电磁式扭矩传感器接踵而至。其中主要代表的几款传感器如下，他们分别从结构，制作工艺和测量方式上进行了创新和改进，对该领域贡献较大。
1. 立式电磁扭矩传感器
Li 等对平面式的电磁扭矩传感器进行了深入研究，虽然其具有结构简单，抗外界干扰能力强等优点。但它也有较为明显的缺点，由于该型传感器是平面式的，占用过多的横向空间，限制了其应用的范围。同时为解决国内该领域被国外垄断的情况，避开海拉传感器的专利，利用 FPC（ flexible printed circuit） 立体式曲面线圈优势，通过立体柱面电磁耦合和内外嵌套的曲面涡流耦合的结构，提出了立式电磁扭矩传感器。
在减小传感器体积的同时，为提高测量精度、减小非线性误差，提出将传感器结构设计成立式的两段结构，即2个转子和2个接收线圈主从级式结构，主级用于测量，从级用于校对，如图1所示。通过 Maxwell 软件对输出电压、激励线圈匝数、转子的厚度等参数进行电磁仿真，将上述多组参数的数据利用线性减惯性权重粒子群算法与有限元方法相结合的方法优化设计传感器的结构参数，除去电压波动较大及结构参数差的组别，最终找到一组传感器设计参数能使传感器的非线性度产生最小的误差，用以指导传感器的加工，为立式结构电磁扭矩 － 角度传感器的设计提供了新的理论基础和发展方向。
图1 立式传感器结构
2. 霍尔式扭矩传感器
中北大学为解决现有的扭矩传感器结构复杂和制造成本高的问题，设计了一种基于霍尔效应的扭矩传感器，传感器结构和传感器磁场如图 2、3 所示。该传感器使用成本较低的永磁体（N35 钕铁硼） 作为激励来产生磁场，将其外形设计成片状，排列方式为相邻两片的 N、S 极，极性相反排列在转动轴的径向上，从而形成绕轴一圈的磁环。当旋转轴转动时，由轴两端的磁环产生周期性的交变磁场，在该磁场中霍尔元件将在其内部产生的霍尔电压，由于旋转轴两端存在着相位差，因此通过计算两路电压信号之间的相位差可得到轴两端相对扭转角大小。
图2 霍尔式扭矩传感器结构
图3 垂直于磁环方向上的磁场
3. 差动式电磁感应转矩传感器
Zhao研制出一种基于电磁感应原理的差动式扭矩传感器，其结构如图4 所示。传感器轴的输出铁芯一端与转动轴同心固定在转动轴上，另一端使用轴承将其传感器轴相连且可以转动，将输出绕组布置在输出铁芯槽内。励磁铁心固定在励磁套管上，励磁绕组安装在励磁铁心上。该传感器的工作原理是将扭矩的转角信号转化成传感器的闭合磁路磁通，其中磁通是由励磁铁芯，气隙和输出铁芯所形成的磁路产生。由于负载扭矩的原因，此时输出绕组的两路磁通不再相同，产生的电动势也不再相等，经过差动输出后的输出绕组将产生与该转角成线性关系的电动势，再经过电磁耦合最终得到电动势与负载扭矩 T 成正比的关系。在结构上取得创新的同时，同时实现了对测量动态及静态扭矩的测量。
图4 差动式传感器结构
4. 环型球栅式电磁扭矩传感
重庆大学喻洪麟课题组在原有的电磁式扭矩传感的基础上，通过将光栅扭矩传感器的测量原理和电磁式进行了结合，研究出来一个新型电磁式扭矩传感，实现方式如图5 所示，命名为环型球栅扭矩传感。其原理还是应用的电磁感应现象，填补了光栅和电磁式结合的领域空白。
图5 环型球栅传感器扭矩测量系统
如图6 所示传感器是由环型空间的磁性钢球和电磁式探测器阵列组成，主要是对上述的结构进行了创新，将环型球栅引入其中，同时保留有电磁式测量头，由此将二者完美的结合。由于传感器的球栅圆环是固定的，因此当传动轴旋转时，通过环型球珊内的金属小球，小球和空气的磁阻不同，由于磁阻得变化，就可以转化为读数头和球栅之间相对位移，最终测得扭矩。该传感器具有物理性质稳定、结构可靠的优点。
图6 环型球栅扭矩传感器结构
来源：仪器仪表学报
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