电动助力转向系统转矩传感器文档格式.docx
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而光电式传感器是利用光电器件把光信号转换成电信号的装置，具有结构简单、响应速度快、可靠性较高，能实现参数的非接触测量，广泛应用于各种工业自动化仪表中，因此20世纪80年代以来，世界各国相继将传感器技术列为重点发展的技术领域。
近几年来，我国传感技术正在蓬勃发展，应用领域也在迅速扩大。
由于传感技术所涉及的技术如此广泛，它几乎渗透到各个科学领域，因此对传感器新理论的探索、新技术的应用、新材料和新工艺的研究将成为传感器总的发展方向。
具体地讲，主要有以下儿个方面的动向。
（1）向高精度发展：
随着自动化生产程度的不断提高，对传感器的要求也在不断提高，必须研制出具有灵敏度高、精确度高、响应速度快、互换性好的新型传感器，以确保自动化生产检测和控制的准确性。
目前能生产万分之一以上的传感器的厂家为数很少，其产量也远远不能满足要求。
（2）向高可靠性、宽温度范围发展：
确保传感器工作可靠性的意义是很直观的，因为它直接关系到电子设备的抗干扰和误动作问题。
传感器的可靠性主要体现在：
具有较长的使用寿命，能在恶劣环境下工作及具有失效保险功能。
研制高可靠性、宽温度范围的传感器将是永久性的方向。
提高温度范围历来是大课题，大部分传感器其工作范围都在-20c〜70C,在军用系统中要求工作温度在-40C〜85c范围，而汽车锅炉等场合要求传感器的温度要求更高，因此发展新兴材料（如陶瓷）的传感器将很有前途。
（3）提高传感器集成化及功能化的程度
传感器集成化是实现传感器小型化、智能化和多功能的重要保证。
现在已能将敏感元件、温度补偿电路、信号放大电路、电压调制电路和基准电压等元件电路集成在同一芯片上。
根据需要，今后将会把超大规模集成电路、执行机构与多种传感器集成在单个芯片上，以实现传感器功能与信息处理功能的一体化。
（4）向微型化发展：
各种控制仪器设备的功能越来越大，要求各个部件体积能占位置越小越好，因而传感器本身体积也是越小越好，这就要求发展新的材料及加工技术，目前利用硅材料制作的传感器体积已经很小。
利用激光等各种微细加工技术制成的硅加速度传感器体积非常小、互换性可靠性都较好。
微机电系统（乂称MEMS）技术借助集成电路的制造技术来制造机械装置，可制造出微型齿轮、微型电机、泵、阀门、各种光学镜片及各种悬臂梁等，而它们的尺寸仅有30—100电。
微机电系统技术与微电子技术的结合,为实现信号检测、信号处理、控制及执行机构集于一体的微型集成传感器提供了可能性。
（5）新型功能材料的开发
传感器技术的发展是与新材料的研究开发密切结合在一起的，可以说，各种新型传感器孕育在新材料之中。
例如，半导体材料和新工艺的进展，促进了半导体传感器的迅速发展；
压电半导体材料促进了压电集成传感器的形成;
高分子压电薄膜的出现,将使机器人的触觉系统更加接近人的皮肤功能。
可以预料，不久的将来，高分子材料、金属互化物、超导体与半导体的结合材料、非晶半导体、超微粒陶瓷、记忆合金、功能性薄膜等新型材料，将会导致一批新型传感器的出现。
（6）向微功耗及无源化发展：
传感器一般都是非电量向电量的转化，工作时离不开电源，在野外现场或远离电网的地方，往往是用电池供电或用太阳能等供电，开发微功耗的传感器及无源传感器是必然的发展方向，这样既可以节省能源乂可以提高系统寿命。
目前，低功耗损的芯片发展很快，如T12702运算放大器，静态功耗只有1.5A,而工作电压只需2〜5V。
（7）向智能化数字化发展：
随着现代化的发展，传感器的功能已突破传统的功能，其输出不再是一个单一的模拟信号（如0〜10mV）,而是经过微电脑处理好后的数字信号，有的甚至带有控制功能，这就是所说的数字传感器。
1.2转矩传感器的发展概况
转矩传感器是测量各种电动机、内燃机以及旋转动力设备的输出扭矩及功率的必备设备，从上世纪三四十年代发展至今已有数十种产品，从最初的光学机械变形类发展到电磁感应类、相位差类，到现在应用最广泛的应变测量类。
随着低功耗微电子技术的发展，各类转矩传感器被赋予了新的生命，其性能也越来越好，可测的精度与转速也越来越高。
从传感器的分类来说，以往所有的转矩传感器都属于结构型传感器，由于都要利用弹性元件的机械变形，因此转矩传感器具有体积大、耗材多等缺点。
但由于工艺成熟、牢固可靠、价格低廉，与微电子技术和计算机技术结合后易实现数字化、自动化，所以仍有十分广阔的应用前景。
1、转矩测量的分类
转矩的测量，按它的原理可分为：
传递法（扭轴法），平衡力法（反力法）及能量转换法三类。
（1）传递法（扭轴法）
是根据弹性元件在传递转矩时由于弹性元件的变形、应力或应变而引起机械、液压、气动、电阻、电容、电感、光学、光电、振弦等物理参数的变化而形成的转矩传感器，目前此类传感器占转矩测量的绝大部分。
（2）平衡力法（反力法）
对于任何一种匀速工作动力机械或制动机械，当它的主轴受转矩作用时，在它的机壳上必定同时作用着一个方向相反的平衡力矩（或称为支座反力矩），测量支座上的反力矩就可以确定机器主轴上作用转矩的大小与方向。
此种测量方法就是平衡力法。
也称反力法。
常用这种方法的有电力测功机、水力测功机和空气、磁粉等测功机类。
（3）能量转换法
根据能量转换守恒定律的关系来测量转矩的一种方法，它是一种间接测量方法。
一般来说误差较大，约10bl5，故很少采用，只有在直接测量无法进行的时候才考虑此法。
2、传递类转矩传感器分类
目前在转矩测量中，传递类转矩传感器应用十分广泛。
该类传感器按转矩信号的产生方式可分为光学式、光电式、磁电式、应变式、电容式、钢弦式及机械式。
同时还可根据信号传输的方法不同而分为接触型和非接触型两种。
一般每分钟儿仃转以下的低转速场合采用接触式。
每分钟儿仃转至一万转甚至更高的转速场合采用非接触式。
从转矩传感器的发展历程来看，电阻应变式转矩传感器由于具有测量精度高，结构简单，造价低廉，方便与计算机相联等一系列优点，无疑代表转矩传感器的最新发展方向。
下面着重讨论电阻应变式的转矩传感器及其相关电路。
（1）电阻应变式转矩传感器
电阻应变式转矩传感器历经了几十年的发展历程，其主要理论和生产技术已日趋成熟，尤其是与微电子技术结合后，使原有的诸如非线性补偿、温度补偿、滞后补偿、蠕变补偿都变得非常简单。
扭轴的应变可以引起贴在轴表面的电阻应变片的电阻变化，组成电桥即可形成应变式转矩传感器。
（2）接触式转矩传感器
接触式转矩传感器特点是：
①非常适合测量静止扭矩，也可以测量低速转动扭矩；
②体积小、重量轻、易于安装；
③无需复杂电路；
④存在导电滑环的磨损，寿命有限，不适合高转速场合。
（3）无接触式转矩传感器
无接触式转矩传感器的特点：
①无接触，使用寿命不限；
②转换精度高，A/D转换内码可达10万以上；
③由于采用微电子技术，测量可靠性大大提高；
④测量与旋转无关；
⑤体积小，重量轻，易于安装；
⑥由于内藏CPU电路，可以实现各种补偿，使其精度大大提高，最高可达（0.03-0.1）%F.So
此种传感器与以往的其它类型的传感器相比较而言，由于真正实现了数字的无线发射与接收，因此它可以直接与带有232或485的数字仪表或计算机相联，可以实现联网测量与控制，是属于一种智能型数字转矩传感器。
2电动助力转向系统转矩传感器的设计
转矩传感器是电动助力转向系统的关键部件，只有准确可靠地检测作用方向盘上操舵力矩，才能实现电机的助力控制。
论文以夏利汽车为研究对象，根据夏利汽车机械转向系统的结构和前轴载荷进行转矩传感器的设计。
2.1转矩传感器机械结构的设计
2.1.1机械结构的方案设计
受英国Lucas公司所研制的光电式转矩传感器的启发，在查阅相关资料的基础上，考虑到转矩传感器在夏利汽车上的实际安装位置和安装空间，决定采用图2-1所示的结构方案。
扭杆1嵌入转向轴上承受驾驶员的转向操舵力矩，套筒2和5通过销钉固定在扭杆的两端，由套筒2和5,铳有扇形槽的码盘3和4,光源7及光电元件6等部件组成信号变换器。
当无转向操作时:
扭杆不承受转矩，码盘3和4上的透
图2-1光电式转矩传感器结构
光槽正好错开，光电元件基本接收不到光源的光照，输出微弱电流（主要受微弱透光及光电元件暗电流影响）；
当有转向操作时.，扭杆承受转矩，两个码盘错开一定的角度，产生一定的透光面积，光电元件输出电流增加。
透光面积随扭杆转矩的增加而增加，光电元件的输出电流也随扭杆转矩的增大而增大，通过光电转换电路的合理设计就可以使光电元件的输出电流值与扭杆转矩值成比例，从而准确地检测作用在方向盘上的操舵力矩。
2.1.2转矩传感器材料的选择
1、扭杆材料的选择
扭杆属于弹性敏感元件，是传感器中的关键零件，它的选取是否适当直接影响整个转矩传感器的外形尺寸和线性度、精度、灵敏度等性能指标，因此扭杆材料的选取尤为重要。
弹性敏感元件的材料要求保证有良好的弹性特征、足够的精度、良好的稳定性和耐腐蚀以及良好的机械加工性能。
常用的有金属和非金属两大类材料。
常见金属敏感元件性能见表2—1。
表2—1常用金属弹性敏感元件性能
名称
代号
弹性模量
抗拉强度/107Pa
密度/kg.m-
3
说明
E/1010Pa
G/1010Pa
铭钢
40Cr
21.8
100
7810
普通精度弹性元件
合金结构钢
30CrMnSiA
21.0
165
重要高精度元件
一格弹簧钢
50CrVA
21.2
8.3
130
适于交变载荷的弹性元件
格镒弹簧钢
50CrMnA
20.0
适于疲劳强度好的弹性元件
不锈钢
lCrl8Nig
8.0
55
7850
适于高强度耐腐蚀弹性元件
被青钢
QBe2
13.1
125
8230
适于高强度、耐腐蚀的弹性敏感元件
常用的非金属材料有（内耗小、滞后小，线胀系数为1/30,品质因数可达6—10；
所以
GIn
（2—4）
（2—5）
K二
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