扭矩傳感器是測量旋轉(zhuǎn)軸所受扭力的關鍵器件，其核心任務是將難以直接捕捉的機械旋轉(zhuǎn)力，精準轉(zhuǎn)換為可讀、可用的電信號。理解其工作原理，需深入剖析從物理形變到電學響應的全過程。

扭矩測量的物理基礎

當旋轉(zhuǎn)軸受到扭矩作用時，軸體會發(fā)生微小的扭轉(zhuǎn)變形。這種變形遵循材料力學的基本規(guī)律：在彈性范圍內(nèi)，扭轉(zhuǎn)角度與施加的扭矩成正比。
這種微小的角度變化或軸體表面的應力應變分布變化，正是扭矩測量的物理依據(jù)。傳感器需要靈敏地捕捉這種細微變化。

關鍵點提示:
* 扭矩作用于軸體，產(chǎn)生彈性扭轉(zhuǎn)變形。
* 變形量與扭矩大小呈線性關系（在材料彈性極限內(nèi)）。
* 傳感器需檢測軸體表面的應變變化。

核心轉(zhuǎn)換元件：應變片與惠斯通電橋

將微小的機械應變轉(zhuǎn)換為電信號，最常用且成熟的技術是金屬電阻應變片及其構(gòu)成的惠斯通電橋電路。
* 應變片工作原理：應變片是一種特殊結(jié)構(gòu)的電阻柵，牢固粘貼在傳感器彈性軸或測量體的表面。當軸體因扭矩作用發(fā)生應變時，應變片隨之被拉伸或壓縮。
* 電阻變化：應變片柵絲的幾何尺寸（長度和截面積）變化導致其電阻值發(fā)生改變。拉伸時電阻增大，壓縮時電阻減小。這種變化量（ΔR/R）與應變（ε）成正比，比例系數(shù)稱為靈敏系數(shù)（K）。
* 惠斯通電橋放大信號：通常將四個特性相同的應變片（兩片感受拉伸應變，兩片感受壓縮應變）以特定方向粘貼在軸上，并連接成惠斯通全橋電路。扭矩作用時，成對的應變片電阻變化方向相反。
* 電壓輸出：當向電橋施加穩(wěn)定的激勵電壓（Vex） 時，橋臂電阻的差異變化會在輸出端產(chǎn)生一個與扭矩大小成比例的差分電壓信號（Vout）。電橋結(jié)構(gòu)有效放大了微弱的電阻變化信號，并抑制了溫度等共模干擾。(來源：應變測量技術原理, 通用)

應變片布置的關鍵

• 通常沿與軸線成45°方向粘貼，此方向承受最大主應力。
• 全橋布置能實現(xiàn)溫度自補償，提高測量精度和穩(wěn)定性。

信號處理與輸出

惠斯通電橋輸出的原始差分電壓信號（毫伏級）非常微弱且易受干擾，需要經(jīng)過一系列處理才能成為標準可用的信號。
* 信號放大：使用高精度、低噪聲的儀表放大器對mV級信號進行初級放大。
* 濾波：濾波電路用于濾除高頻噪聲（如電磁干擾）和電源紋波，保證信號純凈。
* 線性化與補償：對放大后的信號進行線性化處理，并進行溫度補償，以修正環(huán)境溫度變化帶來的誤差。
* 標準化輸出：最終處理后的信號被轉(zhuǎn)換成工業(yè)標準信號，如模擬電壓（0-5V, 0-10V）、模擬電流（4-20mA） 或數(shù)字信號（RS232, RS485, CAN, Ethernet） 等，便于后續(xù)的顯示、記錄或控制。

信號處理流程:
1. 原始mV信號 → 2. 放大 → 3. 濾波 → 4. 線性化/補償 → 5. 標準化輸出（電壓/電流/數(shù)字）

總結(jié)

扭矩傳感器的核心工作原理基于材料受力變形產(chǎn)生的應變。通過高靈敏度的金屬電阻應變片感知這種應變，并將其轉(zhuǎn)換為電阻變化。利用惠斯通全橋電路巧妙設計，將電阻變化放大為差分電壓信號。最終，經(jīng)過精密的信號調(diào)理電路（放大、濾波、補償、轉(zhuǎn)換），將代表扭矩大小的微弱電信號處理成穩(wěn)定、可靠、標準化的輸出信號，實現(xiàn)了從旋轉(zhuǎn)力到電信號的精確轉(zhuǎn)換。這種轉(zhuǎn)換過程是工業(yè)自動化、測試測量領域精準控制與監(jiān)測的關鍵基礎。