在工业中，电磁扭矩传感器已经应用在传统汽车的助力转向、变速器与传动轴之间、船舶及飞机的发动机、试验台和电机等传动系中需要进行扭矩测量和功率计算的场合［62-64］。在进入 21 世纪以来，随着科技进步和材料的发展，此类型的传感器已经突破了传统行业应用的局限，已经开始在机器人、生物医学中崭露头角。

按照我国工业系统中转矩计量专业对转矩量程的大小划分，该标准将其划分为 5 个量程［65］:

1) 超大量程转矩: 50 kN·m ～ 2. 5 MN·m

2) 大量程转矩: 5 ～ 50 kN·m

3) 中量程转矩: 10 N·m ～ 5 kN·m

4) 小量程转矩: 5 mN·m ～ 10 N·m

5) 微小量程转矩: 5 μN·m ～ 5 mN·m

对应上述计量划分标准，本文根据扭矩传感器测量扭矩量程的大小，对电磁式扭矩传感器应用行业的情况进行分类阐述。

图 8 环型球栅扭矩传感器结构

Fig． 8 Ｒing-ball-gird torque sensor structure

3. 1 电磁扭矩传感器测量的扭矩为超大量程时的应用

1) 电机行业的应用

在重型机械设备的台架测试时和重型及大型机械旋转上扭矩的测量时，大多应用电机来给上述设备提供动力，因此电机和旋转轴系其中的一部分扭矩应用划分量程属于超大量程范围。三相异步电动机的效率高低是检验电动机性能的一个重要参数，对其测量的研究一直备受电动机领域的关注。为解决精确测量电动机效率的课题，上海理工大学和上海电器科学研究所有限公司对测量电动机效率核心的设备［66］，转矩 － 转速传感器系统即测功机，进行了深入的研究，其中在电机转矩的测量装置上使用磁电式传感器，通过测得转矩扭转角，就可计算出电机的转矩。使用该种 方 法 不 仅 精 度 可 达 到 ± 0. 2% ，其 测 量 范 围: 0. 2 ～ 100 000 N·m。大大提高了电磁式扭矩传感器的测量量程，使得其横跨了小、中、大、超大，4 个划分量程。2) 机械旋转轴系的应用由于现有的旋转轴系的高精度扭矩测量结构大多都较为复杂，在既实现高转速 － 高扭矩测量，又达到精确实现扭矩时，其测量难度成指数的形式上升。为解决这一测量的短板，重庆交通大学提出了一种基于电磁( 齿栅)式转矩传感器与计数器结合的测量方法，在信号方面使用单片机对其进行处理，从而实现了高精度 － 高扭矩的非接触式测量［67］。

3. 2电磁扭矩传感器测量的扭矩为大量程时的应用

由于大型船舶的主轴输出的扭矩远大于一般的机械系统，因此主轴上的扭矩测量不适合采用接触式的扭矩测量方式，同时其主轴上输出扭矩数值在大量程的划分范围。由于船舶所处的工作环境极其恶劣，高温、空气潮湿、通风差、高盐度的气体侵蚀等都会对主轴的扭矩测量和检测造成很大的影响，而电磁式扭矩传感器本身的测量优点就可以完美的契合上述的工作需求。基于上述原因，欧大生等［68］应用磁电相位差式转矩测量技术对船舶的扭矩及其扭振进行了研究，在研究中，以转速脉冲作控制信号，实现了同时对扭矩和转速信号的检测。这种测量技术的精度高，其精度在2. 13% 以上，且能适应 － 20℃ ～ + 60℃ 的工作环境，非常适合舰艇的扭矩测量。中国船舶重工集团公司和海军舟山保障基地装备部为精确测量船舶主机轴系交变扭矩和扭振，采用电磁感应扭矩传感器设计了船舶主机轴系交变扭矩与扭振测试技术和船舶主机轴系交变扭矩与扭振测试装置，为船舶主机上的扭矩参数的长期监测提供一种全新的方法，同时提供了技术和装置保障［69-70］。杨海飞［71］在总结和改进前人［72-73］的基础上设计了一种非接触式船用驱动轴功率的计算方法，利用磁阻传感器和相位差法相结合的电磁扭矩测量系统，不仅可以监测扭矩，还可以监测船用柴油机轴功率，其中着重处理了外部干扰。提出使用虚拟仪器技术的软件功能代替常用的硬件，减少外部硬件电路的引入，从而提高整个系统对外界电磁场的抗干扰能力。

3. 3电磁扭矩传感器测量的扭矩为中量程时的应用

1) 汽车行业的应用

无论是家用日常代步车、物流货运车、还是重型挂车它们发动机的输出扭矩，大都在几十牛米到几百牛米之间，虽然有些特种车辆的发动机扭矩可超过 1 000 N·m，但还是未超过中量程的上限，因此本文将汽车发动机应用的扭矩划分在中量程范围。在汽车工业中，电磁式扭矩传感器占有极为重要的地位，因为它可测得旋转驱动机构所需物理量功率的基本参数。由于电磁式扭矩传感器结构简单，利于集成化等优势，也可用于对发动机相关的动态扭矩( 离合器扭矩) 及传动轴等旋转轴系上的扭矩测量［74］。针对汽车变速箱传动轴后端的扭矩测量，需要将应变式在线传感器插入在传动轴和变速箱之间进行测量，该测量方法有着滑环部件需要频繁维护更换的缺点。Lee 等［75］通过将磁传感 器 带 ( magnetic sensor band，MSB) 应用到永磁体上来消除在使用设备期间进行校准，再和霍尔传感器结合的扭矩测量方法，实现了无需物理修正即可测量施加在齿轮箱旋转轴上的扭矩，同时克服了原有的应变式传感器无法在 50°C 以上的温度准确测量扭矩的问题。同年，Lee 等［76］在该基础上将 MSB 替换为 4 对永久钕磁铁，再与一对霍尔传感器组成扭矩测量系统，在扩大测量扭矩时的转速范围和降低了成本的同时，还可实现对变速机构的转速测量。

2) 小型船舶及潜水器的应用

由于小型船舶的吨位较小，潜水器质量更轻，其发动机主轴及潜水器的推进器所需输出的扭矩不是很大，因此将它们归类在中量程扭矩的范围。Borges 等［77］提出了一种利用钕磁铁和霍尔效应相互结合的旋转轴扭矩测量方法。由于旋转轴负载扭矩的存在，导致两个磁体相对运动引起的形变使得磁场强度发生改变。通过测量该磁场的强度的变化，确定轴的径向变形，最终测得扭矩。该方法最大的贡献是找到了一种可以应用在水下环境中，进行扭矩测量的方式，适用于如小型船舶或者潜水器所应用的潜水式扭矩传感器。同时该测量方法还适合那些空间有限、高速旋转和高磨损性场合的扭矩测量。

3) 航空行业的应用

直升飞机和小型飞机的发动机输出扭矩均在几百牛米的量级上［78］，因此将该部分的航空发动机应用的扭矩划分在中量程范围。为提高直升机在空中时，发动机的运行可靠性并监测扭矩输出、超转等参数，同时预警发动机故障，避免使直发动机运行在极限工况和出现发动机空中停车的危险。黑龙江省科学院高技术研究院孙凯明等［79］，利用磁阻效应设计了电磁式直升机发动机扭矩测量系统，它通过磁阻传感器来检测传动轴上带有磁钢的磁带所形成的两截面信号间的相位差，测得发动机扭矩，并通过信号处理电路及上位机软件，实现了整个扭矩系统的测量，并以此为依据可以为飞行员制定应急预案。为解决长期测量旋转轴扭矩时的机械疲劳，Zhang等［80］提出了一种通过检测磁感应强度来实现非接触式转矩测量的新方法。通过励磁线圈、旋转轴和高斯计搭建了实验平台。使用该实验台测量出扭矩和磁感应强度之间的线性关系。实验表明测量结果与理论模型是一致的，该方法可实现对扭矩的长期测量，同时实验初步证明了该扭矩测量方式是可以应用到飞机上。

4) 电机行业的应用

由于人们日常生活中，所需电机输出的扭矩大小，刚好在中量程转矩的范围内，因此该量程下的电机扭矩测量的研究深受广大电机转矩测量领域专家和学者的推崇。在基于传递法的电机转矩测量分析中，明确指出了基于相位差式的电磁转矩测量技术在电机转矩测量中的应用方式，以其在结构简单、测量精度高、本身的非接触特性、能适应恶劣的工作环境上的优势，尤其是在没有磁场或磁场比较弱的工作环境中时，电磁式扭矩传感器往往是最佳选择［81］。

5) 机械旋转轴系的应用

大多数工业械旋转轴系的应用中，在转轴系上所施加的扭矩刚好在中量程转矩 10 N·m ～ 5 kN·m 的范围内，因此广大旋转轴系的研究成果大都集中在此。为解决传感器在测量机械旋转轴系的动态扭矩时，遇到的使用和安装不当所导致测量精度不高的问题，赵向飞等［62］介绍了包括电磁式扭矩传感器在内安装方式和联轴器的选型等进行了讨论，为测量动态扭矩所需传感器的选型提供了参考。

3. 4电磁扭矩传感器测量的扭矩为小量程时的应用

1) 汽车行业的应用

电动助力转向( electric power steering，EPS) 作为现代汽车的一个标配，已经成为一种普遍的需求功能，因此支撑该系统的扭矩传感器就显得尤为重要［82］。由于一般的 EPS 所产生的助力扭矩为正向和反向: 0 ～ 10 N·m，因此 EPS 的电磁扭矩的助力范围刚好符合小量程扭矩的划分。Mohankumar 等［83］和吕露等［84］都对电磁感应在汽车扭矩传感器中的应用进行了总体的阐述，俩人均指出电磁扭矩传感器是汽车转向等轴类的重要应用路径。Angleviel 等［85］ 设 计 了 一 款 EPS 用 基 于 Moving Magnet Technologies 公司技术的扭矩传感器，该传感器的独特之处在于利用电子元件的霍尔效应产生足够的磁通变化测量由扭杆连接的两个旋转轴之间的移动角，可测量的扭矩范围是从 ± 1° ～ ± 8°的角度所对应的扭矩。Brandl 等［86］设计了一款用于电动助力转向的非接触式扭矩传感器。工作原理为通过将扭杆上的扭矩参数转换为传感器套管中间部分的平移运动，再通过测量电磁感应装置中的输出电压随磁阻比的变化实现非接触的测量。该传感器具有可靠性高、成本低和鲁棒性强，能够自动补偿各种相对定位误差的优势。Yoo 等［87］应用海拉式电磁扭矩的实现方式，设计了一款基于电磁感应测量原理的扭矩和角度一体化传感器。郭艳玲等［88］基于立式电磁扭矩传感器的设计，推导了应用在 EPS 时，传感器的磁场计算公式，并对输出电压数学模型进行了建立和优化，最终实现了气隙磁场强度沿圆周方向呈类似方波分布，输出电压信号类似于正弦曲线，该成果对传感器的结构尺寸设计及输出电压的优化提供了理论依据。

2) 医疗器械行业的应用

该行业主要是为相关患者提供一些人造器官，来代替或者辅助患者的器官，实现原器官正常工作所提供的相关功能。因此所适用的电磁扭矩传感器的扭矩数值不会太大，刚好在小量程转矩的划分范围内。Shen 等［89］为了解决人工心脏的电动机体积大，在轴承和轴上会出现血块，密封性不足缺点，设计了新型带电磁轴承的紧凑型永磁同步电动机。创新地设计了一种的轴向磁场开槽结构，具有集中绕组。推导了定子和转子间的电磁转矩，通过对定子电流的幅值和相角来控制输出转矩，达到精确控制电机的功率，从而实现人工心脏的跳动。为了摆脱传统的人工心脏需要通过皮肤通道传递能量，且存在能量转换部件在人体内放热的致命缺点和植入物重量和体积过大的缺陷，中科院和清华大学将永磁体放置于人体外，作为血泵的非接触式驱动源［90］。将永磁体与被动磁轴的间距设置为 120 mm，此时血泵的驱动装置能够传递足够的电磁扭矩，实现了利用产生的电磁扭矩传递给血泵作为人工心脏的动力来源。该装置只需将含有被动磁铁的血泵植入体内，避免了将人工心脏的整体植入人体之内，减少了植入伤口、人工心脏与血液接触面，显著提高了其结构的可靠性，且能够避免切除天然心脏。

3. 5电磁扭矩传感器测量的扭矩为微小量程时的应用

1) 医疗器械行业的应用

上一小节中提到，医疗器械行业中多数设备所应用的扭矩范围在小量程范围内，但也有例外，例如电磁植入式听力设备，由于人的耳蜗所能承受冲击极小，因此与它相关的人工设备，所应用的扭矩也小，所以医疗器械行业也是一个横跨 2 个划分量程的行业。为了评估植有电磁植入式听力装置的患者在做核磁共振检查时，该项检查是否会对患者耳道的听力装置有影响以及患者耳道的安全性进行了探究。该评估的一项重要的评价标准是在 0. 3 特斯拉开放式头颈部磁共振成像下，产生的电磁扭矩最大值和在听力装置上扭矩平均值是否会使得听力受损。通过 11 名患者的临床试验数据，SOUNDTEC 公司开发出了 SOUNDTEC 直接系统，找到了以患者头部侧位的方式来控制听力装置在磁共振成像下产生的扭矩，实现最大限度地减少扭矩，最大限度地提高患者安全性［91］。

2) 机器人行业的应用

扭矩传感器作为机器人整个闭环反馈控制系统中的末端执行器，其作用尤为重要，因此扭矩传感器越来越多地应用于在机器人学当中［92-93］。由于现代社会，多数研究的机器人都是高精尖设备，使得这些设备大都被应用在了人们无法亲自涉足的领域，例如微小管道的检查等，因此本文将该行业应用的扭矩归纳在微小量程范围内。Honda 等［94］为解决普通机械无法进入微小管道对其进行检查、维护和处理的难题，设计了一款微型游泳机构，用于在水中作业的微型机器人。该装置由附着在螺旋线上的小磁体组成，通过外部交变磁场使磁体由于电磁扭矩而旋转，进而实现了微型机器人在水中的螺旋式游动，达到检查管道的目的。传统的微型机器人由于需要附着昂贵且易受环境因素干扰传感器来测量力/力矩，这使得微型机器人体积过大，无法完成高精度的微操作。为实现在微域中的超高精度的微操作，滑铁卢大学 Mehrtash 等［95］研究了一种新的磁力触觉微操 作平台 ( magnetic-hapticmicromanipulation platform，MHMP) 中的微域力/力矩估计方法( micro-domain) 。MHMP 由一个微型磁悬浮从属机器人和一个宏观触觉机器人组成，操作员能够通过操纵宏观主触觉机器人来控制微型从属机器人［96］。其中从属机器人利用霍尔效应来测量磁通，再与此时微机器人的位置信息同过拟合方程来计算环境的作用力/力矩［97-98］，从而消除了对微机器人上传感器的需求。

3) 生物医学行业的应用

在医学应用中的扭矩通常是通过触摸获得的，而它属于触觉传感的重要属性，因此将扭矩定义为触觉参数的一种［99］。作为医学应用的触觉式扭矩基本都为微观范围内的扭矩或为较小扭矩，因此该行业应用的扭矩属于微小量程的范围。磁电感应式扭矩作为触觉传感器的一种，它不仅可以应用在机器人领域中，同时还可以在生物医学中发挥重要作用，如作为微创手术 ( minimally invasive surgery，MIS) 的工具，还可应用在生物检测和康复医学上［100-101］。微型机器人给 MIS 带来了革命性的变化，例如在循环系统，泌尿系统和中枢神经系统的靶向药物输送和原位活检取样中发挥了巨大的作用［102］。受细菌鞭毛的启发，Nelson 等［103］设计出螺旋式机器人，螺旋式机器人的螺旋运动就像木螺钉或开瓶器那样在组织中移动，机器人通过电磁感应出来的能量转化为螺旋运动，利用电磁转矩完美地抵消了流体阻力，最终实现了在充满液体的环境中工作。为提高手持式分子诊断设备，如对蛋白质和 DNA 的检测效率，并降低使用成本。明尼苏达大学指出合适的磁性纳米粒子( magnetic nanoparticles，MNPs) 对巨磁电阻( GMＲ) 生物传感技术的检测信号的影响是至关重要的［104］。该研究设计了一种基于 GMＲ 传感器的检测系统，实验发现，不同的 MNPs 明显影响最终检测信号，取决于它们的电磁转矩，大小和基于表面的结合能力的特征。该项工作可为选择或制备 MNPs 以增强 GMＲ 生物传感器的灵敏度提供的理论依据，并最终指导便携式分子诊断设备的研发。Wu 等［105］为解决癌症生物标志物的检测速度慢、成本高和检测方式复杂的问题，提出了一种基于磁电式扭矩传感器的非接触生物标志物检测新方法。该系统的原理是使用电磁转矩传感器测量的被激活的磁性粒子标记物，对标记物蛋白质的敏感性进行非接触检测。该仪器实现了可大规模生产，手持式多次反复测量的快速医疗诊断目的。

4) 电机行业的应用

Guo 等［106］指出在测量微牛·米级时，应用电磁式扭矩传感器的必要性。由于温度、抖动、摩擦力、空气流动相关等因素的存在，若采用接触式的扭矩测量方案，在微小扭矩的作用下，转动轴将无法转动，扭矩传感器将失效。为了克服上述因素引起的测量误差，提高测量精度，提出了一种非接触式测量方法来测量微电机的输出扭矩，该方法的微扭矩精度约为 0. 01 μN·m。