磁懸浮效應(yīng)微扭矩傳感器校準(zhǔn)儀設(shè)計(jì)

徐 君， 朱 穎， 潘萬(wàn)苗， 應(yīng) 獻(xiàn)， 葛榮杰

（1.國(guó)家電機(jī)及機(jī)械零部件產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，浙江 臺(tái)州 318000；2.94782部隊(duì)，浙江 杭州 310021）

1 引 言

微扭矩傳感器適用于微小扭矩測(cè)量，具有測(cè)量精度高、分辨率高和不確定度小等特性，如奇石樂(lè)（KISTLER）微扭矩傳感器量程為0～0.2 Nm，精度等級(jí)為0.05，我國(guó)50Nm靜重式扭矩基準(zhǔn)機(jī)的最小測(cè)量扭矩為0.5Nm，難以滿足該微扭矩傳感器的計(jì)量校準(zhǔn)要求[1]。目前，扭矩傳感器的計(jì)量校準(zhǔn)多采用扭矩靜態(tài)標(biāo)定，比較成熟的方法為懸臂梁加砝碼[2]。其主要原因是標(biāo)準(zhǔn)砝碼質(zhì)量精度高、穩(wěn)定性好，如毫克組E1等級(jí)砝碼最小質(zhì)量為1mg，最大測(cè)量允許誤差為0.003mg[3]，但也存在摩擦阻力矩[4]等干擾因素。該文在傳統(tǒng)懸臂梁加砝碼的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，采用磁懸浮結(jié)構(gòu)[5-8]、純扭矩加載方式[4，9]和復(fù)合材料，設(shè)計(jì)了新型微扭矩傳感器校準(zhǔn)儀。

2 微扭矩傳感器校準(zhǔn)儀設(shè)計(jì)

2.1 工作原理

新型微扭矩傳感器校準(zhǔn)儀結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。待校準(zhǔn)的微扭矩傳感器通過(guò)定位塊和抱緊塊固定在底座上，轉(zhuǎn)軸上安裝力臂；兩根導(dǎo)軌對(duì)稱固定在底座上，并在上面安裝可沿導(dǎo)軌上下移動(dòng)的軸承架；軸承架上安裝微型軸承；引線繞過(guò)力臂圓弧狀的端部并掛在微型軸承上，一端固定在力臂上，另一端固定一砝碼；力臂中心處磁鐵與磁座中心處磁鐵處于相吸狀態(tài)，調(diào)整磁座高度來(lái)改變磁力大小，進(jìn)而使力臂處于懸浮狀態(tài)；底座上安裝調(diào)高支撐腳，調(diào)節(jié)整個(gè)機(jī)構(gòu)到水平位置。

2.2 磁懸浮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通常情況下扭矩傳感器校準(zhǔn)時(shí)，采用水平放置，如圖2（a）所示。力臂重力G會(huì)在扭矩傳感器轉(zhuǎn)軸上產(chǎn)生彎矩M，進(jìn)而影響機(jī)構(gòu)的靈敏度和測(cè)量精度。

圖1 新型微扭矩傳感器校準(zhǔn)儀結(jié)構(gòu)原理圖

圖2 扭矩傳感器水平放置與垂直放置對(duì)比圖

對(duì)扭矩傳感器擺放位置進(jìn)行改進(jìn)，采用垂直放置方式，如圖2（b）所示。這種方式可以保證力臂的重心落在傳感器轉(zhuǎn)軸的中心位置，從理論上消除了力臂重力G施加在扭矩傳感器轉(zhuǎn)軸的彎矩M，但也會(huì)在扭矩傳感器內(nèi)部產(chǎn)生靜摩擦阻力矩Mf。

為了消除靜摩擦阻力矩Mf的影響，在垂直放置的力臂基礎(chǔ)上增加磁懸浮裝置，如圖3所示。

在力臂和磁座的旋轉(zhuǎn)中心位置上分別安裝圓盤(pán)狀永磁鐵，通過(guò)調(diào)節(jié)兩者間的距離d來(lái)改變磁力的大小，進(jìn)而達(dá)到平衡重力G的目的，使力臂處于懸浮狀態(tài)。兩磁鐵的半徑一大一小且中心位于軸線O′O″上，這種結(jié)構(gòu)可以保證力臂即使發(fā)生旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)磁通量增量ΔΦ始終為零，不會(huì)引入額外的阻力矩；同時(shí)可保證兩磁鐵中心安裝位置有一定的同軸度偏差，簡(jiǎn)化制造工藝。

2.3 新型力臂設(shè)計(jì)

圖3 磁懸浮結(jié)構(gòu)

圖4 傳統(tǒng)力臂及其受力分析圖

傳統(tǒng)的力臂多采用金屬材料（如鋁合金），矩形結(jié)構(gòu)，如圖 4（a）所示。由圖 4（b）可知，O 處為扭矩傳感器轉(zhuǎn)軸安裝位置，系統(tǒng)通過(guò)在力臂一端加載作用力F來(lái)產(chǎn)生扭矩T，當(dāng)力臂在多種不確定因素（如環(huán)境震動(dòng)、扭矩扭轉(zhuǎn)、人為干擾等）的干擾下，使其實(shí)際位置和理論位置出現(xiàn)角度偏差α。此時(shí)，力臂有效作用長(zhǎng)度發(fā)生變化，進(jìn)而使扭矩T的實(shí)際值與理論值出現(xiàn)偏差，引入測(cè)量誤差。

在傳統(tǒng)力臂基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。首先，采用輕質(zhì)復(fù)合材料作為力臂材料，減輕重量。該復(fù)合材料以環(huán)氧樹(shù)脂為基體，碳纖維為增強(qiáng)體，具有比重小、比強(qiáng)度和比模量大等特點(diǎn)。其次，力臂兩端設(shè)計(jì)成圓弧狀，結(jié)構(gòu)如圖 5（a）所示。

由圖1可知，作用力（記為F1和F2）是砝碼重力通過(guò)引線施加在力臂上的。同時(shí)，引線繞在力臂圓弧狀的端部上，當(dāng)力臂實(shí)際位置與理論位置的角度偏差α在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，引線始終與力臂圓弧狀的端部相切，如圖5（b）所示。這種結(jié)構(gòu)可保證：

（1）力臂有效作用長(zhǎng)度始終不變。由于作用力方向與引線方向一致，那么力臂有效作用長(zhǎng)度為圓心O點(diǎn)到切點(diǎn)之間的距離，即始終為半徑R。

（2）實(shí)現(xiàn)純扭矩加載目的。由于作用力是等質(zhì)量的砝碼通過(guò)引線施加在力臂上的，那么力臂兩端的作用力大小相同且方向相反，系統(tǒng)的合外力為零，只有扭矩T，即實(shí)現(xiàn)純扭矩加載。

數(shù)學(xué)模型可描述為[10]：

式中：T——作用在力臂上的扭矩；

F1、F2——作用在力臂兩端的力；

m——砝碼在真空中的質(zhì)量；

g——所在地的重力加速度；

ρa(bǔ)——空氣密度；

ρw——砝碼材料密度；

R——力臂半長(zhǎng)；

α——力臂實(shí)際位置與理論位置的角度偏差；

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)采取待校準(zhǔn)的扭矩傳感器垂直放置、磁懸浮結(jié)構(gòu)、輕質(zhì)復(fù)合材料、力臂兩端圓弧結(jié)構(gòu)、純扭矩加載等措施，從理論上消除了外界諸多不利因素對(duì)測(cè)量精度的影響。同時(shí)為驗(yàn)證該微扭矩校準(zhǔn)儀的實(shí)際效果，下一步將開(kāi)展實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室比對(duì)活動(dòng)。

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