高低温环境扭矩传感器校准方法及装置

摘要

本发明公开了一种高低温环境扭矩传感器校准方法及装置。本发明中的装置包括上位机模块、驱动模块、扭力限制模块、高低温环境控制模块、标准扭矩测量模块、负载模块、传动连接模块、实验台及支撑架模块。在校准过程中，利用激光对中仪测出待检扭矩传感器与传动轴初始位置的同轴度，通过仿真研究得到的同轴度与温度之间的函数多项式，从而预测得到±100℃范围内任意温度下同轴度，从而计算出因同轴度变化对扭矩测量的影响，并对最终测量误进行修正。本发明能够对高低温环境下的扭矩传感器进行校准，将高低温环境扭矩传感器的测量结果溯源至国家扭矩基准。

权利要求

1.高低温环境扭矩传感器校准装置，其特征在于：包括上位机模块、驱动模块、扭矩限制模块、高低温环境控制模块、标准扭矩测量模块、负载模块、传动连接模块、实验台及支撑架模块，上位机模块分别与驱动模块、扭矩限制模块、标准扭矩测量模块、负载模块电性连接，驱动模块与传动连接模块之间通过扭矩限制模块连接，驱动模块、扭矩限制模块、高低温环境控制模块、标准扭矩测量模块、负载模块、传动连接模块均被支撑在实验台及支撑架模块上；

所述的上位机模块用于对高低温环境扭矩传感器校准装置的精确控制、扭矩测量值显示以及数据记录处理；

所述的驱动模块由伺服电机和减速机构成，伺服电机与减速机连接，所述的伺服电机为高低温环境扭矩传感器校准装置提供驱动源，所述的减速机将输出的扭矩进行放大，以达到高低温环境扭矩传感器校准装置的量程；

所述的传动连接模块由联轴器和传动轴组成，传动轴设在联轴器上；

所述的扭矩限制模块由扭矩限制器和限位开关组成，限位开关设在扭矩限制器上；当伺服电机输出扭矩超过扭矩限制器的负载时，所述的扭矩限制器将伺服电机和传动轴断开连接，同时所述的限位开关产生一个高电位信号反馈到上位机模块使上位机模块控制伺服电机停止加载；

所述的高低温环境控制模块内设有待检扭矩传感器，待检扭矩传感器与传动轴之间通过联轴器连接；所述的高低温环境控制模块为高低温环境实验箱可在待检扭矩传感器的地面试验中提供模拟的高低温测试环境并对待检扭矩传感器进行温度控制；

所述的标准扭矩测量模块连接在传动连接模块上，标准扭矩测量模块与传动轴之间通过联轴器连接；所述的标准扭矩测量模块采用标准扭矩传感器，用于对高低温环境扭矩传感器校准装置进行扭矩测量；

所述的负载模块连接在传动轴上，所述的负载模块为高低温环境扭矩传感器校准装置提供负载。

2.根据权利要求1所述的高低温环境扭矩传感器校准装置，其特征在于：所述的高低温环境控制模块由高低温环境实验箱、气密轴承和热防护罩组成，高低温环境实验箱可在待检扭矩传感器的地面试验中提供模拟的高低温测试环境；高低温环境实验箱安装在实验台及支撑架模块上，所述的气密轴承安装在传动轴穿入和穿出高低温环境实验箱的箱壁上，所述热防护罩罩住待检扭矩传感器。

3.根据权利要求1或2所述的高低温环境扭矩传感器校准装置，其特征在于：所述的负载模块由制动器和L形支撑板组成，传动轴设在制动器上，制动器固定设在L形支撑板上，L形支撑板固定设在实验台及支撑架模块上；所述的制动器通过断电的方式将传动轴固定锁死，为高低温环境扭矩传感器校准装置提供负载。

4.根据权利要求3所述的高低温环境扭矩传感器校准装置，其特征在于：所述的实验台及支撑架模块由多孔状工作平台、底座和支撑架组成，底座、高低温环境实验箱、L形支撑板均安装在多孔状工作平台上，支撑架固定设在底座上，伺服电机、减速机均被支撑在支撑架上。

5.高低温环境扭矩传感器校准方法，其特征在于：包括如下具体内容：

首先将待检扭矩传感器、标准扭矩传感器、计算机的电源线、各连接电缆连通，且保证电源线接地，调试整个测控系统功能，保证整个测控系统正常工作；在设定初始温度后，采用激光对中仪测出待检扭矩传感器与传动轴之间的初始同轴度，通过仿真分析方法得出同轴度与温度变化量之间的函数关系式；

然后在若干个温度测量点下，通过控制伺服电机输出与若干个温度测量点相对应的扭矩检定点，记录下待检扭矩传感器输出的扭矩值和标准扭矩传感器的扭矩值；将待检扭矩传感器得到的扭矩值减去标准扭矩传感器的扭矩值，得到待检扭矩传感器在若干个温度测量点的示值误差，通过推导出的同轴度与温度之间的函数关系式计算出同轴度与高低温环境对测量结果的影响，并对最终的测量误差进行补偿，完成对待检扭矩传感器的校准。

6.根据权利要求5所述的高低温环境扭矩传感器校准方法，其征在于：通过测量待检扭矩传感器与传动轴的初始同轴度，采用仿真分析方法得到±100℃范围内任意温度下的同轴度，用于补偿测量误差。

说明书

高低温环境扭矩传感器校准方法及装置

技术领域

[0001] 本发明涉及一种扭矩传感器校准装置，尤其是涉及一种高低温环境扭矩传感器校准方法及装置。

背景技术

[0002] 随着我国造船业、航天业等的快速发展，越来越多的精密、复杂仪器机构的应用环境从常温扩展到了高低温环境。为了保证机构的可靠性和稳定性，必须对其进行装配精度、传动效率、振动、力和力矩、刚度以及电性能参数多性能测试。由于扭矩对装置的安全运行和使用寿命有着重要的影响，故扭矩传感器其在高低温环境下的应用越来越广泛。

[0003] 目前，国内对扭矩传感器的检定主要是依据JJG 557-2011《标准扭矩仪检定规程》，使用扭矩标(基)准机或者加荷装置对扭矩传感器进行检定。用扭矩标(基)准装置或者加荷装置检定扭矩传感器的准确度时，需使扭矩装置在工作台上至少等温(20℃)预热0.5h～1h后，方可进行校准。

[0004] 综上所述，目前我国现有的扭矩传感器检定方法仅能对20℃时的扭矩传感器进行检定，尚不能在高低温环境下完成对扭矩传感器的检定。

发明内容

[0005] 针对背景技术的不足，本发明的目的在于提供一种高低温环境扭矩传感器校准方法及装置。

[0006] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

[0007] 高低温环境扭矩传感器校准装置，包括上位机模块、驱动模块、扭矩限制模块、高低温环境控制模块、标准扭矩测量模块、负载模块、传动连接模块、实验台及支撑架模块，上位机模块分别与驱动模块、扭矩限制模块、标准扭矩测量模块、负载模块电性连接，驱动模块与传动连接模块之间通过扭矩限制模块连接，驱动模块、扭矩限制模块、高低温环境控制模块、标准扭矩测量模块、负载模块、传动连接模块均被支撑在实验台及支撑架模块上；

[0008] 所述的上位机模块用于对高低温环境扭矩传感器校准装置的精确控制、扭矩测量值显示以及数据记录处理；

[0009] 所述的驱动模块由伺服电机和减速机构成，伺服电机与减速机连接，所述的伺服电机为高低温环境扭矩传感器校准装置提供驱动源，所述的减速机将输出的扭矩进行放大，以达到高低温环境扭矩传感器校准装置的量程；

[0010] 所述的传动连接模块由联轴器和传动轴组成，传动轴设在联轴器上；其中，传动轴为采用Invar合金材料的刚性传动轴，用于扭矩的传递；联轴器为刚性联轴器；

[0011] 所述的扭矩限制模块由扭矩限制器和限位开关组成，限位开关设在扭矩限制器上；当伺服电机输出扭矩超过扭矩限制器的负载时，所述的扭矩限制器将伺服电机和传动轴断开连接，同时所述的限位开关产生一个高电位信号反馈到上位机模块使上位机模块控制伺服电机停止加载，以达到保护高低温环境扭矩校准装置的目的；采用扭矩限制器，保证了装置在误操作的情况下不会被损坏，大大提高了扭矩标准装置的安全性和使用寿命；

[0012] 所述的高低温环境控制模块内设有待检扭矩传感器，待检扭矩传感器与传动轴之间通过联轴器连接；所述的高低温环境控制模块为待检扭矩传感器提供高低温环境并对待检扭矩传感器进行温度控制；

[0013] 所述的标准扭矩测量模块连接在传动连接模块上，标准扭矩测量模块与传动轴之间通过联轴器连接；所述的标准扭矩测量模块采用标准扭矩传感器，用于对高低温环境扭矩传感器校准装置进行扭矩测量；

[0014] 所述的负载模块连接在传动轴上，所述的负载模块为高低温环境扭矩传感器校准装置提供负载。

[0015] 作为优选，所述的高低温由高低温环境实验箱、气密轴承和热防护罩组成，高低温环境实验箱可在待检扭矩传感器的地面试验中提供模拟的高低温测试环境；高低温环境实验箱安装在实验台及支撑架模块上，所述的气密轴承安装在传动轴穿入和穿出高低温环境实验箱的箱壁上，以防止外部环境的热量向箱体内扩散；所述热防护罩罩住待检扭矩传感器，所述热防护罩可以有效的保证待检扭矩传感器自身能工作在合适温度范围内，而其他部分仍处于高低温环境中；采用气密轴承，有效的防止了外部环境热量向高低温环境实验箱内扩散，保证了高低温环境实验箱内部温度的稳定性，同时也具有节能环保的优点。

[0016] 作为优选，所述的负载模块由制动器和L形支撑板组成，传动轴设在制动器上，制动器固定设在L形支撑板上，L形支撑板固定设在实验台及支撑架模块上；所述的制动器通过断电的方式将传动轴固定锁死，为高低温环境扭矩传感器校准装置提供负载。L形支撑板的设置，既提高了制动器、实验台及支撑架模块及装置整体结构的稳固性、牢靠性和平衡能力，又提高了安装、拆卸、更换、维护等操作的便利性。

[0017] 作为优选，所述的实验台及支撑架模块由多孔状工作平台、底座和支撑架组成，底座、高低温环境实验箱、L形支撑板均安装在多孔状工作平台上，支撑架固定设在底座上，伺服电机、减速机均被支撑在支撑架上。由多孔状工作平台、底座和支撑架组成的实验台及支撑架模块，既提高了装置整体结构的稳固性、牢靠性和平衡能力，又提高了安装、拆卸、更换、维护等操作的便利性。

[0018] 本发明中，上位机模块设在上位机控制柜中，所有线缆从高低温环境扭矩传感器校准装置接入上位机控制柜中。

[0019] 高低温环境扭矩传感器校准方法，包括如下具体内容：

[0020] 首先将待检扭矩传感器、标准扭矩传感器、计算机的电源线、各连接电缆连通，且保证电源线接地，调试整个测控系统功能，保证整个测控系统正常工作；在设定初始温度后，采用激光对中仪测出待检扭矩传感器与传动轴之间的初始同轴度，通过仿真分析方法得出同轴度与温度变化量之间的函数关系式；

[0021] 然后在若干个温度测量点下，通过控制伺服电机输出与若干个温度测量点相对应的扭矩检定点，记录下待检扭矩传感器输出的扭矩值和标准扭矩传感器的扭矩值；将待检扭矩传感器得到的扭矩值减去标准扭矩传感器的扭矩值，得到待检扭矩传感器在若干个温度测量点的示值误差，通过推导出的同轴度与温度之间的函数关系式计算出同轴度与高低温环境对测量结果的影响，并对最终的测量误差进行补偿，完成对待检扭矩传感器的校准。

[0022] 具体地，可以将待检扭矩传感器的测量结果溯源到国家扭矩基准。

[0023] 作为优选，通过测量待检扭矩传感器与传动轴的初始同轴度，采用仿真分析方法得到±100℃范围内任意温度下的同轴度，用于补偿测量误差，并对最终测量结果进行修正。

[0024] 与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

[0025] 1.本发明中的一种高低温环境扭矩传感器校准装置能够对(-100～100)℃高低温环境下(0～500)Nm测量范围的待检扭矩传感器进行校准，将高低温环境待检扭矩传感器的测量结果溯源至国家扭矩基准。

[0026] 2.本发明中的一种高低温环境扭矩传感器校准方法能有效地对刚性轴任意温度下的同轴度进行预测评估，并分析出±100℃范围内任意温度下同轴度对测量结果的影响，并进行最终测量结果的修正。

[0027] 3.本发明中的扭矩限制器可有效的保护高低温环境扭矩校准装置，保证了装置在误操作的情况下不会被损坏，大大提高了高低温环境扭矩校准装置的使用寿命。

[0028] 4.本发明中的高低温环境实验箱采用了气密轴承，防止了外部环境中的热量向高低温环境实验箱中扩散，保证了实验箱内的环境的稳定性，同时又节能环保。

附图说明

[0029] 图1是本发明的高低温环境扭矩传感器校准装置整体的结构示意图；

[0030] 图2是本发明的扭矩限制模块的结构示意图；

[0031] 图3是本发明的气密轴承的结构示意图；

[0032] 图4是本发明的上位机控制柜的结构示意图；

[0033] 图5是本发明的扭矩参量溯源与溯源传递图；

[0034] 图6是本发明的高低温环境扭矩传感器校准装置的工作流程图；

[0035] 图中：1、热防护罩；2、高低温环境实验箱；3、气密轴承；4、传动轴；5、减速机；6、伺服电机；7、支撑架；8、底座；9、联轴器；10、待检扭矩传感器；11、多孔状工作台；12、L支撑板；13、制动器；14、标准扭矩传感器；15、扭矩限制器；16、限位开关；17、上位机控制柜；

具体实施方式

[0036] 以下结合附图对本发明作进一步说明。

[0037] 高低温环境扭矩传感器校准装置，如图1-6所示，包括上位机模块、驱动模块、扭矩限制模块、高低温环境控制模块、标准扭矩测量模块、负载模块、传动连接模块、实验台及支撑架模块，上位机模块分别与驱动模块、扭矩限制模块、标准扭矩测量模块、负载模块电性连接，驱动模块与传动连接模块之间通过扭矩限制模块连接，驱动模块、扭矩限制模块、高低温环境控制模块、标准扭矩测量模块、负载模块、传动连接模块均被支撑在实验台及支撑架模块上；

[0038] 上位机模块用于对高低温环境扭矩传感器校准装置的精确控制、扭矩测量值显示以及数据记录处理；

[0039] 驱动模块由伺服电机6和减速机5构成，伺服电机6与减速机5连接，伺服电机为高低温环境扭矩传感器校准装置提供驱动源，减速机将输出的扭矩进行放大，以达到高低温环境扭矩传感器校准装置的量程；

[0040] 传动连接模块由联轴器9和传动轴4组成，传动轴4设在联轴器9上；

[0041] 扭矩限制模块由扭矩限制器15和限位开关16组成，限位开关16设在扭矩限制器15上；当伺服电机6输出扭矩超过扭矩限制器15的负载时，扭矩限制器15将伺服电机6和传动轴4断开连接，同时限位开关16产生一个高电位信号反馈到上位机模块使上位机模块控制伺服电机6停止加载；

[0042] 高低温环境控制模块内设有待检扭矩传感器10，待检扭矩传感器10与传动轴4之间通过联轴器9连接；高低温环境控制模块为待检扭矩传感器10提供高低温环境并对待检扭矩传感器10进行温度控制；

[0043] 标准扭矩测量模块连接在传动连接模块上，标准扭矩测量模块与传动轴4之间通过联轴器9连接；标准扭矩测量模块采用标准扭矩传感器，用于对高低温环境扭矩传感器校准装置进行扭矩测量；

[0044] 负载模块连接在传动轴4上，负载模块为高低温环境扭矩传感器校准装置提供负载。

[0045] 本实施例中，高低温环境控制模块由高低温环境实验箱2、气密轴承3和热防护罩1组成，高低温环境实验箱2可在待检扭矩传感器10的地面试验中提供模拟的高低温测试环境；高低温环境实验箱2安装在实验台及支撑架模块上，气密轴承3安装在传动轴4穿入和穿出高低温环境实验箱2的箱壁上，热防护罩1罩住待检扭矩传感器10，热防护罩1可以有效的保证待检扭矩传感器10自身能工作在合适温度范围内，而其他部分仍处于高低温环境中。

[0046] 本实施例中，负载模块由制动器13和L形支撑板12组成，传动轴4设在制动器13上，制动器13固定设在L形支撑板12上，L形支撑板12固定设在实验台及支撑架模块上；制动器13通过断电的方式将传动轴4固定锁死，为高低温环境扭矩传感器校准装置提供负载。

[0047] 本实施例中，实验台及支撑架模块由多孔状工作平台11、底座8和支撑架7组成，底座8、高低温环境实验箱2、L形支撑板12均安装在多孔状工作平台11上，支撑架7固定设在底座8上，伺服电机6、减速机5均被支撑在支撑架7上。

[0048] 具体地，底座8固定在多孔状工作台11上，支撑架7固定在底座8上，用于支撑伺服电机6、减速机5、标准扭矩传感器14；伺服电机6与减速机5连接在一起构成驱动模块，减速机5与传动轴4之间通过扭矩限制器15连接在一起，扭矩限制器15上装有限位开关16；传动轴4通过气密轴承3穿入到高低温环境实验箱2中；高低温环境实验箱2固定在多孔状工作台11上；传动轴4通过联轴器9与待检扭矩传感器10连接在一起，然后通过联轴器9与传动轴4连接；传动轴4通过气密轴承3穿出高低温环境实验箱2；热防护罩1内部装有联轴器9、待检扭矩传感器10；传动轴4通过联轴器9连接到标准扭矩传感器14；传动轴4伸入到制动器13中；制动器13通过螺栓固定在L形支撑板12上。

[0049] 本实施例中，上位机模块设在上位机控制柜17中，所有线缆从高低温环境扭矩传感器校准装置接入上位机控制柜17中，如图4所示。

[0050] 高低温环境扭矩传感器校准方法，如图1-6所示，包括如下具体内容：

[0051] 首先将待检扭矩传感器、标准扭矩传感器、计算机的电源线、各连接电缆连通，且保证电源线接地，调试整个测控系统功能，保证整个测控系统正常工作；在设定初始温度后，采用激光对中仪测出待检扭矩传感器与传动轴之间的初始同轴度，通过仿真分析方法得出同轴度与温度变化量之间的函数关系式；

[0052] 然后在若干个温度测量点下，通过控制伺服电机输出与若干个温度测量点相对应的扭矩检定点，记录下待检扭矩传感器输出的扭矩值和标准扭矩传感器的扭矩值；将待检扭矩传感器得到的扭矩值减去标准扭矩传感器的扭矩值，得到待检扭矩传感器在若干个温度测量点的示值误差，通过推导出的同轴度与温度之间的函数关系式计算出同轴度与高低温环境对测量结果的影响，并对最终的测量误差进行补偿，完成对待检扭矩传感器的校准。

[0053] 本实施例中，通过测量待检扭矩传感器与传动轴的初始同轴度，采用仿真分析方法得到±100℃范围内任意温度下的同轴度，用于补偿测量误差。

[0054] 本实施例中，采用激光对中仪测得常温环境下连接轴的初始同轴度，然后通过仿真分析方法对高低温环境下同轴度误差进行评估预测，并进行补偿。本发明中，仿真分析方法采用COMSOL Multiphysics软件对同轴度误差进行仿真分析，得出同轴度与温度之间的关系以及初始同轴度所需控制的范围。仿真分析方法的具体内如如下：

[0055] 在COMSOLMultiphysics软件中，控制初始同轴度恒定不变，仿真分析不同温度条件下同轴度因环境变化而引起的变化量，得到在当前同轴度下同轴度与温度之间的关系；然后改变初始同轴度的输入值，继续仿真分析不同温度条件下同轴度因环境变化而引起的变化量，通过不断改变初始同轴度的值，最终得到初始同轴度所需控制的范围。

[0056] 本实施例中，通过激光对中仪测得初始同轴度和仿真分析所得到的随温度变化的同轴度预测值数据，采用支持向量机(Support Vector Machine，SVM)对同轴度与温度之间的关系进行预测。SVM不仅可以用来分类，还可以用来做回归预测分析。对于训练样本集(xi，yi)(其中，i＝1,2,…,n；xi∈Rn，为输入变量；yi∈R，为对应的输出值)，支持向量机回归理论的基本思想是寻找一个输入空间到输出空间的非线性映射 通过这个非线性映射，将数据x映射到一个高维特征空间F，并在特征空间中用下列估计函数进行线性回归：

[0057]

[0058] 其中，b为阈值。函数逼近问题等价于如下函数：

[0059]

[0060] 式中Rreg(f)——目标函数；

[0061] S——样本数量；

[0062] C——错误惩罚因子；

[0063] λ——调整常数；

[0064] ||ω||2——反映f在高维空间平坦的复杂性。

[0065] 考虑到线性ε不敏感损失函数具有较好的稀疏性，可得到以下损失函数：

[0066] |y-f(x)|ε＝max{0,|y-f(x)-ε|}   (3)

[0067] 经验风险函数为：

[0068]

[0069] 根据统计学理论，支持向量机对以下目标函数极小化以确定回归函数：

[0070]

[0071]

[0072] 式中，C——用于平衡模型复杂项和训练误差项的权重参数；

[0073] ξi——松弛因子；

[0074] ε——不敏感损失函数。

[0075] 该问题可转化为以下对偶问题：

[0076]

[0077]

[0078] 求解上述问题，可得到支持向量机回归函数：

[0079]

[0080] 依据支持向量机的回归理论，选用合适的支持向量机工具箱对同轴度测量实验获得的测量数据进行分析预测，得到同轴度与温度之间的关系，可以预测得到±100℃范围内任意温度下的同轴度。通过计算同轴度的相对误差，通过量程与相对误差的乘积求得±100℃范围内任意温度下同轴度对扭矩测量所产生的误差ΔMt：

[0081]

[0082] 式中Δd——预测所得同轴度；

[0083] d——联轴器半径；

[0084] M——当前所测扭矩值；

[0085] 最终待检扭矩传感器测得的扭矩值为M1，标准扭矩传感器测得的扭矩值为M2，则最终测得的误差值ΔM为：

[0086] ΔM＝M1-M2+ΔMt   (9)

[0087] 如图5所示，本发明将高低温环境待检扭矩传感器的测量结果溯源至国家扭矩基准。

[0088] 本实施例中，如图6所示，高低温环境扭矩传感器校准装置的工作过程的具体实施步骤如下：

[0089] 1)设定实验室和高低温环境实验箱的温度均为20℃，待高低温环境实验箱箱内的温度稳定在20℃后，分别将待检扭矩传感器、标准扭矩传感器按照要求连接好接线，保证整个测控系统正常工作；

[0090] 2)采用激光对中仪测得被检扭矩传感器与传动轴之间的同轴度，根据仿真分析得到的同轴度与扭矩之间的函数关系式以及公式(8)，预测出当前温度下同轴度对扭矩测量结果的影响，待传动轴传热稳定后，启动伺服电机，使传动轴朝一个方向旋转(如顺时针或逆时针)，输出相应的扭矩值，依次记录标准扭矩传感器的读数值M10和被检扭矩传感器的读数值M20；

[0091] 4)以50Nm为步长，缓慢转动传动轴，依次记录标准扭矩传感器的读数值M1j、被检扭矩传感器的读数值M2j，其中j为高低温环境实验箱的温度编号；

[0092] 5)完成所有扭矩校准点的数据测量后，启动高低温环境实验箱的降温程序，将高低温环境实验箱降温至室温，将传动轴重新置于测量原点；

[0093] 6)以20℃为步长，依次将高低温环境实验箱的温度升至或降至40℃、60℃、80℃、100℃、0℃、-20℃、-40℃、-60℃、-80℃、-100℃，重复步骤2)～4)，直至完成所有数据的测量；

[0094] 7)完成一个方向校准后，按照相同步骤进行反方向的校准。

[0095] 至此，通过对不同位置处的误差进行误差分析并进行补偿，从而得到待检扭矩传感器的示值误差、稳定性等性能参数，完成对高低温环境待检扭矩传感器的校准，实现高低温环境扭矩参量的溯源。

[0096] 以上所述，仅是本发明的较佳实施案例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。