扭矩是電機(jī)試驗(yàn)中一個(gè)重要的參數(shù)，尤其是在電機(jī)效率評(píng)測(cè)中扭矩更是一個(gè)不可或缺的被測(cè)量，扭矩測(cè)量的準(zhǔn)確性直接關(guān)系到電機(jī)效率的評(píng)測(cè)的正確性。目前使用的扭矩測(cè)量方法按照測(cè)量原理可分為平衡力法、傳遞法和能量轉(zhuǎn)換法。

　　一、平衡力法

　　處于勻速工作狀態(tài)的傳動(dòng)機(jī)械構(gòu)件，其主軸和機(jī)體上一定同時(shí)存在一對(duì)扭矩 T 和 T′，并且二者大小相等、方向相反。通過測(cè)量機(jī)體上的 T′來(lái)測(cè)量主軸上 T 的方法稱為平衡力法。設(shè) F 為力臂上的作用力，L 為力臂長(zhǎng)度，則 T′=LF。通過測(cè)量作用力F和力臂L即可得出 T′和 T。平衡力法的優(yōu)點(diǎn)是不存在傳遞扭矩信號(hào)的問題，力臂上的作用力 F容易測(cè)得；缺點(diǎn)是測(cè)量范圍僅局限為勻速工作狀態(tài)，無(wú)法完成動(dòng)態(tài)扭矩的測(cè)量。

　　二、傳遞法

　　傳遞法利用傳遞扭矩時(shí)彈性元件的物理參數(shù)會(huì)發(fā)生某種程度的變化。利用這種變化與扭矩的對(duì)應(yīng)關(guān)系來(lái)測(cè)量扭矩。按照不同的物理參數(shù)，可將傳遞法進(jìn)一步劃分為磁彈性式、應(yīng)變式、振弦式、光電式等，目前傳遞法在扭矩測(cè)量領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛。

　　圖1 傳遞法分類

　　1.光電式扭矩測(cè)量法

　　將開孔數(shù)完全相同的兩片圓盤形光柵固定在轉(zhuǎn)軸上，并將光電元件和固定光源分別固定在光柵兩側(cè)，轉(zhuǎn)軸無(wú)扭矩作用時(shí)兩片光柵的明暗條紋錯(cuò)開，完全遮擋光路，無(wú)光線照到光敏元件上不輸出電信號(hào);有扭矩作用時(shí)兩個(gè)圓盤形光柵的截面產(chǎn)生相對(duì)轉(zhuǎn)角，明暗條紋部分重合，部分光線透過光柵照到光敏元件上，輸出電信號(hào)。扭矩值越大扭轉(zhuǎn)角越大，照到光敏元件上的光線強(qiáng)度越大，輸出電信號(hào)也就越大，通過測(cè)量輸出的電信號(hào)能夠測(cè)得外加扭矩的大小。

　　圖2 光電式扭矩測(cè)量原理

　　該方法的優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)速度快，能實(shí)現(xiàn)扭矩的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè);其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、靜標(biāo)困難、可靠性較差、抗干擾能力差，測(cè)量精度受溫度變化的影響較大。該方法不適用于剛啟動(dòng)和低轉(zhuǎn)速軸的扭矩測(cè)量。

　　2.磁電式扭矩測(cè)量法

　　在彈性軸上安裝兩個(gè)相同的齒輪，磁芯和線圈組成信號(hào)采集系統(tǒng)，齒頂與磁芯之間預(yù)留出微小間隙，當(dāng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，兩個(gè)線圈中分別感應(yīng)出兩個(gè)交變電動(dòng)勢(shì)，而且交變電動(dòng)勢(shì)僅與兩個(gè)齒輪的磁芯相對(duì)位置和相交位置有關(guān)，通過檢測(cè)電動(dòng)勢(shì)的大小即可得到相應(yīng)的扭矩值。

　　圖3 磁電式扭矩測(cè)量原理

　　該方法優(yōu)點(diǎn)是精度高，成本較低，性能可靠，其為非接觸測(cè)量，即不需要電源和中間傳輸環(huán)節(jié);其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，頻響有限，難以制造，響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，相應(yīng)的傳感器尺寸和質(zhì)量較大，低速時(shí)信號(hào)小而高速時(shí)動(dòng)平衡困難。磁電式扭矩測(cè)量法適用于測(cè)量能夠產(chǎn)生較大轉(zhuǎn)角位移的扭矩，能夠測(cè)量啟動(dòng)和低速轉(zhuǎn)矩。由于其動(dòng)態(tài)特性不好，所以不適于高速轉(zhuǎn)動(dòng)軸的扭矩測(cè)量。

　　3.振弦式扭矩測(cè)量法

　　利用振動(dòng)弦固有頻率與張力間的函數(shù)關(guān)系，將力轉(zhuǎn)換成電量，先測(cè)出電量值轉(zhuǎn)換成力的大小，再計(jì)算出相應(yīng)扭矩值。

　　圖4 振弦式扭矩測(cè)量原理圖

　　優(yōu)點(diǎn)是可以直接利用傳動(dòng)軸作為扭軸進(jìn)行測(cè)量;采用頻率信號(hào)傳輸方式，抗干擾性能好;傳感器部分與測(cè)力軸分開，便于在船舶或車輛上進(jìn)行測(cè)量;其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、靈敏度較低、測(cè)量準(zhǔn)確度較低、對(duì)彈性軸的彈性變形要求高。該法適用于大型轉(zhuǎn)軸的扭矩測(cè)量而不適用于高速轉(zhuǎn)軸的測(cè)量。

　　4.磁彈式扭矩測(cè)量法

　　磁彈性式扭矩測(cè)量法是指利用鐵磁材料及其他合金材料的磁彈性效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)扭矩測(cè)量的一種方法，在磁場(chǎng)中對(duì)鐵磁材質(zhì)的彈性軸施加扭矩，磁導(dǎo)率的變化將反映出鐵磁材料磁化強(qiáng)度的變化，因此可以通過測(cè)量磁導(dǎo)率的變化來(lái)獲得扭矩信號(hào)。

　　該方法優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高、穩(wěn)定性好、非接觸測(cè)量、輸出功率大、響應(yīng)速度快、過載能力好、安裝使用方便、抗干擾能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)與電路簡(jiǎn)單、能在惡劣環(huán)境下工作。缺點(diǎn)是存在“圓弧調(diào)制”誤差，使其應(yīng)用受到限制;沿扭軸圓周分布的磁導(dǎo)率存在固有偏差，其測(cè)量準(zhǔn)確度比較低，測(cè)得的只是磁致伸縮層材料的應(yīng)力值，與所需扭矩值尚存在誤差。磁彈性式扭矩測(cè)量法被廣泛應(yīng)用于船舶動(dòng)力裝置、軋鋼、石油鉆機(jī)及數(shù)控機(jī)車等領(lǐng)域。

　　5.應(yīng)變式扭矩測(cè)量法

　　扭矩會(huì)使傳動(dòng)軸產(chǎn)生一定的應(yīng)變，而且這種應(yīng)變與扭矩的大小存在著比例關(guān)系，因此可以通過電阻應(yīng)變片來(lái)檢測(cè)相應(yīng)扭矩的大小。當(dāng)傳動(dòng)軸受到扭矩作用時(shí)會(huì)發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，最大剪應(yīng)變產(chǎn)生在與軸線成 45°角的方向上，在此方向上粘貼電阻應(yīng)變片能夠檢測(cè)到傳動(dòng)軸所受扭矩的大小。工作原理如下圖所示：

　　圖5 應(yīng)變式扭矩測(cè)量原理

　　應(yīng)變式扭矩測(cè)量法的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、適應(yīng)性強(qiáng)、成本低廉、操作簡(jiǎn)便、技術(shù)成熟、應(yīng)用范圍廣、測(cè)量精度高、響應(yīng)速度快、性能穩(wěn)定可靠、溫度補(bǔ)償性能好、能適應(yīng)惡劣環(huán)境;其缺點(diǎn)是濕度、溫度、粘結(jié)劑等因素都會(huì)影響到測(cè)量的準(zhǔn)確度，而且抗干擾能力差，這種方法不適用于高速轉(zhuǎn)軸的扭矩測(cè)量。

　　三、能量轉(zhuǎn)換法

　　能量轉(zhuǎn)換法是指根據(jù)能量守恒定律通過測(cè)量熱能、電能等其它參數(shù)來(lái)間接測(cè)量扭矩，目前銀河電氣推出的TN4000電子式扭矩儀就是該原理測(cè)量電機(jī)扭矩。TN4000電子式扭矩儀利用能量守恒定律通過對(duì)電參數(shù)、溫度、轉(zhuǎn)速等參數(shù)的高精度測(cè)量來(lái)測(cè)量扭矩，TN4000電子式扭矩儀是一個(gè)綜合的儀器，不但可以便捷的測(cè)量扭矩，而且對(duì)電機(jī)的電壓、電流、功率、轉(zhuǎn)速等參數(shù)都能準(zhǔn)確測(cè)量，并且扭矩測(cè)量時(shí)不需要額外的聯(lián)軸器，降低了現(xiàn)場(chǎng)操作難度。