CN110987293B

CN110987293B - 一种制动式固有频率法动态校准扭矩传感器的装置及校准方法

Info

Publication number: CN110987293B
Application number: CN201911285482.9A
Authority: CN
Inventors: 金冉; 陈伟; 黎安兵; 刘国富; 厉巍; 朱永晓; 张旺
Original assignee: Guizhou Aerospace Institute of Measuring and Testing Technology
Current assignee: Guizhou Aerospace Institute of Measuring and Testing Technology
Priority date: 2019-12-13
Filing date: 2019-12-13
Publication date: 2022-01-28
Anticipated expiration: 2039-12-13
Also published as: CN110987293A

Abstract

本发明公开了一种制动式固有频率法动态校准扭矩传感器的装置，包括机械校准装置和电气控制系统，所述机械校准装置包括地基、支撑架、伺服电机、离合器、连接轴、制动器、下耦合器、扭矩传感器、上耦合器、标准惯量盘、气浮轴承、玻璃圆光栅和光栅读数头；所述电气控制系统包括角度信号调理采集装置、扭矩测量仪、制动器控制装置、电机控制装置和计算机。本发明通过将光栅读数头测量的扭矩幅值曲线与扭矩测量仪测量的扭矩波形进行比对校准，与现有技术相比，本发明可以有效提高扭矩传感器的校准幅值。

Description

一种制动式固有频率法动态校准扭矩传感器的装置及校准方法

技术领域

本发明涉及一种制动式固有频率法动态校准扭矩传感器的装置及校准方法，属于扭矩传感器校准技术领域。

背景技术

扭矩传感器广泛应用于航空、航天、船舶、汽车、石油钻探等众多领域，在机械传动系统中，扭矩既是测算动力系统输出功率的重要参数，也是监测动力系统工作状态和健康状况的重要指标。由于动力系统在转动或摆动的过程中，传递的扭矩值是变化的，故扭矩传感器的动态参数是衡量其是否满足测量需求的重要参考标准，在测量动态扭矩参数的应用场合，动态扭矩应用前，对其动态参数进行校准，是保证测量参数准确可靠的重要保证。

到目前为止，动态扭矩参数的溯源仍是行业亟待解决的难题，国内外开展了大量相关研究工作，主要的测试方法包括负阶跃法、冲击法和正弦激励法。负阶跃法是利用砝码施加力矩，在数十微秒内撤掉力矩，并测量传感器的振动参数，以分析其固有频率和阻尼，目前国内可做到的技术指标为：幅值范围（0~5）Nm、频率范围（1~160Hz），随着频率的上升，幅值逐渐降低；冲击法是利用脉冲力对传感器进行激励，通过采集扭矩传感器的输出信号、力锤的输出信号和加速度传感器的输出信号，进行模态分析，得到扭矩传感器的固有频率和阻尼，目前国内可做到的技术指标为：幅值范围（0~5）Nm、脉宽不大于3ms；正弦激励法是利用激振器和动态力传感器，配合力臂对扭矩传感器进行正弦激励，测量扭矩传感器的阻尼和共振频率，目前国内可做到的技术指标为：幅值范围（10~100）Nm、时间常数不小于0.05ms。

另外，有相关计量机构采用比较法进行动态扭矩参数校准，即在施加动态扫频力矩下，比较标准扭矩传感器与被校扭矩传感器的输出值，所使用的标准扭矩传感器为国外采购的动态扭矩传感器，且频率和扭矩幅值范围有限。德国PTB在动态扭矩参数校准方面，采用的校准方法为利用力矩电机作为正弦力矩激励装置，配合摆锤和加速度测量装置，根据摆锤的转动惯量和加速度值，将扭矩传感器的输出值与计算值进行比较，技术指标为：幅值范围（0~20）Nm，频率范围（0~1000）Hz，随着频率的上升，幅值逐渐降低。

综上可知，现有技术对于扭矩传感器的校准幅值范围较为有限，不能对幅值范围较大的扭矩传感器进行校准。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种制动式固有频率法动态校准扭矩传感器的装置及校准方法，可以有效提高扭矩传感器的校准幅值，以克服现有技术的不足。

本发明的技术方案是：一种制动式固有频率法动态校准扭矩传感器的装置，包括机械校准装置和电气控制系统，所述机械校准装置包括：

支撑架；

伺服电机，固定于所述支撑架的底部，且所述伺服电机的输出轴竖直向上；

离合器，固定于所述支撑架上，所述伺服电机的输出轴与所述离合器的输入轴相连；

连接轴，所述离合器的输出轴与所述连接轴的下端相连；

制动器，固定于所述支撑架上，所述制动器的转子与所述连接轴刚性连接；

下耦合器，所述连接轴的上端与所述下耦合器的下端刚性连接；

扭矩传感器，所述下耦合器的上端与所述扭矩传感器的下端刚性连接；

上耦合器，所述扭矩传感器的上端与所述下耦合器的上端刚性连接；

标准惯量盘，所述上耦合器的上端与所述标准惯量盘的下端刚性连接；

气浮轴承，套于所述标准惯量盘上，并且所述气浮轴承固定安装在所述支撑架上；

玻璃圆光栅，安装在所述标准惯量盘上；

光栅读数头，固定于所述支撑架上，并且所述光栅读数头与所述玻璃圆光栅配套安装；

所述制动器、连接轴、下耦合器、扭矩传感器、上耦合器、气浮轴承、标准惯量盘和玻璃圆光栅的中轴线位于同一轴线上；

所述电气控制系统包括角度信号调理采集装置、扭矩测量仪、制动器控制装置、电机控制装置和计算机，所述光栅读数头的输出端与所述角度信号调理采集装置的输入端电气连接，所述角度信号调理采集装置的输出端与所述计算机的输入端电气连接，所述扭矩传感器的输出端与所述扭矩测量仪的输入端电气连接所述扭矩测量仪的输出端与所述计算机的输入端电气连接，所述制动器控制装置用于控制制动器的动作，所述制动器控制装置的信号输入端与所述计算机的输出端电气连接，所述电机控制装置用于控制伺服电机的动作，所述电机控制装置的信号输入端与所述计算机的输出端电气连接。

优选的，所述机械校准装置还包括：地基，所述地基呈凹形，所述支撑架的底部固定于所述地基的底部地面上。

优选的，所述支撑架还包括悬臂，所述悬臂固定于地基的侧面上。

优选的，所述上耦合器的直径为200mm、长度为140mm，材质为50CrVA。

优选的，所述下耦合器的直径为100mm、长度为20mm，材质为50CrVA。

优选的，所述连接轴的直径为100mm，长度为300mm，材质为50CrVA。

本发明还提供一种所述制动式固有频率法动态校准扭矩传感器的装置的校准方法，包括：

S1、初始状态下，所述机械校准装置中的各部件均静止，并且所述离合器中的传动部件处于耦合状态；

S2、开始校准前，对所述气浮轴承充气；

S3、所述计算机向所述电机控制装置发出转速指令，所述连接轴、下耦合器、扭矩传感器、上耦合器和标准惯量盘在所述伺服电机的带动下转速逐渐上升，所述电机控制装置监测到所述伺服电机的转速并将转速信息发送给计算机，在所述伺服电机转速上升到设定转速时，所述计算机向所述电机控制装置发送指令，使所述离合器的传动部件处于分离状态；

S4、所述计算机向所述制动器控制装置发送制动指令，所述制动器控制装置根据制动指令产生制动力矩，使所述连接轴开始减速并停止转动，在标准惯量盘的转速降为零后，由于扭矩传感器中存储的应变能，所述标准惯量盘开始以固定的频率左右震荡摆动，由于各部件的连接处存在阻尼，标准惯量盘的震荡角度幅值呈逐渐衰减的趋势，光栅读数头通过玻璃圆光栅将标准惯量盘的角度信号转换为TTL脉冲信号，并通过所述角度信号调理采集装置将采样数据发送至计算机，计算机对采样数据进行计算，得到标准惯量盘震荡阶段的角加速度波形，并计算角加速度波形的频率和幅值，将角加速度的幅值乘以标准惯量盘的惯量值，得到扭矩传感器在对应频率下的扭矩幅值曲线；

S5、在所述光栅读数头对所述标准惯量盘进行测量的同时，所述扭矩测量仪将所述扭矩传感器的产的扭矩波形信号输送给计算机；

S6、将扭矩幅值曲线与扭矩波形进行比对，完成单次校准；

S7、在完成单次校准后，静置机械校准装置，重复步骤S3至S6，通过改变计算机向所述制动器控制装置发出的制动指令，改变制动力矩幅值，在标准惯量盘震荡阶段，扭矩传感器受到的动态扭矩频率相同、幅值不同，完成扭矩传感器在相同频率、不同扭矩幅值条件下的动态扭矩校准；

S8、完成相同频率、不同幅值的动态扭矩校准后，先关闭气浮轴承的供气阀，再关闭断电源，更换不同惯量值的标准惯量盘，可改变标准惯量盘在震荡阶段的震荡频率，重复步骤S3至S6，可完成扭矩传感器在不同频率、不同扭矩幅值条件下的动态扭矩校准。

本发明的有益效果是：本发明提出一种制动式固有频率法动态校准扭矩传感器的装置和校准方法，实现对轴式扭矩传感器的动态扭矩参数进行校准，经试验，校准的技术指标为：幅值范围（10~250）Nm，频率范围（10~200）Hz，对于单个频率点，幅值范围可覆盖满量程的50%~100%，动态扭矩幅值测量不确定度为5.0%。

附图说明

图1为扭矩传感器校准装置结构图；

图2 为扭矩传感器校准流程图；

图3 为标准惯量盘的角速度变化曲线；

图4 为扭矩传感器校准的方法步骤；

图中：1-支撑架、2-伺服电机、3-离合器；4-制动器、5-连接轴、6-下耦合器、7-动态扭矩传感器、8-上耦合器、9-气浮轴承、10-标准惯量盘、11-玻璃圆光栅、12-光栅读数头、13-地基、14-角度信号调理采集装置、15-扭矩测量仪、16-制动器控制装置、17-电机控制装置、18-计算机。

具体实施方式

下面结合附图及具体的实施例对发明进行进一步介绍：

请参阅图1至图4，根据本发明实施例一种制动式固有频率法动态校准扭矩传感器的装置，包括机械校准装置和电气控制系统。

机械校准装置包括地基13、支撑架1、伺服电机2、离合器3、连接轴5、制动器4、下耦合器6、扭矩传感器7、上耦合器8、标准惯量盘10、气浮轴承9、玻璃圆光栅11和光栅读数头12。整个校准装置呈立式结构。

地基13，呈凹形，主要用于固定安装支撑架1。

支撑架1，竖向安装，主要用于固定安装伺服电机2、制动器4、气浮轴承9和光栅读数头12等零部件。支撑架1的底部固定于地基13的底部地面上，支撑架1的侧面设有悬臂，悬臂固定于地基13的侧面上，以提高支撑架1的稳定性。

伺服电机2，固定于支撑架1的底部，且伺服电机2的输出轴竖直向上，伺服电机2的基座安装在地基13地面或支撑架1上。

离合器3，固定于支撑架1上，伺服电机2的输出轴与离合器3的输入轴相连。

连接轴5，离合器3的输出轴与连接轴5的下端相连。在一个示例中，连接轴5的直径为100mm，长度为300mm，材质为50CrVA。

制动器4，固定于支撑架1上，制动器4的转子与连接轴5刚性连接，可通过制动器4实现对连接轴5的制动。

下耦合器6，连接轴5的上端与下耦合器6的下端刚性连接。在一个示例中，下耦合器6的直径为100mm、长度为20mm，材质为50CrVA。

扭矩传感器7，下耦合器6的上端与扭矩传感器7的下端刚性连接。

上耦合器8，扭矩传感器7的上端与下耦合器6的上端刚性连接。在一个示例中，上耦合器8的直径为200mm、长度为140mm，材质为50CrVA。

标准惯量盘10，上耦合器8的上端与标准惯量盘10的下端刚性连接。标准惯量盘10可以多种规格，例如惯量值分别为8.0kg·m²、2.0kg·m²、0.5 kg·m²、0.1 kg·m²，但不限于以上所列，可根据校准频率设计惯量盘的惯量值。

气浮轴承9，套于标准惯量盘10上，并且气浮轴承9固定安装在所述支撑架1上，气浮轴承9可通过充气装置及供气阀对其进行充气。气浮轴承9主要用于支撑标准惯量盘10。

玻璃圆光栅11，安装在标准惯量盘10上，以跟随标准惯量盘10转动测量其震荡角度幅值。

光栅读数头12，固定于支撑架1上，并且光栅读数头12与玻璃圆光栅11配套安装，通过光栅读数计可以测量玻璃圆光栅11的震荡角度幅值。

前述制动器4、连接轴5、下耦合器6、扭矩传感器7、上耦合器8、气浮轴承9、标准惯量盘10和玻璃圆光栅11的中轴线位于同一轴线上，以保证测量的准确性。

电气控制系统包括角度信号调理采集装置14、扭矩测量仪15、制动器控制装置16、电机控制装置17和计算机18，角度信号调理采集装置14用于对光栅读数头12采集的信号进行调理转接，扭矩测量仪15用于采集扭矩传感器7输出的信号，制动器控制装置16用于控制制动器4的动作，机控制装置用于控制伺服电机2的动作，由于角度信号调理采集装置14、扭矩测量仪15、制动器控制装置16和电机控制装置17均为现有技术，在此不再详述。

其中，光栅读数头12的输出端与角度信号调理采集装置14的输入端电气连接，角度信号调理采集装置14的输出端与计算机18的输入端电气连接，扭矩传感器7的输出端与扭矩测量仪15的输入端电气连接，扭矩测量仪15的输出端与计算机18的输入端电气连接，制动器控制装置16的信号输入端与计算机18的输出端电气连接，电机控制装置17的信号输入端与计算机18的输出端电气连接。

本发明实施例一种制动式固有频率法动态校准扭矩传感器的装置的校准方法，包括：

S1、初始状态下，机械校准装置中的各部件均静止，并且离合器3中的传动部件处于耦合状态。

S2、开始校准前，通过充气装置和供气阀对气浮轴承9充气。

S3、计算机18向电机控制装置17发出转速指令，连接轴5、下耦合器6、扭矩传感器7、上耦合器8和标准惯量盘10在伺服电机2的带动下转速逐渐上升，电机控制装置17监测到伺服电机2的转速并将转速信息发送给计算机18，在伺服电机2转速上升到设定转速时，计算机18向所述电机控制装置17发送指令，使离合器3的传动部件处于分离状态。

S4、计算机18向制动器控制装置16发送制动指令，制动器控制装置16根据制动指令产生制动力矩，制动器4产生的制动力矩与制动器控制装置16产生的激励电流大小成正比，连接轴5、下耦合器6、标准传感器、上耦合器8和标准惯量盘10受到制动力矩开始减速，在减速阶段标准惯量盘10的角加速度大小与受到的制动力矩成正比，当连接轴5的转速降为零后，连接轴5受到制动器4的静摩擦力矩停止转动，标准惯量盘10的转速降为零后，由于扭矩传感器7中存储的应变能，标准惯量盘10开始以固定的频率左右震荡摆动，由于各部件的连接处存在阻尼，标准惯量盘10的震荡角度幅值呈逐渐衰减的趋势，标准惯量盘10的角速度变化曲线如图3所示，光栅读数头12通过玻璃圆光栅11将标准惯量盘10的角度信号转换为TTL脉冲信号，角度信号调理采集装置14采集TTL脉冲信号并将采样数据发送至计算机18，计算机18对采样数据进行计算，得到标准惯量盘10震荡阶段的角加速度波形，并计算角加速度波形的频率和幅值，将角加速度的幅值乘以标准惯量盘10的惯量值，得到动态扭矩传感器7在对应频率下的扭矩幅值曲线。

S5、在光栅读数头12对标准惯量盘10进行测量的同时，扭矩测量仪15将扭矩传感器7的产生的扭矩波形信号输送给计算机18。

S6、将扭矩幅值曲线与扭矩波形进行比对，完成单次校准；

S7、在完成单次校准后，静置机械校准装置，例如10分钟，重复步骤S3至S6，通过改变计算机18向所述制动器控制装置16发出的制动指令，改变制动力矩幅值，在标准惯量盘10震荡阶段，扭矩传感器7受到的动态扭矩频率相同、幅值不同，完成扭矩传感器7在相同频率、不同扭矩幅值条件下的动态扭矩校准；

S8、完成相同频率、不同幅值的动态扭矩校准后，先关闭气浮轴承9的供气阀，再关闭断电源，更换不同惯量值的标准惯量盘10，可改变标准惯量盘10在震荡阶段的震荡频率，重复步骤S3至S6，可完成扭矩传感器7在不同频率、不同扭矩幅值条件下的动态扭矩校准。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种制动式固有频率法动态校准扭矩传感器的装置的校准方法，包括机械校准装置和电气控制系统，其特征在于，所述机械校准装置包括：

支撑架（1）；

伺服电机（2），固定于所述支撑架（1）的底部，且所述伺服电机（2）的输出轴竖直向上；

离合器（3），固定于所述支撑架（1）上，所述伺服电机（2）的输出轴与所述离合器（3）的输入轴相连；

连接轴（5），所述离合器（3）的输出轴与所述连接轴（5）的下端相连；

制动器（4），固定于所述支撑架（1）上，所述制动器（4）的转子与所述连接轴（5）刚性连接；

下耦合器（6），所述连接轴（5）的上端与所述下耦合器（6）的下端刚性连接；

扭矩传感器（7），所述下耦合器（6）的上端与所述扭矩传感器（7）的下端刚性连接；

上耦合器（8），所述扭矩传感器（7）的上端与所述下耦合器（6）的上端刚性连接；

标准惯量盘（10），所述上耦合器（8）的上端与所述标准惯量盘（10）的下端刚性连接；

气浮轴承（9），套于所述标准惯量盘（10）上，并且所述气浮轴承（9）固定安装在所述支撑架（1）上；

玻璃圆光栅（11），安装在所述标准惯量盘（10）上；

光栅读数头（12），固定于所述支撑架（1）上，并且所述光栅读数头（12）与所述玻璃圆光栅（11）配套安装；

所述制动器（4）、连接轴（5）、下耦合器（6）、扭矩传感器（7）、上耦合器（8）、气浮轴承（9）、标准惯量盘（10）和玻璃圆光栅（11）的中轴线位于同一轴线上；

所述电气控制系统包括角度信号调理采集装置（14）、扭矩测量仪（15）、制动器控制装置（16）、电机控制装置（17）和计算机（18），所述光栅读数头（12）的输出端与所述角度信号调理采集装置（14）的输入端电气连接，所述角度信号调理采集装置（14）的输出端与所述计算机（18）的输入端电气连接，所述扭矩传感器（7）的输出端与所述扭矩测量仪（15）的输入端电气连接所述扭矩测量仪（15）的输出端与所述计算机（18）的输入端电气连接，所述制动器控制装置（16）用于控制制动器（4）的动作，所述制动器控制装置（16）的信号输入端与所述计算机（18）的输出端电气连接，所述电机控制装置（17）用于控制伺服电机（2）的动作，所述电机控制装置（17）的信号输入端与所述计算机（18）的输出端电气连接；

所述校准方法包括以下步骤：

S1、初始状态下，所述机械校准装置中的各部件均静止，并且所述离合器（3）中的传动部件处于耦合状态；

S2、开始校准前，对所述气浮轴承（9）充气；

S3、所述计算机（18）向所述电机控制装置（17）发出转速指令，所述连接轴（5）、下耦合器（6）、扭矩传感器（7）、上耦合器（8）和标准惯量盘（10）在所述伺服电机（2）的带动下转速逐渐上升，所述电机控制装置（17）监测到所述伺服电机（2）的转速并将转速信息发送给计算机（18），在所述伺服电机转速上升到设定转速时，所述计算机（18）向所述电机控制装置（17）发送指令，使所述离合器（3）的传动部件处于分离状态；

S4、所述计算机（18）向所述制动器控制装置（16）发送制动指令，所述制动器控制装置（16）根据制动指令产生制动力矩，使所述连接轴（5）开始减速并停止转动，在标准惯量盘（10）的转速降为零后，由于扭矩传感器（7）中存储的应变能，所述标准惯量盘（10）开始以固定的频率左右震荡摆动，由于各部件的连接处存在阻尼，标准惯量盘（10）的震荡角度幅值呈逐渐衰减的趋势，光栅读数头（12）通过玻璃圆光栅（11）将标准惯量盘（10）的角度信号转换为TTL脉冲信号，并通过所述角度信号调理采集装置（14）将采样数据发送至计算机（18），计算机（18）对采样数据进行计算，得到标准惯量盘（10）震荡阶段的角加速度波形，并计算角加速度波形的频率和幅值，将角加速度的幅值乘以标准惯量盘（10）的惯量值，得到扭矩传感器（7）在对应频率下的扭矩幅值曲线；

S5、在所述光栅读数头（12）对所述标准惯量盘（10）进行测量的同时，所述扭矩测量仪将所述扭矩传感器（7）产生的扭矩波形信号输送给计算机（18）；

S6、将扭矩幅值曲线与扭矩波形进行比对，完成单次校准；

S7、在完成单次校准后，静置机械校准装置，重复步骤S3至S6，通过改变计算机（18）向所述制动器控制装置（16）发出的制动指令，改变制动力矩幅值，在标准惯量盘（10）震荡阶段，扭矩传感器（7）受到的动态扭矩频率相同、幅值不同，完成扭矩传感器（7）在相同频率、不同扭矩幅值条件下的动态扭矩校准；

S8、完成相同频率、不同幅值的动态扭矩校准后，先关闭气浮轴承（9）的供气阀，再关闭断电源，更换不同惯量值的标准惯量盘（10），可改变标准惯量盘（10）在震荡阶段的震荡频率，重复步骤S3至S6，可完成扭矩传感器（7）在不同频率、不同扭矩幅值条件下的动态扭矩校准。

2.根据权利要求1所述的制动式固有频率法动态校准扭矩传感器的装置的校准方法，其特征在于，所述机械校准装置还包括：

地基（13），所述地基（13）呈凹形，所述支撑架（1）的底部固定于所述地基（13）的底部地面上。

3.根据权利要求1所述的制动式固有频率法动态校准扭矩传感器的装置的校准方法，其特征在于，所述支撑架（1）还包括悬臂，所述悬臂固定于地基（13）的侧面上。

4.根据权利要求1所述的制动式固有频率法动态校准扭矩传感器的装置的校准方法，其特征在于，所述上耦合器（8）的直径为200mm、长度为140mm，材质为50CrVA。

5.根据权利要求1所述的制动式固有频率法动态校准扭矩传感器的装置的校准方法，其特征在于，所述下耦合器（6）的直径为100mm、长度为20mm，材质为50CrVA。

6.根据权利要求1所述的制动式固有频率法动态校准扭矩传感器的装置的校准方法，其特征在于，所述连接轴（5）的直径为100mm，长度为300mm，材质为50CrVA。