CN105466630A - 一种扭矩传感器标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种扭矩传感器标定方法，包括如下步骤：1）将待标定扭矩传感器安装于标定台架上；2）将砝码加载到加载长臂的一端，同时利用调平气缸对调平短臂进行支撑，利用调平气缸对调平短臂进行顶升，直至加载长臂回复到水平状态；3）重复步骤2），并记录待标定扭矩传感器的输出电压；4）卸载一块砝码，利用调平气缸对调平短臂进行调节，直至加载长臂回复到水平状态，记录待标定扭矩传感器的输出电压；5）重复步骤4），直至卸载完成，完成一个标定循环；6)建立标定模型，解算得到标定系数；7）重复步骤2）—步骤6）5次，检验数据的重复性。本发明标定操作简单，标定的精度高，标定费用低，并且适用性强。

Description

一种扭矩传感器标定方法

技术领域

本发明涉及传感器测量技术领域，尤其涉及一种扭矩传感器标定方法。

背景技术

汽车传动系统是汽车重要部件之一，其传动系统主要由变速器和轴类零部件组成，起着为汽车行驶传递转速与扭矩的作用。汽车传动系统在实际行驶过程中受到扭矩的作用，使其零部件及总成的破坏而失效。为了对其所受载荷引起破坏失效的研究，需要用到扭矩传感器对其载荷进行测量。对载荷进行测量的精度不仅受传感器制作精度和传感器安装精度有关，而且对传感器的标定以及标定精度也是至关重要的。

传感器的标定，需要用比传感器精度更高的仪器对其标定。目前，国内外有一些扭矩标定装置，但标定的费用较贵，标定操作也过于复杂，而且标定的精度也不高，不适合广泛的应用。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于怎样解决现有扭矩传感器标定费用较贵，标定操作复杂，标定的精度低，并且适用性差的问题，提供一种扭矩传感器标定方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是这样的：一种扭矩传感器标定方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)将待标定扭矩传感器安装于标定台架上，其中，待标定扭矩传感器测量轴的一端与加载长臂相连，另一端与调平短臂相连；

2)将砝码加载到加载长臂的一端，同时利用调平气缸对调平短臂进行支撑，待稳定后，利用调平气缸对调平短臂进行顶升，直至加载长臂回复到水平状态，完成一次加载；记录此时的砝码重量及对应的待标定扭矩传感器的输出电压；其中，砝码的转动半径为1m；

3)重复步骤2)，并逐级加载砝码，直至加载扭矩达到待标定扭矩传感器的额定测试扭矩，完成整个加载，并记录此过程中的砝码重量及对应的待标定扭矩传感器的输出电压；

4)平稳地卸载一块砝码，待系统稳定后，利用调平气缸对调平短臂进行调节，直至加载长臂回复到水平状态，完成一次卸载；记录此时的砝码重量及对应的待标定扭矩传感器的输出电压；

5)重复步骤4)，并逐级卸载砝码，直至卸载完成，并记录此过程中的砝码重量及对应的待标定扭矩传感器的输出电压；完成一个标定循环；

6)建立标定模型，解算得到标定系数：

设加载和卸载均为n个等级，每个等级加载或卸载砝码重力为G_i，对应传感器输出电压为U_i，i＝1、2、......、n，由于砝码的转动半径为1m，所以施加的转矩T的大小与砝码的重力G的大小相等；因此：

加载过程砝码重力和待标定扭矩传感器的输出电压之间的模型为：

$G_i=a_{j0}+a_{j1}{U}_i+a_{j2}{U_i}^2---\left(1\right)$

式中：a_j1、a_j2、a_j0为加载过程的标定系数，将G_i和U_i代入(1)式，采用最小二乘法计算出a_j1、a_j2、a_j0；

卸载过程砝码重力和输出电压之间的模型为：

$G_i=a_{x0}+a_{x1}{U}_i+a_{x2}{U_i}^2---\left(2\right)$

式中：a_x1、a_x2、a_x0为卸载过程的标定系数，将G_i和U_i代入(2)式，采用最小二乘法计算出a_x1、a_x2、a_x0；

最后，根据加载和卸载过程得到标定系数a₀、a₁、a₂：

$a_0=\frac{a_{j0}+a_{x0}}{2},a_1=\frac{a_{j1}+a_{x1}}{2},a_2=\frac{a_{j2}+a_{x2}}{2};$

7)重复步骤2)—步骤6)5次，检验数据的重复性：

设每次得到的标定系数为a_0i、a_1i、a_2i，i＝1、......、5，若：

$\frac{a_{0i}-\underset{i=1}{\overset{5}{\Σ}}{a}_{0i}/5}{\underset{i=1}{\overset{5}{\Σ}}{a}_{0i}/5}\≤0.1,\frac{a_{1i}-\underset{i=1}{\overset{5}{\Σ}}{a}_{1i}/5}{\underset{i=1}{\overset{5}{\Σ}}{a}_{1i}/5}\≤0.1,\frac{a_{2i}-\underset{i=1}{\overset{5}{\Σ}}{a}_{2i}/5}{\underset{i=1}{\overset{5}{\Σ}}{a}_{2i}/5}\≤0.1$

则说明标定重复性好，最终得到标定系数为

否则，需要检查标定系统进行重新标定。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1.此扭矩传感器的标定方法操作简单方便，标定数据的重合度较高，从而使扭矩传感器的标定精度高，并且实用性较强。

2.适合多种扭矩传感器的标定，因此用此方法对传感器的标定更具推广性。

3.标定台架结构简单，从而使得标定成本低廉。

附图说明

图1为本发明所采用的标定台架的主视图。

图2为图1的俯视图。

图3为惠斯顿电桥原理图。

图中：11—底板，12—安装基板，13—支撑杆，2—加载长臂，3—长臂安装座，4—砝码托盘，5—待标定扭矩传感器，6—调平短臂，7—短臂安装座，8—调平气缸，9—距离传感器。

具体实施方式

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

实施例：参见图1、图2，一种扭矩传感器标定方法，在标定过程中需采用专用的标定台架，该标定台架包括安装基座、加载长臂2、长臂安装座3、砝码托盘4、待标定扭矩传感器5、调平短臂6、短臂安装座7以及调平气缸8。所述安装基座包括底板11、安装基板12以及将安装基板12与底板11相连的支撑杆13；其中，底板11的宽度大于安装基板12的宽度。所述长臂安装座3固定于安装基板12的一端，在长臂安装座3上固定有长臂轴承座，所述加载长臂2的中部与长臂连接轴(的一端)相连，所述长臂连接轴通过长臂连接轴承安装于长臂轴承座上。所述砝码托盘4通过托盘吊杆与加载长臂2的一端转动连接；该加载长臂2的两端从安装基板12的两侧伸出，其中，托盘吊杆与加载长臂2长度1/2的和小于等于加载长臂2与底板11之间的距离。在加载长臂2上设有两距离传感器9，且两距离传感器9分别位于长臂连接轴承的两侧，并位于底板11的正上方。所述短臂安装座7固定于安装基板12的另一端，在短臂安装座7上固定有短臂轴承座，所述调平短臂6的中部与短臂连接轴(的一端)相连，所述短臂连接轴通过短臂连接轴承安装于短臂轴承座上。所述调平气缸8位于调平短臂6靠近砝码托盘4一端的下方，通过该调平气缸8能够将调平短臂6进行支撑和顶升。所述待标定扭矩传感器5的测量轴的两端分别(通过联轴器)与长臂连接轴和短臂连接轴相连，通过加载长臂2和调平短臂6均能带动扭矩传感器的测量轴同步转动。

标定过程中，将距离传感器和待标定扭矩传感器经信号调理电路后与计算机相连，同时，计算机通过驱动器与调平气缸相连。

其标定过程包括如下步骤：

1)将待标定扭矩传感器安装于标定台架上，其中，待标定扭矩传感器测量轴的一端与加载长臂相连，另一端与调平短臂相连；

2)将砝码加载到加载长臂的一端，同时利用调平气缸对调平短臂进行支撑，待稳定后，利用调平气缸对调平短臂进行顶升，直至加载长臂回复到水平状态，完成一次加载；记录此时的砝码重量及对应的待标定扭矩传感器的输出电压；其中，砝码的转动半径为1m；

3)重复步骤2)，并逐级加载砝码，直至加载扭矩达到待标定扭矩传感器的额定测试扭矩，完成整个加载，并记录此过程中的砝码重量及对应的待标定扭矩传感器的输出电压；

4)平稳地卸载一块砝码，待系统稳定后，利用调平气缸对调平短臂进行调节，直至加载长臂回复到水平状态，完成一次卸载；记录此时的砝码重量及对应的待标定扭矩传感器的输出电压；

5)重复步骤4)，并逐级卸载砝码，直至卸载完成，并记录此过程中的砝码重量及对应的待标定扭矩传感器的输出电压；完成一个标定循环；

6)建立标定模型，解算得到标定系数：

设加载和卸载均为n个等级，每个等级加载或卸载砝码重力为G_i，对应传感器输出电压为U_i，i＝1、2、......、n，由于砝码的转动半径为1m，所以施加的转矩T的大小与砝码的重力G的大小相等；因此：

加载过程砝码重力和待标定扭矩传感器的输出电压之间的模型为：

$G_i=a_{j0}+a_{j1}{U}_i+a_{j2}{U_i}^2---\left(1\right)$

式中：a_j1、a_j2、a_j0为加载过程的标定系数，将G_i和U_i代入(1)式，采用最小二乘法计算出a_j1、a_j2、a_j0；

卸载过程砝码重力和输出电压之间的模型为：

$G_i=a_{x0}+a_{x1}{U}_i+a_{x2}{U_i}^2---\left(2\right)$

式中：a_x1、a_x2、a_x0为卸载过程的标定系数，将G_i和U_i代入(2)式，采用最小二乘法计算出a_x1、a_x2、a_x0；

最后，根据加载和卸载过程得到标定系数a₀、a₁、a₂：

$a_0=\frac{a_{j0}+a_{x0}}{2},a_1=\frac{a_{j1}+a_{x1}}{2},a_2=\frac{a_{j2}+a_{x2}}{2};$

7)重复步骤2)—步骤6)5次，检验数据的重复性：

设每次得到的标定系数为a_0i、a_1i、a_2i，i＝1、......、5，若：

$\frac{a_{0i}-\underset{i=1}{\overset{5}{\Σ}}{a}_{0i}/5}{\underset{i=1}{\overset{5}{\Σ}}{a}_{0i}/5}\≤0.1,\frac{a_{1i}-\underset{i=1}{\overset{5}{\Σ}}{a}_{1i}/5}{\underset{i=1}{\overset{5}{\Σ}}{a}_{1i}/5}\≤0.1,\frac{a_{2i}-\underset{i=1}{\overset{5}{\Σ}}{a}_{2i}/5}{\underset{i=1}{\overset{5}{\Σ}}{a}_{2i}/5}\≤0.1$

则说明标定重复性好，最终得到标定系数为

否则，需要检查标定系统进行重新标定。

该标定系统的基本原理：当扭矩传感器受到外部扭矩T作用，传感器测量轴表面产生微小机械变形ε，变形量ε与扭矩T成正比关系：

T＝A×ε+B

粘贴在扭矩传感器的测量轴的应变片随之发生相应的形变，参见图3，通常，应变片为4个，并相连形成惠斯顿电桥(全桥)；这样，当应变片变形时，其电阻值有一个增量ΔR，通过惠斯顿全桥电路把电阻增量ΔR转化为电压增量ΔU，该电压增量与传感器所受扭矩也成正比。

在惠斯顿电桥中：应变片的阻值：R₁＝R₂＝R₃＝R₄＝R₀，变形后的阻值增量：ΔR₁＝ΔR₂＝ΔR₃＝ΔR₄＝ΔR，电桥输出：

$U_0=\frac{\mathrm{\Δ}R}{R_0}E;$

则有：T＝a×U₀+b式中：a、b为常量，即标定系数。

将电压信号通过数据采集与信号处理系统的处理，从而得到作用的外部载荷。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.一种扭矩传感器标定方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)将待标定扭矩传感器安装于标定台架上，其中，待标定扭矩传感器测量轴的一端与加载长臂相连，另一端与调平短臂相连；

2)将砝码加载到加载长臂的一端，同时利用调平气缸对调平短臂进行支撑，待稳定后，利用调平气缸对调平短臂进行顶升，直至加载长臂回复到水平状态，完成一次加载；记录此时的砝码重量及对应的待标定扭矩传感器的输出电压；其中，砝码的转动半径为1m；

3)重复步骤2)，并逐级加载砝码，直至加载扭矩达到待标定扭矩传感器的额定测试扭矩，完成整个加载，并记录此过程中的砝码重量及对应的待标定扭矩传感器的输出电压；

4)平稳地卸载一块砝码，待系统稳定后，利用调平气缸对调平短臂进行调节，直至加载长臂回复到水平状态，完成一次卸载；记录此时的砝码重量及对应的待标定扭矩传感器的输出电压；

5)重复步骤4)，并逐级卸载砝码，直至卸载完成，并记录此过程中的砝码重量及对应的待标定扭矩传感器的输出电压；完成一个标定循环；

6)建立标定模型，解算得到标定系数：

设加载和卸载均为n个等级，每个等级加载或卸载砝码重力为G_i，对应传感器输出电压为U_i，i＝1、2、......、n，由于砝码的转动半径为1m，所以施加的转矩T的大小与砝码的重力G的大小相等；因此：

加载过程砝码重力和待标定扭矩传感器的输出电压之间的模型为：

G_i＝a_j0+a_j1U_i+a_j2U_i ²(1)

式中：a_j1、a_j2、a_j0为加载过程的标定系数，将G_i和U_i代入(1)式，采用最小二乘法计算出a_j1、a_j2、a_j0；

卸载过程砝码重力和输出电压之间的模型为：

G_i＝a_x0+a_x1U_i+a_x2U_i ²(2)

式中：a_x1、a_x2、a_x0为卸载过程的标定系数，将G_i和U_i代入(2)式，采用最小二乘法计算出a_x1、a_x2、a_x0；

最后，根据加载和卸载过程得到标定系数a₀、a₁、a₂：

$a_0=\frac{a_{j0}+a_{x0}}{2},a_1=\frac{a_{j1}+a_{x1}}{2},a_2=\frac{a_{j2}+a_{x2}}{2};$

7)重复步骤2)—步骤6)5次，检验数据的重复性：

设每次得到的标定系数为a_0i、a_1i、a_2i，i＝1、......、5，若：

$\frac{a_{0i}-\underset{i=1}{\overset{5}{\Σ}}{a}_{0i}/5}{\underset{i=1}{\overset{5}{\Σ}}{a}_{0i}/5}\≤0.1,\frac{a_{1i}-\underset{i=1}{\overset{5}{\Σ}}{a}_{1i}/5}{\underset{i=1}{\overset{5}{\Σ}}{a}_{1i}/5}\≤0.1,\frac{a_{2i}-\underset{i=1}{\overset{5}{\Σ}}{a}_{2i}/5}{\underset{i=1}{\overset{5}{\Σ}}{a}_{2i}/5}\≤0.1$

则说明标定重复性好，最终得到标定系数为 $a_0=\frac{\underset{i=1}{\overset{5}{\Σ}}{a}_{0i}}{5},a_1=\frac{\underset{i=1}{\overset{5}{\Σ}}{a}_{1i}}{5},a_2=\frac{\underset{i=1}{\overset{5}{\Σ}}{a}_{2i}}{5};$

否则，需要检查标定系统进行重新标定。