CN115901081A - 一种正弦扭矩校准装置及方法 - Google Patents

一种正弦扭矩校准装置及方法 Download PDF

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CN115901081A CN202210927754.6A CN202210927754A CN115901081A CN 115901081 A CN115901081 A CN 115901081A CN 202210927754 A CN202210927754 A CN 202210927754A CN 115901081 A CN115901081 A CN 115901081A
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Abstract

本发明公开了一种正弦扭矩校准装置及方法，所述正弦扭矩校准装置包括电磁动态激励源、激励源安装座、激励源安装地基、第一联轴器、被校扭矩传感器、第二联轴器、第二光栅、气浮轴系外套、标准转动惯量块、第一光栅、气浮轴系安装座、气浮轴系安装地基，第二光栅用于测量第二联轴器和被校扭矩传感器的角加速度，第一光栅用于测量标准转动惯量块的顶部角加速度，标准转动惯量块为不锈钢圆柱体，气浮轴系外套为圆筒形结构，标准转动惯量块从气浮轴系外套内穿过，在气浮轴系外套内悬浮，标准转动惯量块与气浮轴系外套构成气浮轴系。本发明能够提高系统的固有频率，可以产生宽频正弦扭矩，并且使正弦扭矩的溯源途径更加简单，量值更加准确。

Description

一种正弦扭矩校准装置及方法
技术领域
本发明涉及一种正弦扭矩校准装置及方法，属于计量测试领域。
背景技术
航空、航天、船舶、海洋工程、材料科学、机器人等领域大量使用动态扭矩测试系统，需要进行动态校准，正弦扭矩校准装置是重要的校准手段。正弦扭矩校准的基本原理是正弦扭矩值等于转动惯量与角加速度之积。由于产生转动惯量的机械结构不可能是理想的刚体，需要考虑其内部的角加速度分布对正弦扭矩值的影响。专利文献CN112539874A公开了一种动态扭矩校准装置及校准方法，CN112683443A公开了一种气浮型动态扭矩校准装置及校准方法。现有的正弦扭矩校准装置存在两个问题：一是系统环节多、机械结构复杂，导致装置的固有频率较低，可校准频率范围较窄，一般在100Hz以内；二是校准装置的转动惯量负荷包括气浮轴系运动部分和标准转动惯量块，由于它们的机械结构形状不规则，导致角加速度分布较复杂，难于通过理论公式直接计算，校准的准确度低，一般为1%。
发明内容
本发明的目的是提供一种正弦扭矩校准装置及方法，能够解决现有的正弦扭矩校准装置校准频率范围窄、准确度低的问题。
本发明的一个方面提供一种正弦扭矩校准装置，包括电磁动态激励源、激励源安装座、激励源安装地基、第一联轴器、被校扭矩传感器、第二联轴器、第二光栅、气浮轴系外套、标准转动惯量块、第一光栅、气浮轴系安装座、气浮轴系安装地基；
所述电磁动态激励源固定在所述激励源安装座上，所述激励源安装座固定在所述激励源安装地基上，所述电磁动态激励源经由所述第一联轴器与所述被校扭矩传感器连接，所述被校扭矩传感器经由所述第二联轴器与所述标准转动惯量块的一端连接，所述第二光栅设置于所述第二联轴器的中间部分并且位于所述第二联轴器与所述被校扭矩传感器之间，用于测量所述第二联轴器和所述被校扭矩传感器的角加速度，所述第一光栅设置于所述标准转动惯量块的另一端，用于测量所述标准转动惯量块的顶部角加速度；
所述标准转动惯量块为不锈钢圆柱体，所述气浮轴系外套为圆筒形结构，所述标准转动惯量块从所述气浮轴系外套内穿过，在所述气浮轴系外套内悬浮，所述标准转动惯量块与所述气浮轴系外套构成气浮轴系，所述标准转动惯量块是所述气浮轴系的运动部分，所述气浮轴系外套固定在所述气浮轴系安装座上，所述气浮轴系安装座固定在所述气浮轴系安装地基上。
优选地，所述气浮轴系外套的内部开设有多个朝向内侧的通气孔，所述通气孔内接通有规定压力的气体，使得所述标准转动惯量块在所述气浮轴系外套内悬浮，与所述气浮轴系外套不接触。
本发明的另一个方面提供一种正弦扭矩校准方法，利用上述的正弦扭矩校准装置进行正弦扭矩校准，包括：
步骤S1：所述电磁动态激励源驱动由所述第二联轴器、所述第二光栅、所述第一光栅、所述标准转动惯量块构成的转动惯量载荷产生正弦扭矩，测量所述被校扭矩传感器输出的电信号；
步骤S2：利用所述第二光栅测量所述第二联轴器和所述被校扭矩传感器的角加速度，利用所述第一光栅测量所述标准转动惯量块的顶部角加速度，如下计算施加在所述被校扭矩传感器上的动态扭矩量值：
Figure 174099DEST_PATH_IMAGE001
其中，t表示时刻；
Figure 28923DEST_PATH_IMAGE002
表示t时刻施加于被校扭矩传感器的正弦扭矩量值；
Figure 730031DEST_PATH_IMAGE003
表示第二联轴器与第二光栅的转动惯量；
Figure 531765DEST_PATH_IMAGE004
表示标准转动惯量块与第一光栅的转动惯量；
Figure 877296DEST_PATH_IMAGE005
表示被校扭矩传感器的等效转动惯量；
Figure 355551DEST_PATH_IMAGE006
表示t时刻第二联轴器的角加速度；
Figure 153742DEST_PATH_IMAGE007
表示t时刻标准转动惯量块上的等效角加速度；
步骤S3：通过比较步骤S2中计算的动态扭矩量值与步骤S1中测量的所述被校扭矩传感器输出的电信号，得到所述被校扭矩传感器的动态特性。
优选地，如下计算所述标准转动惯量块上的等效角加速度
Figure 759167DEST_PATH_IMAGE007
：
Figure 959204DEST_PATH_IMAGE008
其中：
Figure 876869DEST_PATH_IMAGE009
表示标准转动惯量块的顶部角加速度；
Figure 162357DEST_PATH_IMAGE010
表示标准转动惯量块的角振动频率;
Figure 571473DEST_PATH_IMAGE011
表示标准转动惯量块的密度;
Figure 750650DEST_PATH_IMAGE012
表示标准转动惯量块的剪切弹性模量;
Figure 446074DEST_PATH_IMAGE013
表示标准转动惯量块的长度。
优选地，所述第二联轴器与第二光栅的转动惯量
Figure 359803DEST_PATH_IMAGE003
以及所述转动惯量标准块与第一光栅的转动惯量
Figure 900506DEST_PATH_IMAGE004
通过转动惯量测量装置测量得到。
优选地，如下计算被校扭矩传感器的灵敏度
Figure 75135DEST_PATH_IMAGE014
：
Figure 66094DEST_PATH_IMAGE015
其中：
Figure 60595DEST_PATH_IMAGE016
表示t时刻所述被校扭矩传感器的输出电压，从步骤S1中测量的所述被校扭矩传感器输出的电信号获得。
优选地，如下计算所述被校扭矩传感器的等效转动惯量
Figure 545934DEST_PATH_IMAGE005
：
使用已知量值的第一个转动惯量标准块，获得被校扭矩传感器的第一个输出电压
Figure 575070DEST_PATH_IMAGE017
和第一个等效角加速度
Figure 2509DEST_PATH_IMAGE018
以及第一个第二联轴器的角加速度
Figure 484306DEST_PATH_IMAGE019
；
将第一个转动惯量标准块更换成量值不同的第二个转动惯量标准块，获得被校扭矩传感器的第二个输出电压
Figure 773336DEST_PATH_IMAGE020
和第二个等效角加速度
Figure 391399DEST_PATH_IMAGE021
以及第二个第二联轴器的角加速度
Figure 269967DEST_PATH_IMAGE022
；
通过下式计算被校扭矩传感器的等效转动惯量
Figure 239060DEST_PATH_IMAGE005
：
Figure 66202DEST_PATH_IMAGE023
。
优选地，步骤S1中输出的电信号经过信号放大器放大后由数据采集模块采集，经处理后获得被校扭矩传感器的输出电压
Figure 335509DEST_PATH_IMAGE016
。
优选地，在步骤S3中，如下计算扭矩传感器的灵敏度
Figure 104751DEST_PATH_IMAGE014
和相移
Figure 295561DEST_PATH_IMAGE024
作为被校扭矩传感器的动态特性：
Figure 926394DEST_PATH_IMAGE025
Figure 519049DEST_PATH_IMAGE026
其中，
Figure 459192DEST_PATH_IMAGE027
和
Figure 668456DEST_PATH_IMAGE028
分别为步骤S2中计算的动态扭矩量值的幅值和相位，
Figure 102980DEST_PATH_IMAGE029
和
Figure 815721DEST_PATH_IMAGE030
分别为步骤S1中测量的所述被校扭矩传感器输出的电信号的幅值和相位。
优选地，在步骤S1中，利用任意波发生模块对所述电磁动态激励源进行控制，使所述电磁动态激励源按照所需的正弦扭矩波形产生旋转运动。
本发明上述方面的弦扭矩校准装置及方法能够提高系统的固有频率，可以产生宽频正弦扭矩，并且使正弦扭矩的溯源途径更加简单，量值更加准确。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对本发明实施方式的描述中所使用的附图作简单的介绍，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是本发明一个实施方式的正弦扭矩校准装置的结构示意图；
图2是本发明一个实施方式的正弦扭矩测控系统的结构示意图；
图3是本发明一个实施方式的正弦扭矩校准方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
本发明的一个实施方式提供一种正弦扭矩校准装置。图1是本发明一个实施方式的正弦扭矩校准装置的结构示意图。如图1所示，本发明实施方式的正弦扭矩校准装置包括左侧结构和右侧结构。所述左侧结构包括电磁动态激励源3、激励源安装座1、激励源安装地基2、第一联轴器4。所述右侧结构包括被校扭矩传感器5、第二联轴器7、第二光栅6、气浮轴系外套8、标准转动惯量块9、第一光栅10、气浮轴系安装座11、气浮轴系安装地基12。
电磁动态激励源3固定在激励源安装座1上，激励源安装座1固定在激励源安装地基2上，电磁动态激励源3经由第一联轴器4与被校扭矩传感器5连接，第一联轴器4将被校扭矩传感器5与电磁动态激励源3牢固地连接。被校扭矩传感器5经由第二联轴器7与标准转动惯量块9的一端连接，第二光栅6设置于第二联轴器7的中部（中间部分）并且位于第二联轴器7与被校扭矩传感器5之间，用于测量第二联轴器7和被校扭矩传感器5的角加速度。第一光栅10设置于标准转动惯量块9的另一端（顶端），用于测量标准转动惯量块9的顶部角加速度，进而如后所述可以通过公式计算出标准转动惯量块9的角加速度分布并获得其等效角加速度。第一光栅10和第二光栅6可以为带状光栅。
标准转动惯量块9为精加工的无磁不锈钢圆柱体，气浮轴系外套8为圆筒形结构，标准转动惯量块9从气浮轴系外套8内穿过，在气浮轴系外套8内悬浮，标准转动惯量块9与气浮轴系外套8构成气浮轴系，标准转动惯量块9是所述气浮轴系的运动部分；所述气浮轴系外套固定在气浮轴系安装座11上，气浮轴系安装座11固定在气浮轴系安装地基12上。
气浮轴系外套8为圆筒形结构，其内部设置有气道并开设有一系列朝向内侧的通气孔，当通气孔接通具有规定压力的气体时，标准转动惯量块9在气浮轴系外套8内悬浮，与气浮轴系外套8不接触。
图1所示的本实施方式的正弦扭矩校准装置工作过程如下：向气浮轴系外套8供气，使标准转动惯量块9处于浮起状态，向右移动标准转动惯量块9，使用第一联轴器4将电磁动态激励源3与被校扭矩传感器5牢固连接，使用第二联轴器7将被校扭矩传感器5与标准转动惯量块9牢固连接。第二光栅6、第二联轴器7、标准转动惯量块9、第一光栅10形成转动惯量载荷，它们的转动惯量都可以进行准确测量。标准转动惯量块9与第一光栅10安装在一起，其转动惯量值远大于第二联轴器7和第二光栅6的转动惯量。当电磁动态激励源3运动时，其右侧的运动部件随之运动。如后所述，通过测量安装在被校扭矩传感器5右侧运动部件的转动惯量之和以及运动时的角加速度分布，计算获得扭矩量值。
本发明的正弦扭矩控制系统采用电磁动态激励源3驱动标准转动惯量块9的方式产生动态扭矩。如图1所示，采用电磁动态激励源3作为扭矩发生器，电磁动态激励源3带动第一联轴器4、被校扭矩传感器5、第二联轴器7、转动惯量标准块9、第一光栅10、第二光栅6一起运动。为产生高品质的扭矩波形，可以采用闭环控制方式对电磁动态激励源3进行控制。
标准转动惯量块9（含第一光栅10）的转动惯量以及连接标准转动惯量块9和被校扭矩传感器5之间的第二联轴器7（含第二光栅6）的转动惯量可以通过转动惯量测量装置精确测量。电磁动态激励源3可采用分体式永磁力矩电机或特制电磁角运动激励源作为扭矩发生器。标准转动惯量块9和气浮轴系外套8构成气浮轴系，用于减小被校扭矩传感器5右侧的惯量载荷的回转误差，提高正弦扭矩校准装置的固有频率，采用气浮轴系也极大地降低了摩擦阻力矩对正弦扭矩测量准确度的影响。为了减少系统振动的影响，电磁动态激励源3和气浮轴系安装在不同的地基上。电磁动态激励源3通过激励源安装座1固定在激励源安装地基2上。由标准转动惯量块9与气浮轴系外套8构成的气浮轴系通过气浮轴系安装座11固定在气浮轴系安装地基12上。
本发明实施方式的正弦扭矩校准装置的典型技术指标可以如下表1所示。
表1 正弦扭矩校准装置的幅值和频率范围
Figure 661186DEST_PATH_IMAGE031
如上所述，本发明实施方式的正弦扭矩校准装置采用电磁式动态扭矩激励源，通过闭环控制可以获得高品质的正弦扭矩波形。采用一块精加工的圆柱形不锈钢结构同时作为标准转动惯量块和气浮轴系的转动部分，简化了正弦扭矩校准装置的机械结构，提高了系统的固有频率。扭矩传感器感受的99%以上的正弦扭矩负荷由圆柱形不锈钢结构产生。在圆柱形结构顶端安装带状光栅，可以与激光干涉仪配合测量角加速度，已知其顶端的角加速度后圆柱形结构其它各点的角加速度分布可以通过理论公式准确计算。在第二联轴器上安装带状光栅，可以与激光干涉仪配合测量角加速度，作为第二联轴器和被校扭矩传感器的角加速度。通过转动惯量和角加速度分布将正弦扭矩量溯源到国际单位制（SI），可以建立正弦扭矩原级计量标准。
本发明的另一个实施方式提供一种正弦扭矩校准方法，利用上述的正弦扭矩校准装置进行正弦扭矩校准。在一个实施例中，本发明实施方式的正弦扭矩校准方法可以利用图2所示的正弦扭矩测控系统实施。该正弦扭矩测控系统是基于PXI总线计算机的系统，包括：PXI总线；与PXI总线连接的任意波发生模块、计算机模块、数据采集模块、高速采集模块、控制模块；以及连接任意波发生模块与电磁动态激励源3的激励源控制系统、连接数据采集模块与被校扭矩传感器5的信号放大器、连接高速采集模块与第二光栅6的第二激光干涉仪、连接高速采集模块与第一光栅10的第一激光干涉仪、连接控制模块与气浮轴系外套8的气源系统。
计算机模块是正弦扭矩测控系统的核心，用于运行软件和数据存储。任意波发生模块可以将数字信号通过16位D/A转换为模拟信号，用于通过激励源控制系统对电磁动态激励源3进行控制，产生所需要激励的正弦扭矩波形，使电磁动态激励源3按照所需的正弦扭矩波形产生旋转运动。控制模块用于气源系统的控制，气源系统向气浮轴系外套8供给一定压力的气体时，使得标准转动惯量块9在气浮轴系外套8内悬浮。
第一激光干涉仪和第二激光干涉仪分别与第一光栅10和第二光栅6配合进行角加速度等参数的测量，具体测量过程可以如下：将激光干涉仪安装在隔振平台上，使激光干涉仪与光栅位于同一水平面，调整入射角使其和一级衍射光角度相同，使得激光干涉仪的入射和反射光重合，激光干涉仪接收反射光，反射光与参考光干涉，通过光电转换，输出电信号。
高速采集模块同步采集第一激光干涉仪和第二激光干涉仪输出的电信号，经处理获得光栅上激光入射点处的角加速度值。高速采集模块例如具有两个同步采集的12位A/D，每个通道的采样频率为100MHz。被校扭矩传感器5输出的电信号经过信号放大器放大后由数据采集模块采集。高速采集模块和数据采集模块通过PXI总线控制实现同步采集。
图3是本发明一个实施方式的正弦扭矩校准方法的流程图。如图3所示，本发明实施方式的正弦扭矩校准方法包括步骤S1-S3。
在步骤S1中，电磁动态激励源3驱动由第二联轴器7、第二光栅6、第一光栅10、标准转动惯量块9构成的转动惯量载荷产生正弦扭矩，测量被校扭矩传感器5输出的电信号。
在该步骤中，正弦扭矩校准装置采用电磁动态激励源3驱动转动惯量载荷产生扭矩，按照所需要激励的正弦扭矩频率及幅值产生旋转运动，被校扭矩传感器5受所产生的扭矩量，输出电信号。
在步骤S2中，利用第二光栅6测量第二联轴器7和被校扭矩传感器5的角加速度，利用第一光栅10测量标准转动惯量块9的顶部角加速度，按照如下公式（1）计算施加在被校扭矩传感器5上的正弦扭矩量值
Figure 233113DEST_PATH_IMAGE002
：
Figure 64803DEST_PATH_IMAGE032
（1）
式中： t-时刻；
Figure 916926DEST_PATH_IMAGE002
-t时刻施加在被校扭矩传感器5的正弦扭矩量值，单位N·m；
Figure 835203DEST_PATH_IMAGE003
—第二联轴器7的转动惯量（含第二光栅6），单位kgm2；
Figure 611529DEST_PATH_IMAGE004
—标准转动惯量块的转动惯量（含第一光栅10），单位kgm2；
Figure 767704DEST_PATH_IMAGE005
—被校扭矩传感器的等效转动惯量，单位kgm2；
Figure 220551DEST_PATH_IMAGE006
—t时刻第二联轴器7的角加速度，单位rad·s-2；
Figure 94966DEST_PATH_IMAGE007
—t时刻标准转动惯量块上的等效角加速度，rad·s-2。
在图2所示的实施例中，第二激光干涉仪与第二光栅6配合，测量得到第二联轴器7的角加速度
Figure 799617DEST_PATH_IMAGE006
，第一激光干涉仪与第一光栅10配合，测量得到标准转动惯量块9的顶部角加速度
Figure 216823DEST_PATH_IMAGE009
。
Figure 715937DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 467861DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 710624DEST_PATH_IMAGE009
均为时刻t的函数。
在一个实施例中，表示标准转动惯量块9上角加速度分布的等效角加速度
Figure 982336DEST_PATH_IMAGE007
可以按照通过力学分析获得的以下公式（2）计算。
Figure 652352DEST_PATH_IMAGE034
（2）
式中：
Figure 891573DEST_PATH_IMAGE009
-标准转动惯量块9的顶部角加速度，单位rad·s-2；
Figure 672447DEST_PATH_IMAGE010
—标准转动惯量块的角振动频率,可以由第一光栅10测量得到，单位rad/s;
Figure 64245DEST_PATH_IMAGE011
—标准转动惯量块9的密度，单位kg/m3;
Figure 639583DEST_PATH_IMAGE012
—标准转动惯量块9的剪切弹性模量，单位GPa;
Figure 369029DEST_PATH_IMAGE013
—标准转动惯量块9的长度，单位m。
在一个实施例中，上述公式（1）中的
Figure 953594DEST_PATH_IMAGE003
为第二联轴器7（含第二光栅6）的转动惯量，
Figure 58953DEST_PATH_IMAGE004
为标准块的转动惯量（含第一光栅10），上述两个转动惯量值可以通过转动惯量测量装置测量得到。
在步骤S2中计算得到正弦扭矩量值
Figure 946138DEST_PATH_IMAGE002
后，被校扭矩传感器的灵敏度
Figure 769737DEST_PATH_IMAGE014
可以按照以下公式（3）计算：
Figure 17048DEST_PATH_IMAGE035
（3）
其中：
Figure 242493DEST_PATH_IMAGE016
表示t时刻被校扭矩传感器5的输出电压，从步骤S1中测量的被校扭矩传感器5输出的电信号获得。在图2所示的实施例中，步骤S1中输出的电信号经过信号放大器放大后由数据采集模块采集，经处理后获得扭矩传感器的输出电压
Figure 300579DEST_PATH_IMAGE016
。
利用该灵敏度公式，可以计算上述公式（1）中的
Figure 877054DEST_PATH_IMAGE005
。
Figure 928055DEST_PATH_IMAGE005
为被校扭矩传感器5的等效转动惯量，它是被校扭矩传感器5自身结构的转动惯量，它在正弦扭矩校准中也产生扭矩作用于敏感元件上。
Figure 742427DEST_PATH_IMAGE005
可以通过使用两个不同量值的标准转动惯量块9并进行两次测量来计算。首先选定某个已知量值的第一个转动惯量标准块
Figure 361627DEST_PATH_IMAGE036
进行校准，获得被校扭矩传感器的第一个输出电压
Figure 35185DEST_PATH_IMAGE037
和第一个等效角加速度
Figure 765244DEST_PATH_IMAGE018
以及第一个第二联轴器7的角加速度
Figure 824336DEST_PATH_IMAGE019
；将第一个转动惯量标准块卸掉，更换成另一量值不同的第二个转动惯量标准块
Figure 348858DEST_PATH_IMAGE038
，进行校准，获得被校扭矩传感器的第二个输出电压
Figure 509712DEST_PATH_IMAGE020
和第二个等效角加速度
Figure 777882DEST_PATH_IMAGE021
以及第二个第二联轴器7的角加速度
Figure 959989DEST_PATH_IMAGE022
。
被校扭矩传感器的灵敏度
Figure 920992DEST_PATH_IMAGE014
在两次校准中不变，则：
Figure 162618DEST_PATH_IMAGE023
(4)
由上式可以求出
Figure 109845DEST_PATH_IMAGE005
值。
在步骤S3中，通过比较步骤S2中计算的动态扭矩量值与步骤S1中测量的被校扭矩传感器5输出的电信号，得到被校扭矩传感器5的动态特性。
在一个实施例中，在校准频率为
Figure 284475DEST_PATH_IMAGE039
时，通过第一或第二激光干涉仪得到的角加速度系列
Figure 275433DEST_PATH_IMAGE040
和扭矩传感器的输出随时间变化的系列
Figure 269934DEST_PATH_IMAGE016
可以计算出各自的幅值和相位。计算正弦波的幅值和相位可采用DFT（Discrete Fourier Transform，离散傅里叶变换）法或正弦拟合法。通过上述处理，获得正弦扭矩的幅值
Figure 755273DEST_PATH_IMAGE027
和相位
Figure 784409DEST_PATH_IMAGE028
，被校扭矩传感器5输出电信号的幅值
Figure 556056DEST_PATH_IMAGE029
和相位
Figure 428066DEST_PATH_IMAGE030
。被校扭矩传感器5的灵敏度由公式（5）求出，相移由公式（6）求出。
Figure 841730DEST_PATH_IMAGE041
(5)
Figure 866317DEST_PATH_IMAGE042
(6)
其它频点正弦扭矩校准，信号处理方法同上。通过对一系列频点正弦扭矩的校准，获得其在不同频率下的幅值灵敏度和相移。
本实施方式的正弦扭矩校准装置和方法的典型计量特性如表2所示，采用本发明的方法，校准正弦扭矩的频率范围较宽，测量不确定度较小，其中幅值扩展不确定度（对应于幅值灵敏度）优于0.3%，相移扩展不确定度（对应于相移）优于0.3°。
表2 正弦扭矩校准装置计量特性
Figure 730237DEST_PATH_IMAGE043
综上所述，本发明实施方式的正弦扭矩校准装置和方法将标准转动惯量块与气浮轴系的运动部分合二为一，采用气浮的方式约束了标准转动惯量块的运动，简化了装置的正弦扭矩传递的机械环节，提高了系统的固有频率，可以产生宽频正弦扭矩。其次，本发明实施方式的正弦扭矩校准装置和方法作用于被校扭矩传感器的99%以上的正弦扭矩量值来源于标准转动惯量块，标准转动惯量块的角加速度分布直接溯源到标准转动惯量块顶部角加速度测量值及力学公式，其余很小的正弦扭矩值由第二联轴器和被校扭矩传感器的等效转动惯量产生，由于其在总的正弦扭矩量值中只占有很小的比例，因此不需要考虑其角加速度的分布。本发明实施方式的正弦扭矩校准装置和方法使正弦扭矩的溯源途径更加简单，量值更加准确。通过将正弦扭矩量溯源到国际单位制（SI），可以建立正弦扭矩原级标准。
以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。

Claims (10)

1.一种正弦扭矩校准装置，其特征在于：包括电磁动态激励源、激励源安装座、激励源安装地基、第一联轴器、被校扭矩传感器、第二联轴器、第二光栅、气浮轴系外套、标准转动惯量块、第一光栅、气浮轴系安装座、气浮轴系安装地基；
所述电磁动态激励源固定在所述激励源安装座上，所述激励源安装座固定在所述激励源安装地基上，所述电磁动态激励源经由所述第一联轴器与所述被校扭矩传感器连接，所述被校扭矩传感器经由所述第二联轴器与所述标准转动惯量块的一端连接，所述第二光栅设置于所述第二联轴器的中间部分并且位于所述第二联轴器与所述被校扭矩传感器之间，用于测量所述第二联轴器和所述被校扭矩传感器的角加速度，所述第一光栅设置于所述标准转动惯量块的另一端，用于测量所述标准转动惯量块的顶部角加速度；
所述标准转动惯量块为不锈钢圆柱体，所述气浮轴系外套为圆筒形结构，所述标准转动惯量块从所述气浮轴系外套内穿过，在所述气浮轴系外套内悬浮，所述标准转动惯量块与所述气浮轴系外套构成气浮轴系，所述标准转动惯量块是所述气浮轴系的运动部分，所述气浮轴系外套固定在所述气浮轴系安装座上，所述气浮轴系安装座固定在所述气浮轴系安装地基上。
2.如权利要求1所述的正弦扭矩校准装置，其特征在于，所述气浮轴系外套的内部开设有多个朝向内侧的通气孔，所述通气孔内接通有规定压力的气体，使得所述标准转动惯量块在所述气浮轴系外套内悬浮，与所述气浮轴系外套不接触。
3.一种正弦扭矩校准方法，其特征在于，利用权利要求1或2所述的正弦扭矩校准装置进行正弦扭矩校准，包括：
步骤S1：所述电磁动态激励源驱动由所述第二联轴器、所述第二光栅、所述第一光栅、所述标准转动惯量块构成的转动惯量载荷产生正弦扭矩，测量所述被校扭矩传感器输出的电信号；
步骤S2：利用所述第二光栅测量所述第二联轴器和所述被校扭矩传感器的角加速度，利用所述第一光栅测量所述标准转动惯量块的顶部角加速度，如下计算施加在所述被校扭矩传感器上的动态扭矩量值：
Figure 877019DEST_PATH_IMAGE001
其中，t表示时刻；
Figure 957156DEST_PATH_IMAGE003
表示t时刻施加于被校扭矩传感器的正弦扭矩量值；
Figure 742710DEST_PATH_IMAGE004
表示第二联轴器与第二光栅的转动惯量；
Figure 667940DEST_PATH_IMAGE005
表示标准转动惯量块与第一光栅的转动惯量；
Figure 892248DEST_PATH_IMAGE006
表示被校扭矩传感器的等效转动惯量；
Figure 406275DEST_PATH_IMAGE007
表示t时刻第二联轴器的角加速度；
Figure 690626DEST_PATH_IMAGE008
表示t时刻标准转动惯量块上的等效角加速度；
步骤S3：通过比较步骤S2中计算的动态扭矩量值与步骤S1中测量的所述被校扭矩传感器输出的电信号，得到所述被校扭矩传感器的动态特性。
4.如权利要求3所述的正弦扭矩校准方法，其特征在于，如下计算所述标准转动惯量块上的等效角加速度
Figure 571994DEST_PATH_IMAGE008
：
Figure 599993DEST_PATH_IMAGE009
其中：
Figure 702947DEST_PATH_IMAGE010
表示标准转动惯量块的顶部角加速度；
Figure 830303DEST_PATH_IMAGE011
表示标准转动惯量块的角振动频率;
Figure 995705DEST_PATH_IMAGE012
表示标准转动惯量块的密度;
Figure 486117DEST_PATH_IMAGE013
表示标准转动惯量块的剪切弹性模量;
Figure 53364DEST_PATH_IMAGE014
表示标准转动惯量块的长度。
5.如权利要求3或4所述的正弦扭矩校准方法，其特征在于，所述第二联轴器与第二光栅的转动惯量
Figure 86043DEST_PATH_IMAGE004
以及所述转动惯量标准块与第一光栅的转动惯量
Figure 4320DEST_PATH_IMAGE005
通过转动惯量测量装置测量得到。
6.如权利要求3或4所述的正弦扭矩校准方法，其特征在于，如下计算被校扭矩传感器的灵敏度
Figure 764334DEST_PATH_IMAGE015
：
Figure 186089DEST_PATH_IMAGE016
其中：
Figure 655247DEST_PATH_IMAGE017
表示t时刻所述被校扭矩传感器的输出电压，从步骤S1中测量的所述被校扭矩传感器输出的电信号获得。
7.如权利要求6所述的正弦扭矩校准方法，其特征在于，如下计算所述被校扭矩传感器的等效转动惯量
Figure 529662DEST_PATH_IMAGE006
：
使用已知量值的第一个转动惯量标准块，获得被校扭矩传感器的第一个输出电压
Figure 358947DEST_PATH_IMAGE018
和第一个等效角加速度
Figure 900787DEST_PATH_IMAGE019
以及第一个第二联轴器的角加速度
Figure 275267DEST_PATH_IMAGE020
；
将第一个转动惯量标准块更换成量值不同的第二个转动惯量标准块，获得被校扭矩传感器的第二个输出电压
Figure 902558DEST_PATH_IMAGE021
和第二个等效角加速度
Figure 4375DEST_PATH_IMAGE022
以及第二个第二联轴器的角加速度
Figure 666300DEST_PATH_IMAGE023
；
通过下式计算被校扭矩传感器的等效转动惯量
Figure 211682DEST_PATH_IMAGE006
：
Figure 60690DEST_PATH_IMAGE024
。
8.如权利要求6所述的正弦扭矩校准方法，其特征在于，步骤S1中输出的电信号经过信号放大器放大后由数据采集模块采集，经处理后获得被校扭矩传感器的输出电压
Figure 512004DEST_PATH_IMAGE025
。
9.如权利要求3或4所述的正弦扭矩校准方法，其特征在于，在步骤S3中，如下计算扭矩传感器的灵敏度
Figure 28436DEST_PATH_IMAGE015
和相移
Figure 479140DEST_PATH_IMAGE026
作为被校扭矩传感器的动态特性：
Figure 81023DEST_PATH_IMAGE027
Figure 790222DEST_PATH_IMAGE028
其中，
Figure 161160DEST_PATH_IMAGE029
和
Figure 313924DEST_PATH_IMAGE030
分别为步骤S2中计算的动态扭矩量值的幅值和相位，
Figure 871944DEST_PATH_IMAGE031
和
Figure 384834DEST_PATH_IMAGE032
分别为步骤S1中测量的所述被校扭矩传感器输出的电信号的幅值和相位。
10.如权利要求3或4所述的正弦扭矩校准方法，其特征在于，在步骤S1中，利用任意波发生模块对所述电磁动态激励源进行控制，使所述电磁动态激励源按照所需的正弦扭矩波形产生旋转运动。
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