转矩传感器的研究综述

作者简介：彭家瑶（1988-），男，汉族，四川江油市人，学生，研究生在读，西华大学机械工程学院，研究方向：控制工程与电子技术。

摘要：本文主要介绍了转矩传感器的基本工作原理及分类，比较了各类转矩传感器的优缺点，认识了各类转矩传感器的应用类型及应用特点，了解了各类转矩传感器市场前景以及国内外研究的具体情况，预测了未来转矩传感器的发展趋势和应用方向，为进一步研究转矩传感器奠定了基础。

关键词：电动；转向系统；传感器；发展趋势

1.绪论

电动转向系统（EPS）是近年来取代了传统的液电式转向系统，迅速发展起来的一种新型动力转向装置。目前，电动转向系统主要用于轻型车和经济型轿车上，由于耗油少，在一定程度上降低了汽车的燃油费用[1]。

电子控制单元（ECU）、转矩传感器、电磁离合器、电动机、蜗轮蜗杆等共同组成了电动转向系统。在该系统中，转矩传感器的作用相当于整个系统的眼睛，因此，转矩传感器是电动转向系统中最为重要的器件之一[2]。

2.转矩传感器的基本工作原理

转矩传感器是汽车电动助力转向系统的关键零部件，其主要的工作原理是：用来检测作用在方向盘下面转向轴上的转矩，这个转矩的大小通过弹性轴（也就是转向轴）的扭转弹性形变的程度来衡量，转矩传感器就把这个检测到的转矩大小的信号传递给电子控制单元（ECU），此时，电子控制单元就发出准确的指令，来控制驱动电机输出与之匹配的转矩，实现转向轴的转向。

3.转矩传感器的国内外现状

目前，转矩传感器种类很多，按测量原理可分为电位计式、光式、电感式、电磁式、磁阻式等[3]；按测量方式通常分为接触式、非接触式。

3.1转矩传感器按测量原理的分类

3.1.1电位计式

电位计式转矩传感器是将扭杆的变形转换为电位计电阻值的变化，通过测量电位计输出电压的变化而实现转矩测量[8]。它的主要特点是成本低廉，但是由于是采用接触式，工作时产生的摩擦磨损，进而影响测量精度，缩短了寿命，维护不方便，不利于集成化，将逐渐淘汰，被非接触式转矩传感器所替代。

3.1.2光式

光式转矩传感器的输入/输出轴由扭杆连接，将两光码盘分别固定在输入轴和输出轴，每个光码盘有两圈一定个数的孔，其中一个光码盘的孔同相分布，另一个反相位分布，发光管和光敏二极管固定在光码盘两侧。有扭矩作用时，扭杆的扭转变形引起光码盘的错动，使得光码盘内外孔的重叠面积发生变化，照射到光敏二极管的光发生变化，输出相应的电压信号。光电式转矩传感器测量精度较高、响应速度快、不受电磁干扰、属于非接触测量、性能可靠、受温度影响小。但是对光码盘上孔的加工精度和位置精度要求很高，且光源寿命有限，受环境影响较大，安装密封性要求较高，价格比较贵。

3.1.3电感式

电感式转矩传感器的输入/输出轴通过扭杆连接，输入轴上分布有由非磁性材料制成带两排孔的键槽，输出轴上分布有由磁性材料制成的花键，花键与键槽外面与线轴套和线圈对应。有扭矩作用时，扭杆产生扭转变形，扭杆变形与传递扭矩大小呈一线性关系。扭杆变形，使得键槽和花键产生相对位移，导致键槽带孔位置的磁感强度发生变化，通过磁通量探测线圈将电感变化转换为电压信号，据此检测扭矩的大小和方向。电感式转矩传感器属于非接触式，不易受到磨损、可靠性高、寿命长、有更小的延时、精度适中。但是此种传感器存在磁性元件，受温度影响较大，增加温度补偿线圈后，传感器体积较大，不利于集成化。

3.1.4电磁式

电磁式转矩传感器由定子和转子两部分组成，定子是印刷电路板，其上分布有激励线圈、接收线圈和相应的信号处理电路。转子由上下对称的双层转子片组成，每层转子片均有特定个数的转子环均匀分布在圆周上。当激励线圈通入高频交流电时，激励线圈包围区域产生均衡的交变磁场，转子处于交变磁场中，由于涡流的作用，造成磁场分布不匀衡，这种不均衡导致接收线圈端输出电压发生相应变化，因此，方向盘扭矩转换为相应的电压变化。信号处理单元接收接收线圈的电压信号，进行相应处理实现扭矩的测量。电磁式传感器属于非接触式、结构简单，利于集成化，不需要额外的磁性材料，无需设定温度补偿、对传感器定子接收线圈进行相应的处理，可以实现扭矩和方向盘转角的复合测量，是转矩传感器未来发展方向之一。

3.1.5磁阻式

磁阻式转矩传感器是根据磁阻效应或巨磁阻效应制成的传感器。其输入轴和输出轴通过扭杆连接，输入轴装有铁磁材料制成的齿轮信号盘A，输出轴上装有铁磁材料制成的齿轮信号盘B、C，信号盘分别对应安装着MR传感器A、B、C，因为空气与信号盘磁导率不同，扭杆发生扭转，信号盘A、B发生错动，通过齿轮信号盘的齿顶和齿根对磁场的影响，使得MR传感器A，B的阻值大小改变，转换为相应的电压变化，实现扭矩的测量。同理，根据信号盘B，C可以测量方向盘转角[4]。

此类转矩传感器测量精度较高、有效性好、便于集成化。其灵敏度、频率特性、精度、线性度等均满足电动助力转向的性能要求，代表了电动助力转向转矩传感器的发展方向。

3.2转矩传感器按测量方式的分类

3.2.1接触式转矩传感器

接触式转矩传感器的线性度和灵敏度之间存在矛盾，不利于提高准确性和灵敏性，且存在接触磨损的问题。这类传感器共有的一大缺陷就是接触磨损，这是使用中最为棘手的问题，使用寿命短，要想保证良好的特性就要多次更换，这样带来了资源浪费和成本问题，即使采用好的材料来减小磨损，也会带来成本问题，接触磨损不会消除。所以接触式转矩传感器会逐3.2.2非接触式转矩传感器

电动转向系统转矩传感器的非接触工作方式，使其寿命长，可靠性高，不易受磨损，同时受轴向偏移影响小，所以非接触式早已成为研究和应用热点。国外将其分为两大类，光电式和电磁感应式。电磁感应式的转矩传感器就是上面介绍的电感式、电磁式和磁阻式三大类，他们具有精度适中、耐污染、抗干扰、稳定性高、结构简单等诸多优点，在转向传感器方向得到广泛的应用。

4.转矩传感器发展方向

随着对电动转向成本、空间、结构简单等要求的提高，传统的转角、扭矩单一传感器已不能满足要求。电动助力转向传感器开始从提供单一扭矩信号向提供复合扭矩转角信号方向发展。

转矩传感器是测量技术、信息处理技术、计算机技术、材料科学和微电子学等综合密集型技术，转矩传感器将向具有自诊断功能、自校准功能、自补偿功能、自修正功能、自适应、自寻故障等更高级的智能化发展。

总之，电动转向系统转矩传感器整体上都会朝着小型化，实用温度范围更广化，向大型车、重型车方向发展。

5.结束语

本文从工作原理、研究发展现状及应用情况等几方面对国内外主导的几类转矩传感器进行了论述，比较了各转矩传感器的优缺点。随着汽车电动转向装配率的提高，对满足结构简单、工作可靠、精度适中、价格便宜的电动助力转向专用转矩传感器的研究成为必然。（作者单位：西华大学机械工程学院）

参考文献：

[1]于振州.77种汽车最新电器构造、原理与维修[M].电子工业出版社，2000.

[2]林逸，施国标.汽车电动助力转向技术的发展现状与趋势[J].公路交通科技，2001，18（3）：79-81.

[3]周廷明，刘志辉，刘梦奇.电动助力转向系统及其关键技术[J].机床与液压，2012，40（7）：177-179.

[4]王岩，储江伟.扭矩测量方法现状及发展趋势[J].林业机械与木工设备，2010，38（11）：15-18.