CN107290085B - 基于弹性吊承的微小扭矩校准测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于弹性吊承的微小扭矩校准测量装置，标准扭矩梁两侧对称安装左、右砝码盘，弹性吊承的上端与基座固定连接，下端与标准扭矩梁固定连接，弹性吊承与标准扭矩梁的中心轴线重合；标准扭矩梁的下面设有差动位移传感器，标准扭矩梁的一侧安装电磁力矩器，当有扭矩载荷时，标准扭矩梁随同弹性吊承一起绕旋转中心“O”转动，所述差动位移传感器将测量出的由扭矩载荷引起的差动位移传感器的差动片与差动位移传感器的相对位移变化，经测量电路处理后传送给电磁力矩器，用于控制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、高精度差动变压器式位移传感器、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

基于弹性吊承的微小扭矩校准测量装置
技术领域
本发明涉及一种微小扭矩校准测量装置，特别涉及一种基于弹性吊承的微小扭矩校准测量装置，属于微小扭矩校准测量技术领域。
背景技术
支承作为静重式扭矩标准装置的关键部件，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。刀口支承由于刀刃、刀承是分体的形式，无法保证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，会对扭矩校准装置的灵敏度尤其是微小扭矩校准测量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，其关键特点就是利用气膜支撑负荷或减少摩擦，从而大幅的降低摩擦力。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，不适于微小扭矩校准测量装置高灵敏度、高稳定性的要求。
扭矩标准装置无论采用刀口支承、气体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，不适合于微小量程扭矩标准装置对高灵敏度和高分辨力的需求。
发明内容
本发明是针对惯导系统电磁元件对微小扭矩校准测量高灵敏度、高分辨力、高稳定性的需求，提出一种基于弹性吊承的微小扭矩校准测量装置，通过弹性吊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：一种基于弹性吊承的微小扭矩校准测量装置，具有一个用于扭矩加载校准的标准扭矩梁，所述标准扭矩梁的两侧通过薄钢带对称安装左、右砝码盘，用于砝码的加挂，所述标准扭矩梁中间通过弹性吊承连接基座，所述弹性吊承的上端与基座固定连接，下端与标准扭矩梁固定连接，且弹性吊承的旋转中心线与标准扭矩梁的旋转中心轴线重合；当有扭矩加载时，标准扭矩梁随同弹性吊承一起绕旋转中心“O”转动，所述标准扭矩梁的下面设有安装在基座上的差动位移传感器，标准扭矩梁的一侧安装电磁力矩器，所述差动位移传感器通过测控电路连接电磁力矩器；当有扭矩载荷时，所述差动位移传感器将测量出的由扭矩载荷引起的差动位移传感器的差动片与差动位移传感器的相对位移变化，经测量电路处理后传送给电磁力矩器，用于控制电磁力矩器产生电磁力拉平标准扭矩梁。
进一步，所述弹性吊承由前、后“X”型弹性片组成，两个“X”型弹性片的旋转中心线重合并与标准扭矩梁的旋转中心线重合。
进一步，所述弹性吊承由铍青铜制作。
进一步，所述差动位移传感器是量程范围为5mm、分辨率为1um的高精度电感式差动位移传感器。
本发明的有益效果在于：本发明的基于弹性吊承的微小扭矩校准测量装置，不同于传统的扭矩标准装置采用刀口支承、气体轴承作为装置的旋转支承部件，而是采用弹性吊承作为装置的旋转支承部件，兼顾了微小扭矩校准测量装置对高灵敏度和高稳定性的要求。本发明同时通过电磁力平衡系统、高精度差动变压器式位移传感器、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。
与现有技术相比，弹性吊承具有与标准力臂无相对运动、无摩擦、高灵敏度的优点，因而适于微小扭矩标准装置对高灵敏度、高分辨力、高稳定性的综合性要求。
附图说明
图1是本发明的测量原理示意图；
图2是本发明的基于弹性吊承的微小扭矩校准测量装置的示意图；
图3是图2中的A向局部视图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
本发明的测量原理，如图1所示，如果重量不等的砝码W1和W2被放在左、右砝码盘4，7上，标准扭矩梁3和弹性吊承5将偏转，与标准扭矩梁3固连的位移传感器的差动片9偏转，引起的差动片9位移变化经差动位移传感器10变换为电信号，信号经测控电路放大后以电流I的形式送给电磁力矩器6。电磁力矩器6按照电磁力理论产生电磁力矩，完全和输入的被测扭矩平衡。装置使用前通过加载标准砝码对电磁力矩器6产生的电磁力进行校准，建立标准扭矩和电磁力的唯一对应关系。在此基础上，利用电磁力对惯导系统电磁元件产生的微小扭矩进行自动测量。
被测件的微小扭矩
Figure BDA0001380576330000031
式中，M-惯导系统电磁元件产生的微小扭矩，F-电磁力矩器产生的电磁力，L-标准扭矩梁力臂长度，I-电磁力矩器的驱动电流，l-电磁力矩器线圈长度，U-采集电压，R-采样电阻值。
在此原理指导下，图2，3给出了一种基于弹性吊承的微小扭矩校准测量装置，包括弹性吊承5、标准扭矩梁3、左、右砝码盘4、7、差动位移传感器10、测控电路8、电磁力矩器6等。
弹性吊承5的上端与基座固定连接，下端与标准扭矩梁3固定连接；弹性吊承5的两个“X”型弹性片的旋转中心线重合并与标准扭矩梁3的旋转中心轴线重合；左、右砝码盘4、7通过薄钢带分别安装在标准扭矩梁3的两侧，对称安装，实现砝码的加挂；差动位移传感器10与基座固连，差动位移传感器10的差动片9通过连接杆与标准扭矩梁3固连。有扭矩加载时，标准扭矩梁3随同弹性吊承一起绕旋转中心“O”转动；与标准扭矩梁3固连的差动片9偏转，由于差动片9与传差动位移传感器10的相对位移变化引起差动位移传感器10输出与相对位移成线性关系的电信号，测控电路8把测得的电信号经过放大处理后送给电磁力矩器6作为电磁力矩器6的控制信号；电磁力矩器6受到电磁力的作用而上下运动，实现对标准扭矩梁3的拉平。差动位移传感器10的输出电信号连接到测控电路8上；测控电路8对差动位移传感器10输出的电信号进行功率放大、驱动电磁力矩器6动作；电磁力矩器6输出的电信号通过测控电路采集、存储、显示。
在没有扭矩加载的情况下，差动位移传感器10的差动片9相对于差动位移传感器10没有发生相对位移，输出电信号为零，对应系统测试零位；工作时弹性吊承5在扭矩载荷作用下发生弯曲变形，带动标准扭矩梁3发生偏转，引起差动位移传感器的差动片9与差动位移传感器10相对位移发生变化；在顺时针扭矩加载或逆时针扭矩加载作用下，差动位移传感器10输出与位移成比例关系的电压信号，该信号作为测控电路的输入信号，经过信号放大、功率放大电路对电磁力矩器6进行控制，测量电路8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。
弹性吊承5由前、后“X”型弹性片1，2组成，弹性吊承5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。为了提高装置的灵敏度，采用如图2，3所示的弹性吊承，形状上采用“X”型的结构，旋转中心O处的细颈厚度t很薄，达到μm级。该结构的弹性吊承5采用铍青铜制作，由于细颈t的特点可以达到很高的灵敏度，并具有一定的抗拉能力。差动位移传感器10采用量程范围为5mm，分辨率可达1um的高精度电感式位移传感器。它具有非接触、无磨损的能力，采用模拟信号输出，便于控制测量电路对电信号进行输出、控制。

Claims (2)

1.一种基于弹性吊承的微小扭矩校准测量装置，具有一个用于扭矩加载校准的标准扭矩梁(3)，所述标准扭矩梁(3)的两侧通过薄钢带对称安装左、右砝码盘(4、7)，用于砝码的加挂，其特征在于：所述标准扭矩梁(3)中间通过弹性吊承(5)连接基座，所述弹性吊承(5)的上端与基座固定连接，下端与标准扭矩梁(3)固定连接，且弹性吊承(5)的旋转中心线与标准扭矩梁(3)的旋转中心轴线重合；所述弹性吊承(5)由前、后“X”型弹性片(1，2)组成，两个“X”型弹性片的旋转中心线重合并与标准扭矩梁(3)的旋转中心线重合；当有扭矩加载时，标准扭矩梁(3)随同弹性吊承(5)一起绕旋转中心“O”转动，所述标准扭矩梁(3)的下面设有安装在基座上的差动位移传感器(10)，标准扭矩梁(3)的一侧安装电磁力矩器(6)，所述差动位移传感器(10)通过测控电路(8)连接电磁力矩器(6)；当有扭矩载荷时，所述差动位移传感器(10)将测量出的由扭矩载荷引起的差动位移传感器的差动片(9)与差动位移传感器(10)的相对位移变化，经测量电路(8)处理后传送给电磁力矩器(6)，用于控制电磁力矩器(6)产生电磁力拉平标准扭矩梁(3)；所述差动位移传感器(10)是量程范围为5mm、分辨率为1um的高精度电感式差动位移传感器。
2.根据权利要求1所述基于弹性吊承的微小扭矩校准测量装置，其特征在于：所述弹性吊承(5)由铍青铜制作。
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