CN104330198B - 基于挠性支承的扭矩校准测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于挠性支承的扭矩校准测量装置，标准扭矩梁的两侧通过弹性片对称安装左、右砝码盘，用于砝码的加挂，所述挠性支承的旋转中心“O”与标准扭矩梁的中心轴线“Y”重合；标准扭矩梁的下端面下面设有安装在基座上的激光位移传感器，标准扭矩梁的下端面两侧对称安装左、右电磁力矩器，当有扭矩载荷时，激光位移传感器将测量出的由扭矩载荷引起的激光传感器探头与标准力臂下端面的位移变化量的电信号经测量电路处理后传送给左电磁力矩器或右电磁力矩器，用于控制左电磁力矩器或右电磁力矩器产生电磁力拉平标准扭矩梁。本发明同时通过电磁力平衡系统、高精度激光位移传感器、信号快速跟踪、测量系统等综合措施，最大限度提高测试精度。

Description

基于挠性支承的扭矩校准测量装置

技术领域

本发明涉及一种扭矩校准测量装置，特别涉及一种基于挠性支承的扭矩校准测量装置。

背景技术

扭矩作为力学的一个主要参数，对其准确测量、校准和控制在航天、航空、船舶、兵器等行业有着广泛的应用。扭矩测量、校准的重要性已为各发达国家所重视。以德国为代表的先进国家，大力发展先进的高精度扭矩计量标准装置，以满足日益增长的军用及民用工业部门的需求。扭矩标准装置是用来复现标准扭矩值并用来进行量值传递的装置，广泛用于各种扭矩仪、扭矩传感器的检定和校准中。目前的扭矩标准装置多为静重式，即采用力臂加砝码的方式对设备进行标定或校准。支承作为静重式扭矩标准装置的关键部件，起着支撑力臂和传递扭矩的作用，是整台装置灵敏度的直接体现。

目前静重式扭矩标准装置主要的支承形式有刀口支承、气体轴承和磁悬浮轴承。

国内以刀口支承作为扭矩标准装置的支撑以中船重工第七〇四研究所国防大扭矩一级计量站最具代表性，如李涛、胡德福等人发表的论文“扭矩标准装置优化设计研究”采用刀口支承研制的2kNm扭矩标准机，并据此建立了不同量程范围的扭矩标准装置。但刀口无法保证测量装置可动部分摆动中心的空间位置确定不变，且刀刃刀承间总是存在一定数量级的摩擦力矩，会对装置的灵敏度产生一定的影响。

近年来气体轴承开始逐步在各国的高端扭矩标准装置上得到应用，其关键特点就是轴承的定子和转子之间的摩擦介质采用了纯净的气体，利用气膜支撑负荷或减少摩擦，从而大幅的降低摩擦力。如李涛等人发表的论文“高精度支承技术在国家扭矩基准机上的运用”采用气体润滑轴承作为100Nm静重式扭矩标准机的支撑，如秦海峰等人发表的论文“静压轴承在扭矩标准装置中的应用”采用静压气体轴承作为200Nm扭矩标准装置的旋转支承，如天津大学硕士论文“静重式扭矩标准装置的研制”采用气浮轴承研制了200Nm扭矩标准机。采用气体轴承作为扭矩标准装置的支承从一定程度上减少了摩擦力矩的影响，但是气体轴承具有一定的缺陷。由于气体的可压缩性，使气体轴承设计或制造不当时易失稳，稳定性较差；由于气膜厚度一般为几微米到几十微米左右，对关键零部件的尺寸公差及表面粗糙度要求都极高，从而导致了制造成本的大量增加，因此气体轴承都在高端领域应用；最重要的是，由于气体本身的特性，气源压力不可能太高，因此气体轴承的承载能力和静态刚度较低，尤其不适于大量程扭矩标准装置作为旋转支承部件。

磁悬浮是利用磁场力来平衡负载，实现非接触支承的技术。如徐君等人发表的论文“磁悬浮效应微扭矩传感器校准仪设计”，基本工作原理是控制系统利用位置传感器检测转子的位置进而实时调节电磁铁和转子间的吸引力使转子处于期望的位置。磁悬浮轴承由于转子和定子之间没有机械接触，因此不存在磨损。但是磁力轴承的非接触特点只是消除了机械的磨损，但“摩擦”依旧存在，除去空气摩擦外，磁力轴承的摩擦主要包括涡流焦耳损耗、交变磁滞和旋转磁滞等。另外，由于磁悬浮轴承系统转子表面的反复磁化，涡流、交变磁滞和旋转磁滞等影响同时作用，加上复杂的结构形式等因素，使得磁力轴承摩擦的研究和实验较为复杂。

扭矩标准装置无论采用刀口支承、气体轴承或是磁悬浮轴承作为旋转支承支撑力臂，总是存在一定数量级的摩擦力矩、且支承与力臂具有相对运动，不适合于大量程扭矩标准装置对高灵敏度和高承载力的需求。

发明内容

本发明是针对大型舰船动力系统对大扭矩校准测量高灵敏度、高承载力的需求，提出一种基于挠性支承的扭矩校准测量装置，通过挠性支承作为装置的旋转支撑部件传递扭转变形，通过对电磁力矩器输出电信号测量的方法进而间接测量扭矩。

本发明的技术方案为：一种基于挠性支承的扭矩校准测量装置，具有一个用于扭矩加载校准的标准扭矩梁，一个挠性支承，挠性支承的下端面与基座固定连接，上端面与标准扭矩梁固定连接，标准扭矩梁的两侧通过弹性片对称安装左、右砝码盘，用于砝码的加挂，所述挠性支承的旋转中心“O”与标准扭矩梁的中心轴线“Y”重合；当有扭矩加载时，标准扭矩梁随同挠性支承一起绕旋转中心“O”转动，所述标准扭矩梁的下端面下面设有安装在基座上的激光位移传感器，标准扭矩梁的下端面两侧对称安装左、右电磁力矩器，当有扭矩载荷时，激光位移传感器将测量出的由扭矩载荷引起的激光传感器探头与标准力臂下端面的位移变化量的电信号经测量电路处理后传送给左电磁力矩器或右电磁力矩器，用于控制左电磁力矩器或右电磁力矩器产生电磁力拉平标准扭矩梁。

所述电磁力矩器的输出信号经测量电路采样、采集、显示。

所述挠性支承呈 “X”型十字铰链旋转45度的结构。所述激光位移传感器是量程范围为5mm、分辨率为0.03um的高精度激光位移传感器。

本发明的有益效果在于：本发明的基于挠性支承的扭矩校准测量装置，不同于传统的扭矩标准装置采用刀口支承、气体轴承或磁悬浮轴承作为装置的旋转支承部件，而是采用挠性支承作为装置的旋转支承部件。与现有技术相比，挠性支承具有与标准力臂无相对运动、无摩擦、高灵敏度的优点，因而适于超大扭矩标准装置对高灵敏度和高承载力的综合性要求。激光位移传感器作为位移测量部件，具有非接触测量、易于二次开发的特点，并且商用的激光位移传感器在小量程范围具有很高的位移测量分辨率和精度，适用于大扭矩标准装置测试系统高分辨率的要求。

附图说明

图1是本发明的测量原理示意图；

图2是本发明的基于挠性支承的扭矩校准测量装置的示意图；

图3是本发明的测量电路功能模块图。

具体实施方式

如图1所示为本发明测量原理示意图，如果重量不等的砝码W₁和W₂被放在砝码盘上，标准扭矩梁和挠性支承将偏转角度θ。使挠性支承偏转到这一角度的力矩可以表示为：

由于变形角θ非常小，上式可写为:

式中： M为扭矩载荷；θ为挠性支承偏转角度；K为挠性支承的刚度系数； L为标准扭矩梁长度的一半；为由于扭矩载荷引起的标准扭矩梁末端产生的垂直方向的位移。所以位移Δs与扭矩成正比，其中K是由挠性支承本身特性决定的刚度系数，可预先进行测试和标定。因此可以通过测试相对位移Δs来间接测试扭矩载荷M。

在此原理指导下，图2给出了基于挠性支承的扭矩校准测量方案示意图，包括挠性支承8的下端面与基座固定连接，上端面与标准扭矩梁1固定连接；砝码盘4、6通过弹性片分别安装在标准扭矩梁1的两侧，对称安装，实现砝码的加挂；挠性支承8的旋转中心“O”与标准扭矩梁1的中心轴线“Y”重合；有扭矩加载时，标准扭矩梁1随同挠性支承8一起绕旋转中心“O”转动；激光位移传感器3安装在基座上，激光探头对准标准扭矩梁1的下端面；标准扭矩梁1的下端面与激光位移传感器3的探头构成测量位移的两个相对参考点，当有扭矩载荷时，激光位移传感器3测量由扭矩载荷引起的激光传感器探头与标准力臂下端面的位移变化，并把测量的电信号经测量电路5处理后送给左电磁力矩器2或右电磁力矩器7作为力矩器的控制信号；左、右电磁力矩器2、7对称安装在标准扭矩梁1的两侧；电磁力矩器的线圈部分由于受测量电路电信号的控制，进而在磁场中受到电磁力的作用而上下运动，实现对标准扭矩梁1的拉平。

激光位移传感器3的输出电信号连接到测量电路5上；测量电路5对激光位移传感器3输出的电信号进行放大、输出，驱动电磁力矩器动作；电磁力矩器输出的电信号通过测量电路采集、存储、显示。

在没有扭矩加载的情况下，激光位移传感器3的输出对应系统测试零位；工作时挠性支承8在扭矩载荷作用下发生扭转变形，带动标准扭矩梁1发生偏转，引起激光位移传感器3探头与标准力臂下端面的相对距离发生变化；在顺时针扭矩加载或逆时针扭矩加载作用下，激光位移传感器3输出与位移成比例关系的电压信号，该信号作为测量电路的输入信号，经过信号放大、功率放大电路对电磁力矩器进行控制，测量电路5实时采集电磁力矩器输出电信号；根据采集到的电信号计算出实时扭矩载荷。

挠性支承，采用“X”型结构，挠性支承结构参数根据扭矩标准装置测量范围、灵敏度要求进行设计。激光位移传感器，根据扭矩标准装置测量范围和分辨率要求选择激光位移传感器性能参数。

为了提高装置的灵敏度和承载力，采用如图2中所示的挠性支承8，形状上采用十字铰链旋转45度的结构。该结构的挠性支承采用合金钢制作，由于细颈t的特点可以达到很高的灵敏度，并具有一定的承载力。激光位移传感器3采用量程范围为5mm，分辨率可达0.03um的高精度激光位移传感器。它具有非接触、无磨损、抗干扰的能力，有数字、模拟两种信号输出，便于扭矩标准装置中作为位移测量器件进行二次开发。工作时挠性支承在扭矩载荷作用下发生弯曲变形，带动标准扭矩梁转动，激光位移传感器3的探头和标准扭矩梁1下端面的相对距离发生变化，在顺时针扭矩或逆时针扭矩作用下，该相对距离增大或减小，激光位移传感器3输出与位移成比例关系的电压信号。在没有扭矩载荷的情况下，激光位移传感器3的输出对应系统零位,可以方便的随时对系统零点进行标定。

如图3所示，测量电路3包括电源模块、运算放大模块、功率放大模块、信号采集模块。电源模块采用高精度、低失调电压的稳压线性电源；激光位移传感器3输出的电信号经电压放大、功率放大输出到电磁力矩器2或7驱动电磁力矩器动作，电磁力矩器的输出信号经过采样电阻，通过数据采集模块采集采样电阻两端的输出电压，即可测出装置加载的扭矩值。

Claims (4)

1.一种基于挠性支承的扭矩校准测量装置，具有一个用于扭矩加载校准的标准扭矩梁(1)，一个挠性支承(8)，挠性支承(8)的下端面与基座固定连接，上端面与标准扭矩梁(1)固定连接，标准扭矩梁(1)的两侧通过弹性片对称安装左、右砝码盘(4、6)，用于砝码的加挂，所述挠性支承(8)的旋转中心“O”与标准扭矩梁(1)的中心轴线“Y”重合；当有扭矩加载时，标准扭矩梁(1)随同挠性支承(8)一起绕旋转中心“O”转动，其特征在于：所述标准扭矩梁(1)的下端面下面设有安装在基座上的激光位移传感器(3)，标准扭矩梁(1)的下端面两侧对称安装左、右电磁力矩器(2、7)，当有扭矩载荷时，激光位移传感器(3)将测量出的由扭矩载荷引起的激光位移传感器探头与标准力臂下端面的位移变化量的电信号经测量电路(5)处理后传送给左电磁力矩器(2)或右电磁力矩器(7)，用于控制左电磁力矩器(2)或右电磁力矩器(7)产生电磁力拉平标准扭矩梁(1)。

2.根据权利要求1所述基于挠性支承的扭矩校准测量装置，其特征在于：所述电磁力矩器的输出信号经测量电路(5)采样、采集、显示。

3.根据权利要求1所述基于挠性支承的扭矩校准测量装置，其特征在于：所述挠性支承呈 “X”型十字铰链旋转45度的结构。

4.根据权利要求1所述基于挠性支承的扭矩校准测量装置，其特征在于：所述激光位移传感器(3)是量程范围为5mm、分辨率为0.03um的高精度激光位移传感器。