大家好，關于磁致伸縮扭矩傳感器很多朋友都還不太明白，今天小編就來為大家分享關于磁致伸縮傳感器說明書的知識，希望對各位有所幫助！
傳感器的定義和分類
一、傳感器的定義
信息處理技術取得的進展以及微處理器和計算機技術的高速發展，都需要在傳感器的開發方面有相應的進展。微處理器現在已經在測量和控制系統中得到了廣泛的應用。隨著這些系統能力的增強，作為信息采集系統的前端單元，傳感器的作用越來越重要。傳感器已成為自動化系統和機器人技術中的關鍵部件，作為系統中的一個結構組成，其重要性變得越來越明顯。
最廣義地來說，傳感器是一種能把物理量或化學量轉變成便于利用的電信號的器件。國際電工委員會(IEC:International
Electrotechnical
Committee)的定義為：“傳感器是測量系統中的一種前置部件，它將輸入變量轉換成可供測量的信號”。按照Gopel等的說法是：“傳感器是包括承載體和電路連接的敏感元件”，而“傳感器系統則是組合有某種信息處理(模擬或數字)能力的傳感器”。傳感器是傳感器系統的一個組成部分，它是被測量信號輸入的第一道關口。
傳感器系統的原則框圖示于圖1-1，進入傳感器的信號幅度是很小的，而且混雜有干擾信號和噪聲。為了方便隨后的處理過程，首先要將信號整形成具有最佳特性的波形，有時還需要將信號線性化，該工作是由放大器、濾波器以及其他一些模擬電路完成的。在某些情況下，這些電路的一部分是和傳感器部件直接相鄰的。成形后的信號隨后轉換成數字信號，并輸入到微處理器。
德國和俄羅斯學者認為傳感器應是由二部分組成的，即直接感知被測量信號的敏感元件部分和初始處理信號的電路部分。按這種理解，傳感器還包含了信號成形器的電路部分。
傳感器系統的性能主要取決于傳感器，傳感器把某種形式的能量轉換成另一種形式的能量。有兩類傳感器：有源的和無源的。有源傳感器能將一種能量形式直接轉變成另一種，不需要外接的能源或激勵源(參閱圖1-2(a))。
有源(a)和無源(b)傳感器的信號流程
無源傳感器不能直接轉換能量形式，但它能控制從另一輸入端輸入的能量或激勵能
傳感器承擔將某個對象或過程的特定特性轉換成數量的工作。其“對象”可以是固體、液體或氣體，而它們的狀態可以是靜態的，也可以是動態(即過程)的。對象特性被轉換量化后可以通過多種方式檢測。對象的特性可以是物理性質的，也可以是化學性質的。按照其工作原理，傳感器將對象特性或狀態參數轉換成可測定的電學量，然后將此電信號分離出來，送入傳感器系統加以評測或標示。
各種物理效應和工作機理被用于***不同功能的傳感器。傳感器可以直接接觸被測量對象，也可以不接觸。用于傳感器的工作機制和效應類型不斷增加，其包含的處理過程日益完善。
常將傳感器的功能與人類5大感覺器官相比擬：
光敏傳感器——視覺?聲敏傳感器——聽覺
氣敏傳感器——嗅覺?化學傳感器——味覺
壓敏、溫敏、流體傳感器——觸覺
與當代的傳感器相比，人類的感覺能力好得多，但也有一些傳感器比人的感覺功能優越，例如人類沒有能力感知紫外或紅外線輻射，感覺不到電磁場、無色無味的氣體等。
對傳感器設定了許多技術要求，有一些是對所有類型傳感器都適用的，也有只對特定類型傳感器適用的特殊要求。針對傳感器的工作原理和結構在不同場合均需要的基本要求是：
高靈敏度抗干擾的穩定性(對噪聲不敏感)線性容易調節(校準簡易)
高精度高可靠性無遲滯性工作壽命長(耐用性)
可重復性抗老化高響應速率抗環境影響(熱、振動、酸、堿、空氣、水、塵埃)的能力
選擇性安全性(傳感器應是無污染的)互換性低成本
寬測量范圍小尺寸、重量輕和高強度寬工作溫度范圍
二、傳感器的分類
可以用不同的觀點對傳感器進行分類：它們的轉換原理(傳感器工作的基本物理或化學效應)；它們的用途；它們的輸出信號類型以及***它們的材料和工藝等。
根據傳感器工作原理，可分為物理傳感器和化學傳感器二大類
傳感器工作原理的分類物理傳感器應用的是物理效應，諸如壓電效應，磁致伸縮現象，離化、極化、熱電、光電、磁電等效應。被測信號量的微小變化都將轉換成電信號。
化學傳感器包括那些以化學吸附、電化學反應等現象為因果關系的傳感器，被測信號量的微小變化也將轉換成電信號。
有些傳感器既不能劃分到物理類，也不能劃分為化學類。大多數傳感器是以物理原理為基礎運作的。化學傳感器技術問題較多，例如可靠性問題，規模生產的可能性，價格問題等，解決了這類難題，化學傳感器的應用將會有巨大增長。
常見傳感器的應用領域和工作原理列于表1.1。
按照其用途，傳感器可分類為：
壓力敏和力敏傳感器?位置傳感器
液面傳感器?能耗傳感器
速度傳感器?熱敏傳感器
加速度傳感器?射線輻射傳感器
振動傳感器?濕敏傳感器
磁敏傳感器?氣敏傳感器
真空度傳感器?生物傳感器等。?
以其輸出信號為標準可將傳感器分為：
模擬傳感器——將被測量的非電學量轉換成模擬電信號。?
數字傳感器——將被測量的非電學量轉換成數字輸出信號(包括直接和間接轉換)。?
膺數字傳感器——將被測量的信號量轉換成頻率信號或短周期信號的輸出(包括直接或間接轉換)。?
開關傳感器——當一個被測量的信號達到某個特定的閾值時，傳感器相應地輸出一個設定的低電平或高電平信號。
?
在外界因素的作用下，所有材料都會作出相應的、具有特征性的反應。它們中的那些對外界作用最敏感的材料，即那些具有功能特性的材料，被用來***傳感器的敏感元件。從所應用的材料觀點出發可將傳感器分成下列幾類：
(1)按照其所用材料的類別分?
金屬?聚合物?陶瓷?混合物?
(2)按材料的物理性質分??導體?絕緣體?半導體?磁性材料?
(3)按材料的晶體結構分?
單晶?多晶?非晶材料?
與采用新材料緊密相關的傳感器開發工作，可以歸納為下述三個方向：?
(1)在已知的材料中探索新的現象、效應和反應，然后使它們能在傳感器技術中得到實際使用。?
(2)探索新的材料，應用那些已知的現象、效應和反應來改進傳感器技術。?
(3)在研究新型材料的基礎上探索新現象、新效應和反應，并在傳感器技術中加以具體實施。?
現代傳感器制造業的進展取決于用于傳感器技術的新材料和敏感元件的開發強度。傳感器開發的基本趨勢是和半導體以及介質材料的應用密切關聯的。表1.2中給出了一些可用于傳感器技術的、能夠轉換能量形式的材料。?
按照其制造工藝，可以將傳感器區分為：
集成傳感器?薄膜傳感器?厚膜傳感器?陶瓷傳感器
集成傳感器是用標準的生產硅基半導體集成電路的工藝技術制造的。通常還將用于初步處理被測信號的部分電路也集成在同一芯片上。?
薄膜傳感器則是通過沉積在介質襯底(基板)上的，相應敏感材料的薄膜形成的。使用混合工藝時，同樣可將部分電路制造在此基板上。?
厚膜傳感器是利用相應材料的漿料，涂覆在陶瓷基片上制成的，基片通常是Al2O3制成的，然后進行熱處理，使厚膜成形。
陶瓷傳感器采用標準的陶瓷工藝或其某種變種工藝(溶膠-凝膠等)生產。?
完成適當的預備性操作之后，已成形的元件在高溫中進行燒結。厚膜和陶瓷傳感器這二種工藝之間有許多共同特性，在某些方面，可以認為厚膜工藝是陶瓷工藝的一種變型。?
每種工藝技術都有自已的優點和不足。由于研究、開發和生產所需的資本投入較低，以及傳感器參數的高穩定性等原因，采用陶瓷和厚膜傳感器比較合理。
最典型的測力傳感器是應變片式測力（包括測扭矩）傳感器。其它如變極距電容式、變氣隙電感式，差動螺線管（電感）式、差動變壓器式、線性輸出型霍爾式、磁致伸縮式等這些能用于測變形的傳感器都可以轉化為測力。另外還有適宜于動態力測量的壓電式、磁電感應式等。
測量物***置移動的高精密自動化測量工具。位移傳感器又稱為線性傳感器,位移是和物體的位置在運動過程中的移動有關的量，位移的測量方式所涉及的范圍是相當廣泛的。它分為電感式位移傳感器，電容式位移傳感器，光電式位移傳感器，位移傳感器超聲波式位移傳感器，霍爾式位移傳感器，磁致伸縮位移傳感器。
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電動助力轉向系統EPS(electricpowersteering)是一種直接依靠電機提供輔助扭矩的動力轉向系統,與傳統的液壓助力轉向系統HPS(hydraulicpowersteering)相比,EPS系統具有很多優點：僅在需要轉向時才啟動電機產生助力,能減少發動機燃油消耗；能在各種行駛工況下提供最佳助力，減小由路面不平所引起電動機的輸出轉矩通過傳動裝置的作用而助力向系的擾動，改善汽車的轉向特性,提高汽車的主動安全性；沒有液壓回路,調整和檢測更容易,裝配自動化程度更高,且可通過設置不同的程序，快速與不同車型匹配,縮短生產和開發周期；不存在漏油問題,減小對環境的污染。EPS系統是未來動力轉向系統的一個發展趨勢。圖1EPS結構圖如圖1所示，EPS主要由扭矩傳感器、車速傳感器、電動機、減速機構和電子控制單元(ECU)等組成。通過傳感器探測司機在轉向操作時方向盤產生的扭矩或轉角的大小和方向，并將所需信息轉化成數字信號輸入控制單元,再由控制單元對這些信號進行運算后得到一個與行駛工況相適應的力矩,最后發出指令驅動電動機工作，電動機的輸出轉矩通過傳動裝置的作用而助力。因此扭矩傳感器是EPS系統中最重要的器件之一。扭矩傳感器的種類有很多，主要有電位計式扭矩傳感器、金屬電阻應變片的扭矩傳感器、非接觸式扭矩傳感器等，隨技術的進步將會有精度更高、成本更低的傳感器出現。
2電位計式扭矩傳感器
電位計式扭矩傳感器主要可以分為旋臂式、雙級行星齒輪式、扭桿式。其中扭桿式測量結構簡單、可靠性能相對比較高，在早期應用比較多。2.1EPS中扭桿式扭矩傳感器的結構、原理扭桿式扭矩傳感器主要由扭桿彈簧、轉角-位移變換器、電位計組成。扭桿彈簧主要作用是檢測司機作用在方向盤上的扭矩，并將其轉化成相應的轉角值。轉角-位移變換器是一對螺旋機構，將扭桿彈簧兩端的相對轉角轉化為滑動套的軸向位移，由剛球、螺旋槽和滑塊組成。滑塊相對于輸入軸可以在螺旋方向上移動，同時滑塊通過一個銷安裝到輸出軸上，可以相對于輸出軸在垂直方向上移動。因此，當輸入軸相對于輸出軸轉動時，滑塊按照輸入軸的旋轉方向和相對于輸出軸的旋轉量，垂直移動。當轉動方向盤的時候，鈕矩被傳遞到扭力桿，輸入軸相對于輸出軸方向出現偏差。該偏差是滑塊出現移動，這些軸方向的移動轉化為電位計的杠桿旋轉角度，滑動觸點在電阻線上的移動使電位計的電阻值隨之變化，電阻的變化通過電位計轉化為電壓。這樣扭矩信號就轉化為了電壓信號。2.2扭桿式扭矩傳感器的設計扭桿是整個扭桿扭矩傳感器的重要部件，因而扭桿式扭矩傳感器的設計關鍵是扭桿的設計。扭桿通過細齒形漸開線花鍵和方向盤軸連接，另外的一端通過徑向銷（直徑D）與轉向輸出軸連接，基本結構如圖2所示。圖2圓柱截面扭桿結構圖扭桿細齒形漸開線花鍵端部結構外直徑d0=(1.15~1.25)d,長度L=（0.5~0.7）d，為了避免過大的應力集中，采用過度圓角時，半徑R=（3~5）d，扭桿的有效長度為l，d為扭桿有效長度的直徑。扭桿的扭轉剛度k是扭桿的一個重要的物理量，可以參照下面的公式計算。當其受到扭矩T的時候，其扭轉的切應力τ和變形角φ分別為：其扭轉剛度為：其中d-扭桿直徑，有效長度，Ip慣性矩，Zi抗扭截面系數如圖3為某扭矩傳感器扭桿的試驗曲線，曲線的斜率即為扭轉剛度k。扭桿式扭矩傳感器在早期的EPS中應用比較多，但由于是接觸式的，工作時產生的摩擦使其易磨損，影響其精度，將會被逐步淘汰。
3金屬電阻應變片的扭矩傳感器
傳感器扭矩測量采用應變電測技術。在彈性軸上粘貼應變計組成測量電橋，當彈性軸受扭矩產生微小變形后引起電橋電阻值變化，應變電橋電阻的變化轉變為電信號的變化從而實現扭矩測量。傳感器就完成如下的信息轉換：傳感器由彈性軸、測量電橋、儀器用放大器、接口電路組成。彈性軸是敏感元件，在45度和135度的方向上產生最大壓應力和拉應力，這個時候承受的主應力和剪應力相等，其計算公式為：式中τ—主應力，此時與σ相等Wp—軸截面極矩測量電橋可以采用半導體電阻應變片，并將它們接成差動全橋,其輸出電壓正比于扭轉軸所受的扭矩。應變片的電阻R1=R2=R3=R4＝R0,可以得到下面的式子：式中，E－軸材料的彈性模量u－電橋的供電電壓S－電阻應變片的靈敏度系數放大電路采用儀器用放大電路，它由專用儀器用放大電路構成，也有三只單運放電路組合而成，放大倍數為K，放大后的電壓V為：為了使一起具有高精度，必須使靈敏度系數為常數。在金屬電阻應變片的扭矩傳感器中，需要解決的技術關鍵是：(1)、彈性軸的工作區域不應該大于彈性區域的1/3，且取初始段。為了將遲滯誤差減低到最底，按照超載能力指數選取最大的軸徑。(2)、采用LM型硅擴散力敏全橋應變片，較好的敏感性，很小的非線形度(3)、采用高精度的穩壓電源。
4非接觸式扭矩傳感器
如圖4所示為非接觸式扭矩傳感器的典型結構。輸入軸和輸出軸由扭桿連接起來，輸入軸上有花鍵，輸出軸上有鍵槽。當扭桿受方向盤的轉動力矩作用發生扭轉時，輸入軸上的花鍵和輸出軸上鍵槽之間的相對位置就被改變了。花鍵和鍵槽的相對位移改變量等于扭轉桿的扭轉量，使得花鍵上的磁感強度改變，磁感強度的變化，通過線圈轉化為電壓信號。信號的高頻部分由檢測電路濾波，僅有扭矩信號部分被放大。非接觸扭矩傳感器由于采用的是非接觸的工作方式，因而壽命長、可靠性高，不易受到磨損、有更小的延時、受軸的偏轉和軸向偏移的影響更小，現在已經廣泛用于轎車和輕型車中，是EPS傳感器的主流產品。
5其它扭矩傳感器
如圖5所示為相位差傳感方式來檢測扭矩的扭矩傳感器的結構和測量原理圖，這種傳感器具有高精度，高重復性的特點。其測量原理為：在受扭軸的兩端各安上一個齒輪，對著齒面再各裝一個電磁傳感器，從傳感器上就能感應出兩個與動力軸非接觸的交流信號。取出其信號的相位差，在這兩個相位差之間，插入由晶體震蕩器產生的高精度，高穩定的時鐘信號。以這個時鐘信號為基準，巧妙運用數字信號處理技術就能精確地測出所承受的扭矩。6EPS扭矩傳感器的發展趨勢隨著EPS系統的不斷完善和發展，對扭矩傳感器的精度、可靠性和響應速度提出了跟高的要求。EPS扭矩傳感器正呈現以下的發展趨勢：（1）、測試系統向微型化!數字化、智能化、虛擬化和網絡化方向發展;（2）、從單功能向多功能發展,包括自補償、自修正、自適應、自診斷、***設定、狀態組合、信息存儲和記憶;（3）、向著小型化、集成化方向發展。傳感器的檢測部分可以通過結構的合理設計和優化來實現小型化，IC部分可以整合盡可能多的半導體部件、電阻到一個單獨的IC部件上，減少外部部件的數量。（4）、由靜態測試向動態在線檢測方向發展。
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