扭矩传感器是测量旋转轴所受扭力的关键器件，其核心任务是将难以直接捕捉的机械旋转力，精准转换为可读、可用的电信号。理解其工作原理，需深入剖析从物理形变到电学响应的全过程。
扭矩测量的物理基础
当旋转轴受到扭矩作用时，轴体会发生微小的扭转变形。这种变形遵循材料力学的基本规律：在弹性范围内，扭转角度与施加的扭矩成正比。
这种微小的角度变化或轴体表面的应力应变分布变化，正是扭矩测量的物理依据。传感器需要灵敏地捕捉这种细微变化。
关键点提示:
* 扭矩作用于轴体，产生弹性扭转变形。
* 变形量与扭矩大小呈线性关系（在材料弹性极限内）。
* 传感器需检测轴体表面的应变变化。
核心转换元件：应变片与惠斯通电桥
将微小的机械应变转换为电信号，最常用且成熟的技术是金属电阻应变片及其构成的惠斯通电桥电路。
* 应变片工作原理：应变片是一种特殊结构的电阻栅，牢固粘贴在传感器弹性轴或测量体的表面。当轴体因扭矩作用发生应变时，应变片随之被拉伸或压缩。
* 电阻变化：应变片栅丝的几何尺寸（长度和截面积）变化导致其电阻值发生改变。拉伸时电阻增大，压缩时电阻减小。这种变化量（ΔR/R）与应变（ε）成正比，比例系数称为灵敏系数（K）。
* 惠斯通电桥放大信号：通常将四个特性相同的应变片（两片感受拉伸应变，两片感受压缩应变）以特定方向粘贴在轴上，并连接成惠斯通全桥电路。扭矩作用时，成对的应变片电阻变化方向相反。
* 电压输出：当向电桥施加稳定的激励电压（Vex） 时，桥臂电阻的差异变化会在输出端产生一个与扭矩大小成比例的差分电压信号（Vout）。电桥结构有效放大了微弱的电阻变化信号，并抑制了温度等共模干扰。(来源：应变测量技术原理, 通用)
应变片布置的关键
- 通常沿与轴线成45°方向粘贴，此方向承受最大主应力。
- 全桥布置能实现温度自补偿，提高测量精度和稳定性。
信号处理与输出
惠斯通电桥输出的原始差分电压信号（毫伏级）非常微弱且易受干扰，需要经过一系列处理才能成为标准可用的信号。
* 信号放大：使用高精度、低噪声的仪表放大器对mV级信号进行初级放大。
* 滤波：滤波电路用于滤除高频噪声（如电磁干扰）和电源纹波，保证信号纯净。
* 线性化与补偿：对放大后的信号进行线性化处理，并进行温度补偿，以修正环境温度变化带来的误差。
* 标准化输出：最终处理后的信号被转换成工业标准信号，如模拟电压（0-5V, 0-10V）、模拟电流（4-20mA） 或数字信号（RS232, RS485, CAN, Ethernet） 等，便于后续的显示、记录或控制。
信号处理流程:
1. 原始mV信号 → 2. 放大 → 3. 滤波 → 4. 线性化/补偿 → 5. 标准化输出（电压/电流/数字）
总结
扭矩传感器的核心工作原理基于材料受力变形产生的应变。通过高灵敏度的金属电阻应变片感知这种应变，并将其转换为电阻变化。利用惠斯通全桥电路巧妙设计，将电阻变化放大为差分电压信号。最终，经过精密的信号调理电路（放大、滤波、补偿、转换），将代表扭矩大小的微弱电信号处理成稳定、可靠、标准化的输出信号，实现了从旋转力到电信号的精确转换。这种转换过程是工业自动化、测试测量领域精准控制与监测的关键基础。
