一种动态扭矩校准装置

摘要

本发明涉及一种动态扭矩校准装置，属于计量测试领域。本发明的装置采用电机驱动转轴带动标准转动惯量块的方式产生动态扭矩。标准转动惯量块的转动惯量为已知量，连接标准转动惯量块和扭矩传感器之间轴系的空载转动惯量可以在原位进行精确测量。转动惯量块上的角加速度分布通过两台激光干涉仪配合柱状光栅进行测量。通过转动惯量和角加速度量可以将动态扭矩量溯源到国际单位制(SI)。通过对电机进行控制，可以产生正弦、半正弦或其它所需要的扭矩波形。

权利要求

1.一种动态扭矩校准装置，其特征在于：包括上部结构和下部结构：

所述上部结构由台面光栅(1)、上气浮轴(2)、上轴承座(3)、柱状光栅(4)、上接口(5)和转动惯量标准块(17)组成；转动惯量标准块(17)放置在台面光栅(1)上；上轴承座(3)为倒凸字形结构，中间开有通孔，且内部有空腔；上轴承座(3)的腔壁内设有气道和气孔；上气浮轴(2)为十字结构，上气浮轴(2)放置在上轴承座(3)内部空腔中，当空腔充满气体时上气浮轴(2)与上轴承座(3)不接触；上气浮轴(2)的顶端与台面光栅(1)固定连接；上气浮轴(2)的底端穿过柱状光栅(4)与上接口(5)固定连接；上气浮轴(2)与柱状光栅(4)螺纹连接，但与上轴承座(3)不接触；上接口(5)为中空的圆饼结构，用于固定被校传感器(6)；

所述下部结构由被校传感器(6)，下接口(8)，反馈光栅(9)，下气浮轴(11)，下轴承座(12)，电机转子(13)，电机定子(14)，锁紧螺母(15)组成；下轴承座(12)为凸字形结构，中间开有通孔，且内部开设上下两个内腔；下气浮轴(11)为十字结构，当下轴承座(12)的上内腔充满气体时下气浮轴(11)与下轴承座(12)不接触；下气浮轴(11)置于上内腔中，轴穿过下轴承座(12)中间的通孔，顶端穿过反馈光栅(9)与下接口(8)固定连接；反馈光栅(9)与下气浮轴(11)螺纹连接，但与下轴承座(12)不接触；下接口(8)为中空的圆饼结构，用于固定被校传感器(6)；电机转子(13)位于下轴承座(12)的下内腔，通过锁紧螺母(15)固定在下气浮轴(11)上；电机定子(14)固定在下轴承座(12)的下内腔侧壁上，并与电机转子(13)平行；下轴承座(12)的腔壁内设有气道和气孔；

升降杆(7)穿过上部结构的上轴承座(3)与下部结构的下轴承座(12)固定在底座(16)上；升降杆(7)通过锁紧机构(10)进行固定。

2.如权利要求1所述的一种动态扭矩校准装置，其特征在于：所述装置的校准方法为：

移动调节下轴承座，带动安装其上的电机转子、定子、下气浮轴系、反馈光栅及被校扭矩传感器等向上移动，使被校传感器与上接口连接并锁紧；上接口、柱状光栅和转动惯量标准块安装在上气浮轴上，形成有效载荷惯量；当驱动电机时，电机转子带动下气浮轴、反馈光栅、被校扭矩传感器、上气浮轴及柱状光栅、转动惯量标准块一起运动，通过测量安装在被校扭矩传感器上方运动部件的有效载荷惯量以及运动时的角加速度大小，通过公式(2)计算获得动态扭矩量值；

式中：J0—传感器与标准块之间的连接机构的转动惯量，kgm2；

J1—标准块的转动惯量，kgm2；

J2—传感器的等效转动惯量，kg；

—有效惯量载荷上等效角加速度，rad·s-2。

说明书

一种动态扭矩校准装置

技术领域

[0001] 本发明涉及一种动态扭矩校准装置，属于计量测试领域。

背景技术

[0002] 航空、航天、船舶、装甲车辆、海洋工程，材料科学、反恐机器人等领域大量使用动态扭矩测试系统，然而上述设备无法进行动态校准，处于“静标动用”阶段。由于校准和使用状态的不一致，大大增加了其使用的不确定度。

[0003] 目前针对扭矩的校准研究大多集中在静态扭矩校准研究，动态扭矩的计量测试校准还处于前期研究阶段。动态扭矩的激励源信号类型一般有阶跃激励、正弦激励两种。阶跃扭矩激励一般采用力臂—质量块系统或液压系统施加一个已知的扭矩值，通过突然卸荷的方式产生负阶跃扭矩，该类装置主要进行扭矩传感器的时域特性校准。正弦激励一般由电机或液压伺服系统产生，如德国联邦物理技术研究院采用正弦信号驱动电机的方式产生正弦扭矩，系统采用开环控制的方式，它主要用于对扭矩传感器的频域特性校准。

发明内容

[0004] 本发明的目的是为了解决现有技术无法对动态扭矩进行校准的问题，提供一种动态扭矩校准装置。该装置包括基于分体式力矩电机和气浮轴系的动态扭矩激励源，通过闭环控制可以获得高品质的正弦或其它类型的动态扭矩波形；基于柱状光栅和激光干涉仪的角加速度测量系统。通过转动惯量和角加速度测量将动态扭矩量溯源到国际单位制(SI)，可以建立动态扭矩原级计量标准。

[0005] 本发明是通过下述技术方案实现的。

[0006] 一种动态扭矩校准装置，包括上部结构和下部结构：

[0007] 所述上部结构由台面光栅、上气浮轴、上轴承座、柱状光栅、上接口和惯量标准块组成；惯量标准块放置在台面光栅上；上轴承座为倒凸字形结构，中间开有通孔，且内部有空腔；上轴承座的腔壁内设有气道和气孔；上气浮轴为十字结构，上气浮轴放置在上轴承座内部空腔中，当空腔充满气体时上气浮轴与上轴承座不接触；上气浮轴的顶端与台面光栅固定连接；上气浮轴的底端穿过柱状光栅与上接口固定连接；上气浮轴与柱状光栅螺纹连接，但与上轴承座不接触；上接口为中空的圆饼结构，用于固定被校传感器；

[0008] 所述下部结构由被校传感器，下接口，反馈光栅，下气浮轴，下轴承座，电机转子，电机定子，锁紧螺母组成；下轴承座为凸字形结构，中间开有通孔，且内部开设上下两个内腔；下气浮轴为十字结构，当下轴承座的上内腔充满气体时下气浮轴与下轴承座不接触；下气浮轴置于上内腔中，轴穿过下轴承座中间的通孔，顶端穿过反馈光栅与下接口固定连接；反馈光栅与下气浮轴螺纹连接，但与下轴承座不接触；下接口为中空的圆饼结构，用于固定被校传感器；电机转子位于下轴承座的下内腔，通过锁紧螺母固定在下气浮轴上；电机定子固定在下轴承座的下内腔侧壁上，并与电机转子平行；下轴承座的腔壁内设有气道和气孔；

[0009] 升降杆穿过上部结构的上轴承座与下部结构的下轴承座固定在底座上；升降杆通过锁紧机构进行固定；

[0010] 整体工作过程：移动调节下轴承座，带动安装其上的电机转子、定子、下气浮轴系、反馈光栅及被校扭矩传感器等向上移动，使被校传感器与上接口连接并锁紧。上接口、柱状光栅和转动惯量标准块安装在上气浮轴上，形成有效载荷惯量。当驱动电机时，电机转子带动下气浮轴、反馈光栅、被校扭矩传感器、上气浮轴及柱状光栅、转动惯量标准块一起运动，通过测量安装在被校扭矩传感器上方运动部件的有效载荷惯量以及运动时的角加速度大小，通过公式(2)计算获得动态扭矩量值。

[0011] 通过数字控制系统进行计算，获取最佳的控制参数，对电机进行控制，以产生需要的扭矩波形。动态扭矩波形可以是正弦、半正弦、随机或其它所需要的波形。

[0012] 一种动态扭矩校准方法，具体步骤如下：

[0013] 步骤一、动态扭矩校准装置采用分体式力矩电机驱动转动惯量负载产生扭矩，按照所需要激励的动态扭矩波形产生旋转运动。扭矩传感器感受所产生的扭矩量，输出电信号。

[0014] 步骤二、采用激光干涉仪1与光栅1合作、激光干涉仪2与光栅4合作，激光干涉仪的入射光和衍射光符合光栅方程：

[0015]

[0016] 其中，k是衍射序列(k＝±1),g是光栅常数，λ是激光的波长，α是入射角，β是衍射角。

[0017] 调整入射角使其和一级衍射光角度相同，使得激光干涉仪的入射和反射光重合。激光干涉仪接收反射光，得到光电信号。

[0018] 步骤三、激光干涉仪1和2输出的光电信号由高速数据采集卡同步采集，经处理获得转动的角位移、角速度进而得到角加速度。步骤一输出的电信号经过放大后由数据采集卡1采集。高速数据采集卡和数据采集卡1通过PXI总线控制实现同步采集。

[0019] 步骤四、通过测量安装在被校扭矩传感器上方运动部件的有效载荷转动惯量以及角加速度，计算获得动态扭矩量值M：

[0020]

[0021] 式中：J0—传感器与标准块之间的连接机构的转动惯量，kgm2；

[0022] J1—标准块的转动惯量，kgm2；

[0023] J2—传感器的等效转动惯量，kg；

[0024] —有效惯量载荷上等效角加速度，rad·s-2。

[0025] 所述得到等效角加速度 的方法为：两台激光干涉仪安装在隔振平台上，使激光干涉仪柱状光栅分别位于同一水平面。采用外差式激光干涉仪，调整入射角使其和一级衍射光角度相同，使激光在柱状光栅上的一级衍射光与激光干涉仪的出射光光路重合，衍射光与激光干涉仪的参考光在光电转换器处汇合并产生干涉，经光电转换及信号调理后，由高速数据采集卡采集并处理，获得柱状光栅上激光入射点处的角加速度值。采用两台激光干涉仪可以获得两个点的角加速度值，转动惯量负载不同位置的角加速度存在差异。通过测量及有限元计算获得转动惯量负载在不同工况下各点的角加速度分布规律，将其与测量到两点的角加速度值进行融合，获得转动惯量负载的等效角加速度

[0026] 步骤五、通过比较步骤四所得的动态扭矩量值M及步骤三数据卡采集到的扭矩传感器输出的电信号，获得扭矩传感器的动态特性。

[0027] 有益效果

[0028] 通过转动惯量和角加速度量可以将动态扭矩量溯源到国际单位制(SI)，可以建立动态扭矩原级标准。采用闭环控制的方式产生动态扭矩，可以获得高品质的正弦或其它类型的动态扭矩波形。

附图说明

[0029] 图1本发明动态扭转激励台结构示意图；

[0030] 图2本发明动态扭矩测控系统；

[0031] 图3激光干涉角加速度测量装置；

[0032] 图4动态扭矩控制系统。

[0033] 图5正弦扭矩信号处理流程

[0034] 图6时域微分方法处理冲击扭矩信号流程图

[0035] 图7频域微分法处理冲击扭矩信号流程图

[0036] 其中，1-台面光栅，2-上气浮轴，3—上轴承座，4—柱状光栅，5—上接口，6—被校传感器，7—升降杆，8—下接口，9—反馈光栅，10—锁紧机构，11—下气浮轴，12—下轴承座，13—电机转子，14—电机定子，15—锁紧螺母，16—底座，17—惯量标准块。

具体实施方式

[0037] 下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

[0038] 实施例1

[0039] 本发明的动态扭矩控制系统采用电机驱动标准转动惯量块的方式产生动态扭矩。如附图1所示，采用分体式无刷力矩电机作为扭矩发生器，电机转子带动下气浮轴、反馈光栅、被校扭矩传感器、上气浮轴及柱状光栅、转动惯量标准块一起运动，通过测量安装在被校扭矩传感器上方运动部件的有效载荷惯量以及运动时的角加速度大小，计算获得扭矩量值。为产生高品质的扭矩波形，采用附图3所示闭环控制方式对电机进行控制。

[0040] 标准转动惯量块的转动惯量为已知量，连接标准转动惯量块和扭矩传感器之间轴系的空载转动惯量可以精确测量。电机采用分体式永磁力矩电机作为扭矩发生器，电机本身没有输出轴和轴承，将转子直接安装在运动轴上，将定子安装在静止部分；采用两只气浮轴系抑制非回转运动，气浮轴系在减小摩擦阻力矩的同时，上气浮轴系用于减小被校传感器上部有效惯量载荷的回转误差以及转动惯量块对扭矩传感器的轴向作用力，下气浮轴系则有效减小电机输出轴的窜动和摆动，动态扭矩激励装置的运动部分与静止部分没有机械接触，极大地降低了摩擦阻力矩对动态扭矩测量准确度的影响。

[0041] 被校扭矩传感器6利用上接口5和下接口8进行安装；台面光栅1和柱状光栅4用于角加速度参数测量；上气浮轴2与上轴承座4构成上气浮轴系；升降杆7是精密导轨，用于安装和导引，使上气浮轴、扭矩传感器和下气浮轴同轴；反馈光栅9用于转动控制系统的角运动测量反馈；锁紧螺母10用于缩紧可移动系统；下气浮轴11和下轴承座12构成下气浮轴系；将电机转子13直接安装在运动轴上，将电机定子14安装在静止部分；底座16用于固定、安装和支撑各分系统。

[0042] 移动调节下轴承座，带动安装其上的电机转子、定子、下气浮轴系、反馈光栅及被校扭矩传感器等向上移动，使被校传感器与上接口连接并锁紧。上接口、柱状光栅和转动惯量标准块安装在上气浮轴上，形成有效载荷惯量。当驱动电机时，电机转子带动下气浮轴、反馈光栅、被校扭矩传感器、上气浮轴及柱状光栅、转动惯量标准块一起运动，通过测量安装在被校扭矩传感器上方运动部件的有效载荷惯量以及运动时的角加速度大小，计算获得动态扭矩量值。

[0043] 该装置可以产生正弦扭矩和冲击扭矩，具有干扰力矩小、波形质量好、动态扭矩量值易于溯源等特点，激励源的典型参数如表1所示。

[0044] 表1动态扭矩激励源基本特性

[0045]

[0046] 实施例2

[0047] 动态扭矩校准数据采集和分析采用如附图2所示基于PXI总线计算机的系统。该系统插入1个计算机模块、1个高速数据采集模块、2个数据采集模块、1个任意波发生模块、1个控制模块。计算机模块是系统的核心，用于运行软件和数据存储。任意波发生模块可以将数字信号通过16位D/A转换为模拟信号，用于电机的控制。控制模块用于气源的控制。

[0048] 步骤一、动态扭矩校准装置采用分体式力矩电机驱动转动惯量负载产生扭矩，按照所需要激励的动态扭矩波形产生旋转运动。扭矩传感器感受所产生的扭矩量，输出电信号。

[0049] 步骤二、采用激光干涉仪1与光栅1合作、激光干涉仪2与光栅4合作，激光干涉仪的入射光和衍射光符合光栅方程：

[0050]

[0051] 其中，k是衍射序列(k＝±1),g是光栅常数，λ是激光的波长，α是入射角，β是衍射角。

[0052] 调整入射角使其和一级衍射光角度相同，使得激光干涉仪的入射和反射光重合，激光干涉仪接收反射光，反射光与参考光干涉，通过光电转换，输出电信号。高速数据采集模块用于采集2台激光干涉仪输出的电信号，它有两个同步采集的12位A/D，每个通道的采样频率为100MHz。

[0053] 步骤三、激光干涉仪1和2输出的电信号由高速数据采集卡同步采集，经处理获得转动的角位移、角速度进而得到角加速度。步骤一输出的电信号经过放大后由数据采集卡1采集。高速数据采集卡和数据采集卡1通过PXI总线控制实现同步采集。数据采集模块1和数据采集模块2分别用于采集扭矩传感器的输出信号和光栅读数头的输出信号，它们分别是单通道的24位A/D，每个通道的采样频率为1MHz。数据采集卡2测量光栅读数头输出信号，通过计算获得角位移信号。角位移信号和扭矩传感器的输出信号输入数字控制系统软件，通过计算获取最佳的控制参数，通过任意波发生器输出电信号对电机进行控制，以产生需要的扭矩波形。扭矩波形可以是正弦、半正弦、随机或其它所需要的波形

[0054] 步骤四、通过测量安装在被校扭矩传感器上方运动部件的有效载荷转动惯量以及角加速度，计算获得动态扭矩量值M：

[0055]

[0056] 式中：J0—传感器与标准块之间的连接机构的转动惯量，kgm2；

[0057] J1—标准块的转动惯量，kgm2；

[0058] J2—传感器的等效转动惯量，kg；

[0059] —有效惯量载荷上等效角加速度，rad·s-2。

[0060] 所述得到等效角加速度 的方法为：两台激光干涉仪安装在隔振平台上，使激光干涉仪柱状光栅分别位于同一水平面。采用外差式激光干涉仪，调整入射角使其和一级衍射光角度相同，使激光在柱状光栅上的一级衍射光与激光干涉仪的出射光光路重合，衍射光与激光干涉仪的参考光在光电转换器处汇合并产生干涉，经光电转换及信号调理后，由高速数据采集卡采集并处理，获得柱状光栅上激光入射点处的角加速度值。采用两台激光干涉仪可以获得两个点的角加速度值，转动惯量负载不同位置的角加速度存在差异。通过测量及有限元计算获得转动惯量负载在不同工况下各点的角加速度分布规律，将其与测量到两点的角加速度值进行融合，获得转动惯量负载的等效角加速度

[0061] 步骤五、通过比较步骤四所得的动态扭矩量值M及步骤三数据卡采集到的扭矩传感器输出的电信号，获得扭矩传感器的动态特性。

[0062] 动态扭矩值M(t)由公式(2)计算。式中J0为传感器与标准块之间的连接机构的转动惯量，J1为标准块的转动惯量，上述两个转动惯量值通过测量得到。J2为扭矩传感器的等效转动惯量，它为扭矩传感器测量敏感元件以上的传感器结构的转动惯量，它在动态校准中也产生扭矩作用于敏感元件上。J2通过两次测量进行计算。

[0063] 扭矩传感器的灵敏度S表示为：

[0064]

[0065] 式中：U是扭矩传感器的输出电压；J0和J1为已知的转动惯量值，J2为扭矩传感器的等效转动惯量, 为有效惯量载荷上等效角加速度。

[0066] 传感器的等效转动惯量J2由下述方法获得:

[0067] 首先选定某个已知量值的转动惯量标准块J1a进行校准，获得扭矩传感器的输出电压Ua和角加速度 将转动惯量标准块卸掉，更换成另一量值不同的转动惯量标准块J1b，进行校准，获得扭矩传感器的输出电压Ub和角加速度 公式(3)中，扭矩传感器的灵敏度S在两次校准中不变，则：

[0068]

[0069] 由上式可以求出J2值。

[0070] 正弦扭矩信号处理方法：在校准频率为f时，通过激光干涉测量系统得到的角位移系列s(n)和扭矩传感器的输出随时间变化的系列Ut(n)可以计算出各自正弦波的幅值和相位。如附图5示，首先对两个系列分别进行带通滤波，选择适当的滤波器可以滤除噪声，同时应避免影响信号的幅值和相位。采用相同的滤波参数对干涉仪输出的位移信号和扭矩传感器输出的电压信号进行滤波，以减少滤波器不一致引入的测量误差。计算正弦波的幅值和相位可采用DFT法或正弦拟合法。通过上述处理，获得正弦扭矩的幅值MAmp和相位MPha，扭矩传感器输出电信号的幅值UAmp和相位UPha。扭矩传感器的灵敏度由公式(5)求出，相移由公式(6)求出。

[0071]

[0072] Δθ＝UPha-MPha  (6)

[0073] 其它频点正弦扭矩校准，信号处理方法同上。通过对一系列频点正弦扭矩的校准，获得其在不同频率下的幅值灵敏度和相移。

[0074] 冲击扭矩信号处理方法：由激光干涉仪测量到的是角位移信号，由角位移信号获得角加速度信号需要进行两次微分，而微分过程将引入噪声，降低信号的信噪比。因此，冲击信号的处理关键是采用各种方法抑制噪声。对冲击信号进行微分可以采用时域或频域微分两种方法。附图6为时域微分方法处理冲击角加速度信号流程图；附图7为频域微分法处理冲击角加速度信号流程图。无论采用哪种方法，较理想、光滑的半正弦激励波形是基础，选用适当的低通滤波器是关键。信号的微分过程将使其信噪比大幅下降，在微分前后都需要对信号进行滤波。通过冲击扭矩的时域波形，可以获得其扭矩峰值MPeak；通过扭矩传感器的输出可以获得其电压峰值UPeak，扭矩传感器的幅值灵敏度SPeak为：

[0075]

[0076] 动态扭矩校准装置的典型计量特性如表2所示，采用本发明的方法，校准正弦扭矩的频率范围较宽，测量不确定度较小，其中幅值扩展不确定度优于1％，相移扩展不确定度优于1°；校准冲击扭矩的幅值扩展不确定度优于1％。

[0077] 表2动态扭矩校准装置计量特性

[0078]