CN107121117A - 微扭矩测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了微扭矩测量装置及方法。微扭矩测量方法中，探针连接有弹性件，通过驱动被测物旋转、利用弹性件带动探针旋转、或直接驱动探针转动，可以测量出两个角度，通过两个角度差值计算获得扭矩。微扭矩测量装置包括支架、探针、角度测量机构、弹性件及驱动机构，探针用于与被测物连接，探针绕自身中心轴线转动连接于支架；弹性件的一端与探针相连，弹性件用于通过形变产生相应的扭矩与探针所受到的扭矩相平衡；角度测量机构用于测量探针的角度变化；驱动机构可以驱动被测物旋转、利用弹性件带动探针旋转、或直接驱动探针转动。利用两次角度差值作为基础计算对应的被测扭矩，可以有效提高测量精度；可以实现微小扭矩的精确测量，结构简单。

Description

微扭矩测量装置及方法

技术领域

本发明涉及扭矩测量技术，尤其涉及一种微扭矩测量装置及方法。

背景技术

随着科技的发展，微扭矩测量已经成为精密制造与控制、精密测量、质量检验等领域必不可少的一种测量手段。传统的扭矩测量方法测量范围与测量精度已经不能满足目前微扭矩和高精度的测量要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微扭矩测量装置及方法，能够提高微扭矩的测量精度。

为了解决上述技术问题，一方面，本发明提供了一种微扭矩测量方法，用以测量被测物的内部阻尼扭矩，所述微扭矩测量方法包括步骤：

将探针与所述被测物相连，所述探针连接有弹性件；

使所述被测物旋转角度α，所述弹性件产生弹性形变，所述被测物的旋转轴线与所述探针的中心轴线重合；

测量所述探针的转动角度β。

其中，在所述步骤将探针与所述被测物相连之前，还包括步骤，将所述被测物固定于驱动机构，所述驱动机构用于驱动所述被测物旋转。

第二方面，本发明提供了一种微扭矩测量方法，用以测量被测物的内部阻尼扭矩，所述微扭矩测量方法包括步骤：

探针连接至弹性件的一端，使所述弹性件的另一端绕所述探针的中心轴线旋转预定角度，从而使得所述探针绕自身中心轴线旋转，测量所述探针的旋转角度α；

将所述探针与所述被测物连接；

使所述弹性件的另一端绕所述探针的中心轴线旋转所述预定角度，测量所述探针的旋转角度β。

其中，所述弹性件为弹性丝、弹簧片、螺旋弹簧、及游丝中的一种。

其中，通过一驱动机构使所述弹性件的另一端旋转；在所述探针与所述被测物连接前后两步骤中，所述驱动机构的运动幅度相同。

第三方面，本发明提供了一种微扭矩测量方法，用于测量被测物的内部阻尼扭矩，所述微扭矩测量方法包括步骤：

探针连接有弹性件，对探针施加预设作用力以使所述探针绕自身中心轴线旋转，所述弹性件发生形变，测量所述探针的旋转角度α；

将所述探针与所述被测物相连，对探针施加预设作用力以使所述探针绕自身中心轴线旋转，所述弹性件发生形变，测量所述探针的旋转角度β。

第四方面，本发明提供了一种微扭矩测量装置，包括支架、探针、角度测量机构、弹性件及驱动机构，所述探针用于与被测物连接，所述探针绕自身中心轴线转动连接于支架；所述弹性件的一端与所述探针相连，所述弹性件用于通过形变产生相应的扭矩与所述探针所受到的扭矩相平衡；所述角度测量机构用于测量所述探针的角度变化；

所述驱动机构用于固定被测物，并带动所述被测物绕所述探针的中心轴线转动；或者，

所述驱动机构连接至所述弹性件的另一端，用于驱动所述弹性件的另一端绕所述探针的中心轴线旋转；或者，

所述驱动机构连接于所述探针，用于驱动所述探针绕自身中心轴线旋转。

其中，所述弹性件为弹性丝，所述弹性丝的另一端设置有定位机构；

在所述弹性丝的长度方向上，所述弹性丝与所述定位机构滑动配合；

在所述弹性丝的径向上，所述弹性丝与所述定位机构相抵接。

其中，所述探针与所述支架之间设置有宝石轴承。

其中，所述角度测量机构为非接触式角度测量装置。

本发明的目的在于提供一种微扭矩测量装置及方法，利用两次角度差值作为基础计算对应的被测扭矩，相对直接测量微扭矩可以有效提高测量精度；可以实现微小扭矩的精确测量，结构简单。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的第一实施例提供的微扭矩测量装置的结构示意图；

图2是图1中微扭矩测量装置的俯视图；

图3是本发明提供的第二实施例提供的微扭矩测量装置的结构示意图；

图4是图3中微扭矩测量装置的俯视图；

图5是本发明提供的第三实施例提供的微扭矩测量装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。

请参阅图1，本发明第一实施例提供的一种微扭矩测量装置，包括支架1、探针2、角度测量机构3、弹性件4及驱动机构5，探针2用于与被测物连接，探针2绕自身中心轴线转动连接于支架1；弹性件4的一端与所述探针2相连，所述弹性件4用于通过形变产生相应的扭矩与所述探针2所受到的扭矩相平衡；角度测量机构3用于测量探针2的角度变化。驱动机构5用于固定被测物，并带动被测物绕探针2的中心轴线转动。

本实施例中，利用被测物与探针2的旋转角度差值作为基础计算对应的被测扭矩，相对直接测量微扭矩可以有效提高测量精度。

本实施例中，探针2与支架1之间设置有轴承，以减小探针2与支架1之间的摩擦力。作为优选，轴承采用阻力极小的宝石轴承6。由于宝石轴承的阻力非常小，为10^-6N.m量级，由于当被测扭矩为10^-4N.m量级时则可以忽略，因而宝石轴承产生的阻力可以忽略不计。在进行测试时，探针2的中心轴向竖直设置，以进一步减小探针2与支架1之间的阻力。

可以理解的，本实施例所描述的弹性件4的一端及另一端为相对的两端，且两端之间位移变化可以使得弹性丝产生形变。

本实施例中，弹性件4为弹性丝。当然，在其他实施方式中，弹性件4还可以为弹簧片、螺旋弹簧及游丝中的一种。

在自然状态下，弹性件4的中心轴线垂直于探针2的中心轴线，即弹性件4水平设置，当探针2旋转时，弹性件4在水平面上发生弯曲形变。

弹性件4的一端与探针2固定连接，为了使探针2旋转时，弹性件4产生形变，需要将弹性件4的另一端定位设置。本实施例中，弹性丝的另一端设置有定位机构7。定位机构7相对支架1固定设置，即定位机构7与支架1的相对位置固定不变。在弹性丝的长度方向上，弹性丝与定位机构7滑动配合；在弹性丝的径向上，弹性丝与定位机构7相抵接，从而使得探针2旋转时，弹性丝的另一端能够相对定位机构7滑动，从而使得弹性丝整体能够弯曲形变。

定位机构7上凸出形成有圆柱面71，圆柱面71的轴向与弹性丝的轴向相互垂直，圆柱面71与弹性丝相抵接，从而使得弹性丝与定位机构7为点接触，以减小二者之间的摩擦，利于弹性丝另一端与定位机构7之间的相互滑动。圆柱面71可以为相对设置的两个，两个圆柱面71之间形成夹持槽，弹性丝的另一端位于该夹持槽中，以实现弹性丝另一端的定位。此处，在其他实施方式中，圆柱面71还可以为一个，圆柱面71内设置有磁体，圆柱面71与弹性丝可以通过磁力吸合，以将弹性丝的另一端定位在定位机构7处。

角度测量机构3为非接触式角度测量装置，可以避免角度测量对于扭矩的影响。角度测量机构3可以采用磁感角度传感器、光学角度测量装置、电感式角度传感器、编码器、精密微阻尼电位器等。

相应地，本发明提供了一种微扭矩测量方法，用以测量被测物的内部阻尼扭矩，微扭矩测量方法包括步骤：

S10、将被测物固定于驱动机构5，驱动机构5用于驱动被测物旋转。

S11、将探针2与被测物相连，探针2连接有弹性件4。

S12、使被测物旋转角度α，弹性件4产生弹性形变，被测物的旋转轴线与探针2的中心轴线重合。本步骤中，采用驱动机构5使被测物旋转，驱动机构5可以为步进电机，利用步进电机可以直接使得被测物一次旋转一固定角度。当然，也可以为减速电机等其他可以带动被测物旋转的驱动机构5，驱动机构5带动被测物旋转，通过测量得到被测物的旋转角度α。

S13、测量探针2的转动角度β。此处，可以通过角度测量机构3测量探针2的转动角度。

被测力矩为被测物内部力矩，如微阻尼轴承的阻尼测量，或者血栓弹力。被测物和探针2连接后，被测扭矩需要在所述被测物上并额外施加驱动力后测得。在被测物较容易被直接驱动时采用此方法进行扭矩测量。将被测物和测试装置的驱动机构5固定后再同探针2连接。驱动机构5驱动被测物以探针2轴线为中心以固定角度α进行旋转，此时探针2在被测力矩的驱动下产生了β角度的旋转。那么被测扭矩为α-β角度对应的扭矩。即根据α与β之间的差值可以计算出被测扭矩，根据角度计算被测扭矩可以通过现有公式进行计算。

本实施例中以被测物为轴承进行说明，通过微扭矩测量装置及方法可以测量轴承的阻力测量。将轴承的内圈和探针2固定，将轴承的外圈与驱动机构5相固定，驱动机构5带动轴承旋转角度α，此时由于被测轴承阻尼的存在，探针2则旋转了角度β并被角度测量机构3测得。弹性件4即弹簧丝的变形量为α-β，进而可以求得被测扭矩，注意此处被测扭矩中仍然叠加了探针2与支架1之间的内部阻尼产生的扭矩，需要注意被测扭矩的量级。

本发明第二实施例提供的一种微扭矩测量装置，包括支架1、探针2、角度测量机构3、弹性件4及驱动机构5，探针2用于与被测物连接，探针2绕自身中心轴线转动连接于支架1；弹性件4的一端与所述探针2相连，所述弹性件4用于通过形变产生相应的扭矩与所述探针2所受到的扭矩相平衡；角度测量机构3用于测量探针2的角度变化。

支架1、探针2、角度测量机构3及弹性件4等部件可以与第一实施例相同，此处不再赘述，仅对驱动机构5及其连接关系进行详细说明。

本实施例中，驱动机构5连接至弹性件4的另一端，用于驱动弹性件4的另一端绕探针2的中心轴线旋转，从而使得探针2绕自身中心轴线旋转。

驱动机构5可以通过前述实施例中的定位机构7与弹性件4相连，以使得弹性件4与驱动机构5之间可以相对滑动，进而利于探针2的转动。

驱动机构5可以为直线驱动机构5，其直线移动方向垂直于探针2的中心轴线，驱动机构5直线移动时，可以带动弹性件4的另一端移动，以使得弹性件4带动探针2旋转。或者，驱动机构5还可以为旋转驱动机构5，其旋转轴向平行于探针2的中心轴线，驱动机构5旋转时，可以带动弹性件4的另一端移动，进而使得弹性件4带动探针2旋转。

相应地，本发明提供了一种微扭矩测量方法，用以测量被测物的内部阻尼扭矩。在被测物不易被直接驱动时，例如体积过大或者形状不规则，可以采用该微扭矩测量方法进行扭矩测量。微扭矩测量方法包括步骤：

S21、探针2连接至弹性件4的一端，使弹性件4的另一端绕探针2的中心轴线旋转预定角度，从而使得所述探针2绕自身中心轴线旋转，测量探针2的旋转角度α；此处，通过一驱动机构5使弹性件4的另一端旋转。在该步骤中，探针2上不连接任何被测物，驱动机构5驱动弹性机构使得探针2旋转预定角度，并被角度测量机构3记录为角度α。

在探针2旋转角度α时，弹性机构已经因为探针2与支架1内部阻尼的存在产生了一定变形，假设其为γ。如果驱动机构5理论上应使得转动角度θ，那么α＝θ-γ。

S22、将探针2与被测物连接。

S23、使弹性件4的另一端绕探针2的中心轴线旋转预定角度。测量探针2的旋转角度β。本步骤中，驱动机构5驱动弹性件4以探针2轴线为中心进行旋转预定角度。

在探针2与被测物连接前后两步骤中，驱动机构5的运动幅度相同。即驱动机构5的运动幅度步骤S23与步骤S21中相同。当驱动机构5为直线移动机构时，其直线移动的距离在步骤S23与步骤S21中相同，当驱动机构5为旋转移动机构时，其旋转角度在步骤S23与步骤S21中相同。

由于被测力矩的存在，角度测量机构3测得的探针2角度变化为β，那么被测扭矩为α-β角度对应的扭矩。

角度测量机构34测得此时探针2的转动角度为β。假设被测扭矩使得弹性机构产出的变形角度为δ，那么β＝θ-γ-δ。

根据前述步骤可知被测扭矩对应的角度为δ＝α-β，扭矩同样可以根据扰度计算公式求出。特别需要注意的是此处的测量消除了探针2固定机构内部阻尼产生的扭矩的影响，可以测得更小的扭矩范围。

本发明第三实施例提供的一种微扭矩测量装置，包括支架1、探针2、角度测量机构3、弹性件4及驱动机构5，探针2用于与被测物连接，探针2绕自身中心轴线转动连接于支架1；弹性件4的一端与所述探针2相连，所述弹性件4用于通过形变产生相应的扭矩与所述探针2所受到的扭矩相平衡；角度测量机构3用于测量探针2的角度变化。

支架1、探针2、角度测量机构3及弹性件4等部件可以与第一实施例相同，此处不再赘述，仅对驱动机构5及其连接关系进行详细说明。

本实施例中，驱动机构5连接于探针2，用于驱动探针2绕自身中心轴线旋转。

相应地，本发明提供了一种微扭矩测量方法，用以测量被测物的内部阻尼扭矩。微扭矩测量方法包括步骤：

S31、探针2连接有弹性件4，对探针2施加预设作用力以使探针2绕自身中心轴线旋转，弹性件4发生形变，测量探针2的旋转角度α；

S32、将探针2与被测物相连，对探针2施加预设作用力以使探针2绕自身中心轴线旋转，弹性件4发生形变，测量探针2的旋转角度β。

由于两步骤对探针2施加的预设作用力相同，在探针2连接被测物前后，探针2的旋转角度会发生一定变化。被测扭矩对应的角度为δ＝α-β，扭矩同样可以根据扰度计算公式求出。特别需要注意的是此处的测量消除了探针2固定机构内部阻尼产生的扭矩的影响，可以测得更小的扭矩范围。

在本实施例中，弹性件4可以为扭簧，其两端分别连接至探针2及支架1，在弹性件4形变时，可以通过形变产生相应的扭矩和探针2所受到扭矩相平衡，从而实现扭矩的测量。

在上述实施方式中，微扭矩测量装置均只设置有一个驱动机构5，在其他实施方式中，还可以设置上述三个实施例中驱动机构5的三种实施方式中的任意两个或者三个组合，以使得该微扭矩测量装置可以根据被测物的不同选择不同测量方式。

本发明提供的微扭矩测量装置及方法，可以实现微小扭矩的精确测量，同时可以适用于不同的测量情况和量程，具有测量精度高，结构简单和环境适应性强的特点，真正的实现了微扭矩测量。

以上是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种微扭矩测量方法，用以测量被测物的内部阻尼扭矩，其特征在于，所述微扭矩测量方法包括步骤：

将探针与所述被测物相连，所述探针连接有弹性件；

使所述被测物旋转角度α，所述弹性件产生弹性形变，所述被测物的旋转轴线与所述探针的中心轴线重合；

测量所述探针的转动角度β。

2.根据权利要求1所述的微扭矩测量方法，其特征在于，在所述步骤将探针与所述被测物相连之前，还包括步骤，将所述被测物固定于驱动机构，所述驱动机构用于驱动所述被测物旋转。

3.一种微扭矩测量方法，用以测量被测物的内部阻尼扭矩，其特征在于，所述微扭矩测量方法包括步骤：

探针连接至弹性件的一端，使所述弹性件的另一端绕所述探针的中心轴线旋转预定角度，从而使得所述探针绕自身中心轴线旋转，测量所述探针的旋转角度α；

将所述探针与所述被测物连接；

使所述弹性件的另一端绕所述探针的中心轴线旋转所述预定角度，测量所述探针的旋转角度β。

4.根据权利要求3所述的微扭矩测量方法，其特征在于，通过一驱动机构使所述弹性件的另一端旋转；在所述探针与所述被测物连接前后两步骤中，所述驱动机构的运动幅度相同。

5.一种微扭矩测量方法，用于测量被测物的内部阻尼扭矩，其特征在于，所述微扭矩测量方法包括步骤：

探针连接有弹性件，对探针施加预设作用力以使所述探针绕自身中心轴线旋转，所述弹性件发生形变，测量所述探针的旋转角度α；

将所述探针与所述被测物相连，对探针施加预设作用力以使所述探针绕自身中心轴线旋转，所述弹性件发生形变，测量所述探针的旋转角度β。

6.根据权利要求1-5任一项所述的微扭矩测量方法，其特征在于，所述弹性件为弹性丝、弹簧片、螺旋弹簧、及游丝中的一种。

7.一种微扭矩测量装置，其特征在于，包括支架、探针、角度测量机构、弹性件及驱动机构，所述探针用于与被测物连接，所述探针绕自身中心轴线转动连接于支架；所述弹性件的一端与所述探针相连，所述弹性件用于通过形变产生相应的扭矩与所述探针所受到的扭矩相平衡；所述角度测量机构用于测量所述探针的角度变化；

所述驱动机构用于固定被测物，并带动所述被测物绕所述探针的中心轴线转动；或者，

所述驱动机构连接至所述弹性件的另一端，用于驱动所述弹性件的另一端绕所述探针的中心轴线旋转；或者，

所述驱动机构连接于所述探针，用于驱动所述探针绕自身中心轴线旋转。

8.根据权利要求7所述的微扭矩测量装置，其特征在于，所述弹性件为弹性丝，所述弹性丝的另一端设置有定位机构；

在所述弹性丝的长度方向上，所述弹性丝与所述定位机构滑动配合；

在所述弹性丝的径向上，所述弹性丝与所述定位机构相抵接。

9.根据权利要求7所述的微扭矩测量装置，其特征在于，所述探针与所述支架之间设置有宝石轴承。

10.根据权利要求7所述的微扭矩测量装置，其特征在于，所述角度测量机构为非接触式角度测量装置。