動態扭矩校準系統的方案設計TOC\o"1-3"\h\u23521第1章緒論 1178271.1背景和研究意義 1229931.1.1背景 1135911.1.2研究意義 2305331.2國內外研究現狀 388111.2.1國外研究現狀 3171111.2.2國內研究現狀 4223171.3本文的主要工作 526575第2章扭矩測量原理 64252.1靜態測量 6293892.2動態測量 715741(2)額定扭矩(峰值)：10Nm。 813443第3章基于衍射光信息提取的動態扭測量 8301733.1動態扭矩 8316143.2研究動態扭矩校準的兩大關鍵技術 958193.2.1角加速度動態測量原理 9258803.2.1轉動慣量測量原理 10277623.2.3扭矩傳感器有效轉動慣量的確定 1218176第4章動態扭矩傳感器校準技術方案 13198894.1利用傳統送檢校準（實驗室校準法） 13322554.2動利用態加載對扭矩傳感器進行校準 13188574.3利用磁懸浮效應微扭矩校準 1450854.4扭矩式傳感器不同時期的校準方式和優勢 159430第5章動態扭矩校準系統的方案設計 17321605.1動態校準系統建立 172125.2基于衍射光信息提取的動態扭矩校準系統構建 17318571)基于衍射光信息提取的角加速度測量系統設計與構建 17123212）轉動慣量測量裝置 18161033）動態扭矩加載激勵源設計 1931940第6章總結 1934751.降低外部干擾，提高裝置標準量的精確度，提高校準的精度。 20第1章緒論背景和研究意義背景扭矩實時監控是用來反映汽車轉動工作系統中各種工作狀態的重要控制參數之一，扭矩實時監控已經應用于航空飛行、載運工具、機械設備等眾多領域中。隨著更多高溫、高污染高輻射等惡劣工作環境的出現，非接觸、小型化、無源化的扭矩測量技術已經成為了該領域的發展趨勢。扭矩轉速傳感器，又稱機動力學扭矩轉速傳感器、扭力轉速傳感器、轉矩轉速傳感器、扭矩儀，分為扭矩動態式的扭矩和驅動靜態式的扭矩轉速傳感器兩者三大類，其中扭矩動態儀和扭矩轉速傳感器又有時也被我們稱做轉矩儀和轉速速度傳感器、轉矩儀和轉速速度傳感器、非機械接觸式的扭矩轉速傳感器、旋轉儀和扭矩轉速傳感器等。扭矩感應傳感器主要定義指在各種方向旋轉或不同的方向旋轉式運動機械零件上都能進行對運動扭矩的精確感知。根據動態扭矩測量對工業產品的質量控制以及動力機械工作狀態監測的重要意義，針對扭矩傳感器校準“靜標動用”的局限性，進行基于衍射光信息提取技術的動態扭矩溯源關鍵技術研究，通過圓光柵衍射光的多普勒頻移獲得角加速度，通過線性遞歸的方法確定扭矩傳感器本身的有效轉動慣量，在此基礎上設計并構建動態扭矩校準系統，為解決動態扭矩校準中的有效溯源問題，為建立扭矩傳感器的動態校準技術規范奠定基礎。研究意義扭矩轉速傳感器系統是一種專門設計用來用于檢測機械扭矩、轉速和其他各種機械動力，作用運動功率的高標準精度自動測量控制儀器，被廣泛應用于各種智能電子機械動力系統驅動控制裝置系統中的各種智能電子機械動力系統驅動裝置系統的智能優化控制設計以及各種智能過程控制。目前，國內外自主研制和生產的扭矩式傳感器品牌數量繁多，從工作原理上來說,主要可以劃分為應變型、磁彈性型、轉角式和其他類別。應變型傳感器是目前國內外市場上已知使用最多的一種傳感器，它主要是一種采用應變片進行電子檢測的技術,在一個彈性軸上構造一個應變橋，向這個應變橋上提供一個電源,便能夠檢測到該彈性軸上所有被稱為受扭動的電信號。將該頻率的高壓應變信號進行高頻放大后，經過低壓頻率的轉換，變成了與扭矩應變頻率成正比的高壓應變信號[1]。其在動態扭矩擰緊裝置的檢查和監督中，動態扭矩傳感器具有一個不可忽視的地位。隨著各行各業對于整套滑動螺栓擰緊工藝的廣泛關注和高度重視，對于整套擰緊螺栓工藝的質量管理標準的要求也已經不再僅僅單純的是為了能夠確定并且能夠保障每次螺栓擰緊工藝中旋轉扭矩和運動方向的測量參數精度準確可靠，而是為了能夠對整套滑動螺栓系統在每一次擰緊過程中旋轉扭矩及運動方向進行測量。它們對螺栓轉子運動的角度實際情況的參數進行了精確定性的測量和控制。諸如通過對一個擰緊驅動裝置在一個具有給定擰緊角度運動范圍內的所有運動，可以用來實現的運動扭矩系數值及其進行角度數據采集，或者在一定的角度范圍內從其中所有獲得的運動扭矩系數值及其隨一定角度范圍運動頻率變化的角度函數不受影響生成圖像等，促使這種能夠同時用來實現精確檢測運動扭矩和擰緊角度這兩個重要參數的扭矩傳感器被廣泛應用。近年來，對動態扭矩信號的測量的需求在增加，其校準技術也由靜態向動態方向發展。對扭矩傳感器施加負階躍扭矩信號可以激發出傳感器在全頻譜范圍內的響應，分析范圍大。分別測量角加速度和轉動慣量來獲得扭矩的技術，能夠解決動態扭矩量值溯源性問題，因而具有較大的應用價值和潛力，并成為扭矩傳感器動態校準技術研究中值得關注的熱點。但是，目前的技術仍存在一些局限。國內外研究現狀1.2.1國外研究現狀1982年前由日本福岡九州大學技術開發中心研制的新型帶電磁頭式橫向扭矩壓力傳感器[2]。此類電磁傳感器將兩個鐵氧化銅磁芯在兩個軸線上合并使用氧化等離子的方法合并噴涂一小段磁芯緊致性的伸縮層，兩個同時帶有銅質鐵芯被氧化的鐵質磁芯軸線連接一起形成一個U型的電磁頭與并將軸線轉換成+45°。磁頭兩端到驅動軸之間線圈要保持相距一定的遠,磁頭上面要圍繞著一定有多個線圈，這些環繞線圈就直接構成了整個橋式勵磁電路的組成部分。采用這樣的整體結構設計方式也就可以直接讓整個扭矩檢測傳動裝置都可以變得非常小巧，這種新型扭矩應力傳感器的其他一個主要技術特點之一就是它不僅能夠對傳動應力敏感，因而被廣泛地用來應用于各種粗短、笨重的扭矩傳動軸和各種傳動扭力大的機械軸上,且不必要地占用更多的部件空間。1986年9月Sasada等研究人首先成功地提出了用于Fe基板的非晶薄膜膠帶直接在旋轉軸兩端表面上進行焊接黏貼,并將與旋轉軸兩端之間長度約45°##c夾角的八個十字形零件直接進行了焊接和布置。[3]其主要的工作原理就是由于轉軸傳感器在扭矩相互作用下,會在與非晶薄帶轉軸磁化為+45°的方向上對主應力進行磁致反應,再由電子磁致伸縮逆電子效應傳感器驅動而產生一個各向特征的磁化力k,非晶薄帶的磁化速度和頻率將隨之發生變化。通過計算就能夠測得一臺電動機磁導頻率變化便可以求得一定的扭力。1987年日本九州技術研究所研制了用非晶態星形線圈制成的扭矩傳感器[4]。此處扭矩強度傳感器的主要功能之一就是把通過n束不同非晶態的極性金屬電磁絲依次地緊緊串聯在一起，并將其儲存在一個安放于固定電磁軸上的一個n極性或環形電磁鐵周圍，他們不僅可以直接對其進行感應得到磁場強度的細微變化，與之后的振蕩元件相互組合而成為多功能的振蕩電路。扭矩時鐘所產生的角位移信號會由基于磁場相對電位差的一種方式被一顆行星上的線圈驅動感應，最后由振蕩電路以高頻等離子或者低頻振蕩電壓的一種形式驅動進行信號輸出。1989年9月1日美國弗吉尼亞西蒙精密飛行器公司成功地進行了研究開發并通過自主創新設計研制，生產了一種新型號的通用相位光纖式和反射偏振扭矩式通用相位偏振傳感器[5]，它的主要應用技術包括核心產品由偏振片、反射偏振片、透鏡、光盤、光纖、頻率測量儀和和各種通用相位運動測量儀器件等幾大部分產品組成。它用一根軸向光纖電纜做為運動檢測器的探頭，接受檢測到被光纖反射光發出來的電激光，然后按照一個軸向上彈簧的運動常數和彈簧相位差的誤差公式來自動確定彈簧扭矩的波動大小。1.2.2國內研究現狀最近幾年有些新型傳感器正在不斷地進行開發與研制。如清華大學1999年自主研制的無線-有源聲音表面波(SAW)扭矩傳感器121就是其中一例[6]。該類型的傳感器特點就是把舊的雷達識別技術和新的SAW傳感器有機地緊密融合在一起來。像是使用電阻驅動應變型扭矩傳感器那么，也就是通過驅動測量與旋轉軸運動成45*個扭矩方向上的電阻應變扭矩傳感器是用來直接驅動完成旋轉軸相對扭矩的運動測量。它主要部件包括圓形壓電光刻基片、叉叉手指壓電換能器(DT)、反射式光柵(R1-R3)三個大部分部件組成，并且全部采用了壓電光刻、真空鍍膜等先進制造生產工藝。其中的工作基本原理其實就是通過運用被觀測反射粒子SAW波的兩個相對加速度隨著一個應變前后反射產生的扭矩改變而直接用來測得相應扭矩系數值的應變大小。國內外關于運動扭矩結合計量的創新校準相關技術應用研究正在沿著超大運動扭矩、微小運動扭矩結合計量的創新校準應用技術研究方法與校準設備的創新發展應用方向不斷推進。法國公司LNE的200kN.m自動扭矩壓力標準計量設備，原來主要用途是為用于法國電力公司的一種計量自動扭矩壓力傳感器而進行設計和開發制造，現已逐漸發展逐步成為用于法國公司計量大動力扭矩的一種工業標準計量設備，同時也已經發展成為了用于全世界廣大范圍內各國相互比對的大量電力工程量的標準計量設備。[7]標準柜扭矩誤差傳感器電控柜扭矩誤差傳感器自動校準系統的主要基本工作機和其原理概述介紹如下：在校準系統中所需要進行的各種電動力學扭矩測量、校準操作過程中，計算機向每臺電控柜主機發出一個感應指令，通過感應力臂和傳動杠桿相互作用的力來根據所需要測量的扭矩產生一個超出標準的感應力矩，借助于標準力矩誤差平衡裝置它就是一種可以按照該系統中所規定的測量順序，自動、平穩、準確地把其標準的相互作用力矩和感應平衡力矩分別投放在一個被校的標準扭矩誤差傳感器上，標準感應力矩和作用平衡力矩之間的誤差讀數如果相差為此值即為該標準扭矩誤差傳感器所要測量的力矩誤差。國際標準的新型扭矩式壓力傳感器自動校準控制系統產品可以同時具備數據實時性好、數據采集準確率高、費用少、成本低、容易安裝維修、調試簡單運行方便等特殊應用功能。本文的主要工作本課題是對基于衍射光信息提取的動態扭矩校準技術研究，建立可實用化的扭矩傳感器動態校準系統，對扭矩傳感器進行動態校準。本文主要研究內容如下：1．研究動態扭矩測量技術的國內外研究現狀；2．研究扭矩測量原理；3．研究動態扭矩校準的兩大關鍵技術：角加速度的動態測量和轉動慣量的測量；4．設計基于衍射光信息提取技術的動態扭矩測量校準系統，分析系統能夠達到的性能指標參數。扭矩測量原理我國目前扭矩校準工作中,可分為靜態扭矩和動態扭矩兩種，靜態扭矩一般指在施加扭矩的過程中應平穩,不帶有沖擊性和扳動，動態扭矩是指從氣動、液壓、電動為動力,對扳體施加扭矩,帶有沖擊扳動性的動態中,測量扭矩值。2.1靜態測量扭矩測量作為機械工廠生產場地中大多數機械設備的主要被作為檢測測量對象。扭矩系統可以大致劃分成上為兩下三大類，靜態軸向扭矩或者者說是一種動態軸向扭矩。用于自動控制汽車扭矩的驅動測量方法主要依據可以進一步將其劃分表現為逆驅動扭矩和三軸聯機式驅動扭矩測量兩類。被測量檢測所得到最大扭矩的不同種類以及目前市場現有的各類扭矩傳感器，對所有的檢測所得到的扭矩數據是否準確性及其所占的需要進行測量的時間費用都可能具有重大的實際影響。在我們所需要討論的這種靜態和動態扭矩之間的區別中，最容易理解和入手的方法就是要先了解到靜力和動態扭矩之間的區別。簡而言之，動力就是包含一個加速度，而靜力卻不包含。動力與加速度關系可用一個描述式來稱為牛頓第二定律：F=ma(動力等于一個物質的質量乘以它的加速度)。[8]我們只能明確說這個扭矩指的是一種物體旋轉或者通過特定的運動距離所能夠發出的驅動力。根據前面的一些重要討論，它被人們普遍認為可能是一種靜止動力，如果它不能達到作為一個特定角度的加速度。時鐘運動彈簧所受的需要同時施加的運動扭矩即是一個靜態運動扭矩，因為這個時鐘運動彈簧本身不會停止旋轉，因而也就不會保持有一個呈直角的運動加速度。若在一個傳動扭矩軸上連續進行高速測量傳動扭矩，那幾乎一切都會被轉變成一個非常靜態的測量扭矩。霍爾扭矩傳感器測量原理：將專門使用的測扭式應變片或測扭膠粘附于被檢測的彈性軸上并連接到其中組成一個應變橋，向其中的電動機提供一個電源便可以檢測得該彈性軸所受扭矩的相關電信號。將該應變信號進行放大后，經過高壓/頻度的轉換，變成一個與扭矩應變成反比的頻率信號。本系統的能量輸入和信號傳送功能主要由兩組帶有間隙的環形變壓器共同承擔,因此我們實<br>現了不相互接觸的能量和信號傳送功能。它的特點有:1.既同時的它可以被作用來用于測量齒輪動和以及靜止的軸向扭矩,也同時可以用來用于測量轉矩以及旋轉的轉矩;2.既使我們可以直接用來測量靜態扭矩,也使我們能夠直接用來測量動態扭矩;3.檢測精度高,穩定性好;抗干擾性強;4.體積小,重量輕,多種可以安裝的結構,易于進行安裝和使用;5.無須反復地調零,便能連續地測量出的正、反轉的扭矩;6.沒有導電環等的高高磨損性零部件,可以在高轉速條件下連續進行長一段時間的高速運行;7.該傳感器將高電平頻率的信號輸入到計算機中，可以直接發送到計算機中進行處理;8.測量時間當彈性體的機械強度最高時使它能夠永久承受100%的壓力過載。2.2動態測量扭矩傳感器在動態加載時的測量結果很有可能會與靜態時不同，現有的是描述傳感器性能的一個重要參數,如線性誤差(內插誤差)、重復性等,無法充分描述和評價傳感器的動態性能。[9]應用動態高速扭矩定位傳感器通常被廣泛用來用于檢測運動扭矩和在劇烈運動的各種應用場合，需要對輸入扭矩和運動扭矩系統進行運動實時扭矩撲動捕捉,例如擰緊機、電動機械扳手、發動機系統輸入輸出扭矩、驅動力系統輸出輸入扭矩、鉆桿等等產生運動扭矩。動態彈性扭矩檢測傳感器系統能夠準確地自動檢測接受到該運動彈性體沿軸運動所受到力扭的各種動態和動靜電信號，是因為采用自動應變系統電力學啟動檢測系統技術，在一個彈性軸上直接構造了一個應變電力橋，從而為發生應變后的橋啟動供給額定電源。將高壓信號頻率進行快速放大后，經過了對高壓應變頻率的快速轉化，變成了與高壓應變器的頻率轉化成正比。扭矩儀表還包括自動扭矩速度傳感器及配套的自動指令扭矩儀表。扭矩運動傳感器從其運動測量的力學原理上來說，主要類型可以分別劃分三類為軸向相位運動誤差型、磁應變彈性應力模擬和軸向應變彈性模擬。相位差型接地扭矩測量傳感器對于各種環境的定位適應性差，磁性和彈性型相位扭矩測量傳感器的定位精度和測量準確性都比較低,而動態應變型相位扭矩測量傳感器卻充分克服了。上述兩種新型扭矩式壓力傳感器的一些主要技術缺陷，其主要的技術特點之一是那就是它們的傳感元件設計結構簡單、成本低、技術成熟，大量被廣泛應用于各種類型的動和靜態、動態的相位扭矩測量檢測[10]。其中一種電感頻率耦合器的傳輸原理是通過一個v/f頻率變換將具有電壓差的信號轉換成電感頻率從而信號通過耦合進行輸出，直至信號達到這種傳感器的一個靜止工作區域，由于這種傳感器通常處于非接觸式的狀態工作，所以不會因此發生相對導電電磁環的較大磨損，使用壽命也比較長，同時由于傳感器的工作準確度和工作穩定性都比較好，抗干擾能力也比較強，因此被廣泛的工業使用。本文在其中的兩種儀表均部分選擇用了動態輸出扭矩信號傳感器，用了高頻電感器和耦合信號傳輸的工作方式,輸出扭矩信號頻率范圍一般為5~15khz。(1)動態扭矩校準頻率范圍：(1~10)Hz(扭矩幅值誤差±3%);(2)額定扭矩(峰值)：10Nm。第3章基于衍射光信息提取的動態扭測量3.1動態扭矩扭矩的實質,就是一種使得機械部件在運動時會產生一定的轉動效果并且會伴隨著一定的扭轉而發生變形的一種力偶或者是一定的力矩。扭矩動力測量的主要研究工具和應用手段,按照其設計根據的基本力學原則大致來說可將其劃分分別為正向能量扭矩傳遞法、平衡扭矩動力法和反向能量扭矩轉換法三類,傳統的扭矩傳感器靜態校準裝置的原理是平衡力法,這個原理只評估了扭轉變形,而未考慮轉動效應,無法測量動態扭矩,也無法對扭矩傳感器的動態特性進行校準。對扭矩傳感器施加負階躍扭矩信號可以激發出傳感器在全頻譜范圍內的響應，分析范圍大，對傳感器加載不同頻率的正弦扭矩信號可以測試傳感器在不同頻率下的響應特性，施加負階躍或正弦扭矩信號的方法雖然能夠對扭矩傳感器的動態響應特性進行測試，但由于這兩種方法動態過程中都缺乏經過有效溯源的的扭矩量值，因此這些測試和分析只能停留在定性階段，不確定度較大。相比于上述方法，分別測量角加速度和轉動慣量來獲得扭矩的技術，能夠解決動態扭矩量值溯源性問題，因而具有較大的應用價值和潛力，并成為扭矩傳感器動態校準技術研究中值得關注的熱點。但是，目前的技術仍存在一些局限。首先，在動態角加速度測量方面，目前的技術有的難以兼顧響應速度和測量精度，有的系統結構復雜，容易受到震動等因素的干擾。BRUNS等基于激光干涉儀，通過測量圓盤光柵透射光的相位變化來得到角加速度。[11]這種方法難以兼顧測量精度（光柵刻線數密度高，需響應快）和響應速度（光柵刻線數密度低，要犧牲精度）兩個方面；史慧等基于雙光柵疊加產生的莫而條紋來解算角加速度，對動態扭矩校準中的角加速度動態測量進行了研究，這種方法系統結構復雜，可靠性不高，容易受到軸系震動等因素的影響。[12]其次，在扭矩轉動慣量測定方面,軸系中的各個部件,其轉動慣量雖然都是能夠被準確地測定，但是對于傳感器本身,其轉動慣性和剛度會與其他部件相互作用產生影響和耦合，以致很難識別并分離出扭矩傳感器本身的各種動態扭矩測定特性。ZHANG等人利用激光干預測量儀來搭建一種周期性的扭矩激勵設備，為扭矩傳感器中各個動態參數的檢測提供了量值可溯源。[13]動態扭矩校準的基本概念可概括為：旋轉諧振激勵和轉動慣量。當軸系中的摩擦阻力可忽略不計時，作用于傳感器的扭矩由連接到測量端的轉動慣量J與相應的角加速度的乘積計算出來：QUOTE（3-1）3.2研究動態扭矩校準的兩大關鍵技術3.2.1角加速度動態測量原理在旋轉軸系中加入衍射圓光柵，并使測量光束通過該光柵，衍射光中將產生一個與轉速相關的頻移，測量該頻移即可得到轉速（角速度）的數值。旋轉式光柵在其中產生頻移的工作原理大致如圖3-1所示,當一束入射式激光輻照到一個衍射性的圓光柵上時,通過該光柵而輸送出的光束除原來發射方向的零級光外,還將在其中產生±1、±2、…、±n級衍射光，可以證明，當光柵旋轉時，除零級光之外的各級衍射光都將產生頻移。它的第N級衍射光的頻移量可由下式表示：（3-2）圖3-1激光束在圓形的光柵中經過一個小型的衍射光其中為衍射光的等級，為一個圓盤光柵的轉速，而則表示的是圓盤光柵的總時間和刻線系數。各級衍射光的頻率是增加還是衰減，將將直接影響到旋轉光柵的移動和方向。在圖3-1中所示的情況中，+1級衍射光的光頻將比入射光光頻（或零級光光頻）高的數值，而-1級衍射光的光頻則相反，偏低一個的數值。例如用一個普通的刻線數為7560條的圓盤光柵，再由一個一般的轉速為3000r/min的同步馬達帶動，則正負1級衍射光可各頻移378kHz。一般采用正（或負）1級光作為測量的入射光束。對一般旋轉光柵來說，激光束通過后，均是零級光最強，1級光次之，兩束1級光比較弱，所以效率較低。要解決這一問題，可以專門刻制閃耀光柵以加強1級衍射光光強，減弱零級光，提高光學系統效率。由（3-2）可知，角速度，其中轉速的單位是r/min，角速度的單位為rad/s。將上式兩邊求導數，即可得到動態角加速度的數值。3.2.1轉動慣量測量原理目前世界上測量旋轉慣性運動的方法主要有多種，最常見的方法有扭擺法、復擺法、三線擺法等，其中扭擺法則是目前最常用的一種測試方法，測量的精度相對比較高。它的主要錯誤因素是空氣和軸承之間的摩擦力，可采用氣浮軸承、電磁軸承等方法來減小摩擦，進一步提高測試精度。本工程擬采用扭轉擺動法進行測量。如圖3-2所示為扭擺法示意圖，被測物體和彈性元件共同組成一個定軸扭擺振動裝置。扭擺振動的運動模型為：（3-3）式（3-3）中：-裝置自身對轉軸的轉動慣量；-彈簧的彈性系數；-阻尼，包括空氣阻尼和軸承阻尼；-轉軸的角位移；-軸承阻力矩。112341、被測物體2、托盤3、扭桿4、底座圖3-2扭擺法示意圖令，,稱為阻尼比。則式（3-3）可以寫為：（3-4）一般情況下空氣阻尼和軸承阻尼都很小，令，所以式（3-4）可寫成：（3-5）則：由此可得：（3-6）系數為常數，由標準樣柱標定可得，則待測彈箭的轉動慣量可由下式得出：（3-7）式（3-7）中：為一個空載的運行周期，由被測設備本身所決定；-加載樣柱后測得的周期；-加載待測物體（砝碼）后測得的周期；-標準樣柱的轉動慣量，為已知值；3.2.3扭矩傳感器有效轉動慣量的確定軸系中各個部件的轉動慣量都可以用本節描述的方法準確測定，然而與靜態加載時不同，扭矩傳感器自身的轉動慣量也對與測量單元耦合的扭矩有貢獻，且該慣量并不是傳感器的全部轉動慣量，因此無法事先測定，本項目擬采用如下方案確定扭矩傳感器有效轉動慣量：接入傳感器后，軸系中作用于傳感器測量單元的轉動慣量為（3-8）其中為軸系中各個部件的總轉動慣量，為扭矩傳感器的有效轉動慣量。調整激勵源，使軸系在固定的周期和擺角下往復振動，即軸系的角加速度呈現固定的周期性變化，設扭矩傳感器在測量范圍內線性良好，扭矩傳感器的讀數和角加速度均取峰峰值，則有：（3-9）將、看作常量，看作是的函數，其曲線為一條直線，加載一系列慣量已知的砝碼，，i=1、2、...、n，n大于等于3，根據n個測量點的數據，可以擬合出一條直線，如圖3-3所示圖3-3通過測量不同的確定傳感器有效轉動慣量假設令，則此時傳感器的有效轉動慣量應該被抵消，傳感器的讀數值應該為0，因此逆向延伸圖所示的一條直線，與x軸相交的點值即為。第4章動態扭矩傳感器校準技術方案4.1利用傳統送檢校準（實驗室校準法）根據各種扭矩運動傳感器的各種結構特征，校準的各種方法大部分都指的是將它們直接送到運動計量機的實驗室，對其傳動進行各種扭矩的和靜態的傳動標定，比較成熟的一種就是在制動力臂上用力在杠桿附近精度增加一個標定砝碼，其主要的標定原因之一可能就是這種傳動標準使得杠桿的傳動質量和標定精度很高、穩定性強。中航飛機工業公司成都中航飛機制造工業(中航集團)股份有限責任公司熊俊、胡斌研制了一種靜重式自動標準飛機扭矩角度傳感器自動校準扭矩系統，該自動校準扭矩系統以飛機砝碼、杠桿部件為工作基礎計算產生的各種標準運動力矩，配以標準力矩自動平衡裝置，由電腦自動準確處理角度數據并及時準確給出各種角度相應的力矩測試試驗結果分析報告[14]。校準系統的整體結構主要由自動杠桿校準系統、砝碼自動加載平衡裝置、砝碼、力矩自動平衡裝置、電腦、電控盒、機座等等組成。標準的工作作用扭矩誤值傳感器誤差校準系統基本設計工作控制原理如下：在系統中對力矩進行檢定、校準等操作過程中，計算機向每臺電控柜的各個主機發出一個測量指令，通過計算機測量力臂與傳動杠桿相互作用效應來根據所測量的力矩產生一個超出標準的感應力矩，借助于計算機對標準的力矩誤差均勻平衡裝置它就是一種可以按照系統中所規定的測量順序自動、平穩、準確地將其標準的作用力矩和感應平衡的力矩分別安放在一個給予被校的傳感器上，施加給予被校的標準扭矩誤差傳感器上，標準的感應力矩和其他作用平衡力矩之間的誤差值讀數如果相差為此，即為該標準扭矩誤差傳感器所要測量的力矩誤差。國際標準的新型扭矩式壓力傳感器自動校準控制系統產品可以同時具備數據實時性好、數據采集準確率高、費用少、成本低、容易安裝維修、調試簡單運行方便等特殊應用功能。4.2動利用態加載對扭矩傳感器進行校準一種新型的數控扭矩制動傳感器標準校驗儀系統為了能夠使我們同時能夠在各種需要動態扭矩加載的條件情況下，對各種扭矩制動傳感器中的信號分別進行高速實時自動校驗。燕山大學張玉存、李群先生等人設計了一種新型的數控扭矩制動傳感器標準校驗儀[15],該校準試驗儀系統采用了一種虛擬自動化的校驗儀器管理技術，使得這種校驗儀器更加安全具有靈活、可以自己進行選擇、具備強大的自動數據處理和自動分析控制功能、易于實現嵌入自動到位和數字自動補償等多種特性，通過手動控制磁粉嵌入制動器，使得這種扭矩制動傳感器信號和校驗儀不僅能夠分別具有靈活多變的自動加載控制模式，并且能夠采用基于PDD的手動控制加載模式，從而克服了磁粉嵌入制動器以較低加載速度時的不穩定。扭矩制動傳感器精度校驗儀的主要設計和工作基本原理之一就是首先把一個用于標準的壓力扭矩制動傳感器元件存放到一個安裝在被標定測量點上的扭矩制動傳感器上的正確位置，標定一個適應力扭矩制動傳感器上的位置為標定一個扭矩制動傳感器,用于安裝一個用于標準的磁粉式扭矩制動器上。記錄一個由磁粉式扭矩制動傳感器插入電流扭矩控制器電壓輸出的插入電壓額定值和其絕對相應的壓力扭矩傳感器的插出輸入值，以及其相對的適應力扭矩傳感器的插入輸出電壓值，然后我們利用最/j.,-1的乘法方程來給模擬出適合最優的扭矩曲線，找出它們之間的曲線距離函數關系。將那些標準主動傳感器全部拆除，再把那些受限于檢測負載扭矩的主動傳感器直接放置于被動的檢測位。通過已經開始尋找的這種計算曲線相互關系我們就已經可以直接計算出來得出被自動檢測到的扭矩壓力傳感器的兩個輸入值，然后跟被自動檢測到的扭矩壓力傳感器的兩個輸入值分別進行了比較計算和校驗。通過直接控制一個磁粉加載制動器所加載需要的一個輸入輸出電流，從而直接實現了通過改變磁粉加載運動形式的工作目標。它不僅能夠直接讓帶有扭矩校驗傳感器的扭矩校驗儀能夠處于一種動態的在工作運行狀況下的扭矩校驗，是對較于傳統的在靜態下的扭矩校驗工作方法來說提供了一種新穎的校驗選擇。4.3利用磁懸浮效應微扭矩校準它主要廣泛適用于對微小運動扭矩的高速測量，并且同時具備扭矩測量時的精度高、分辨率高和測量不確定性小等諸多優點。常規電子扭矩精量傳感器精度校準儀往往用的是直接采用通過懸臂梁直接增加測量砝碼的機械結構，其操作結構簡單，，穩定性強，但也可能會同時存在摩擦阻力矩等諸多影響精度因素，難以完全能夠滿足微電子扭矩精度傳感器的自動計量精度校準。國家通用電機與傳動機械設備零配件行業產品質量安全監管監督檢驗中心徐君等負責人先后成功提出了利用磁懸浮運動效應嵌入式微運動扭矩壓力傳感器測量校準儀。[16]這種扭矩校準儀主要是在原來的運動懸臂梁架上增設了橫杠桿桿和加重扭矩砝碼檢測結構的基礎上，豎向兩側放置起了扭矩運動傳感器，并且充分采用了自動磁懸浮式傳動結構、純凈的扭矩運動加載檢測方式和采用輕質的金屬復合材料，極大地有效消除了摩擦阻力矩等其他嚴重干擾運動因素對所帶來的扭矩負面影響，提高了扭矩檢測工作精度。待手動校準的微重式扭矩速度傳感器需要經由驅動力臂的定位塊和抱緊件分別用手動將其固定到基礎底座上，轉軸上方分別設置一個驅動力臂，兩根導軌對稱地分別被固定在一個基礎支架的底座上，并且一定要求在上面分別有一個位置地安裝一個同時能夠順著兩根導軌上下兩個方向自由移動的圓形軸承架，弧形軸承架上方兩側應分別安裝一個微型弧形軸承。引線緊緊圍繞連接著力臂結構呈一個圓弧形的端面上部，并將其被懸掛在一個微型弧形軸承上，一端被力臂固定在一個驅動力臂上，另一個兩端則被力臂固定以作為一道驅動砝碼，力臂的結構中心的兩處內部磁鐵與一臺電動機的內部力量在臂結構中心的兩處內部磁鐵之間基本是相互作用吸附的，調整一臺電動機內部磁座的高度以便能夠改變一臺電動機承受磁力的運動大小，進而可以促使一臺電動機整個力臂結構處于水平懸浮的運動狀態。基礎底座上方應有一個可以調高的力臂支撐架和手足，調節整個力臂結構上升到相對垂直或橫向水平的支撐位置,校準的工作原理和靜重式力臂標準固定裝置中的在懸臂梁兩端增設一道砝碼的手動校準工作原則基本是一致的。4.4扭矩式傳感器不同時期的校準方式和優勢扭矩傳感器是目前在我國機械和工程自動化應用中極為靈活敏感的測量手段和儀器之一，扭矩傳感器實際操作的精度通常都要求得相當嚴格。于是我們就將新購買的這種扭矩式傳感器校準為這個問題,卻又無法被忽略了。扭矩傳感器按其校準的方式大致可以分為許許多多的校準模型，各種類型的校準模型都具有著不同的性能特點和優勢。[17]我們也可以選擇不同的校正方式，在各種功率檢測校正方法實驗室或者測試平臺現場上進行校正，校正傳感器工作任務，像目前廣泛應用于各種功率檢測校正平臺中的那樣，一直都努力把測量和扭矩信號通過網絡傳輸并送入實際應用中。最簡單的就是將測量計數扭矩傳遞直接通過保存在傳動軸體系內的扭矩傳感器執行。這也就是在廠商的校準設備或者其它在實驗室現場進行校準后在實驗室里做出扭力和轉速的傳感器進行校準后提供的一個參考。對此視PTB校準書或者DKD校準書直至產品生產商和廠家檢查簡報的要求為止進行確定，可以適應所有各種等級認證。測試平臺的校準系統具有以下三個主要優勢：第一點就是在安裝時測試平臺設置狀態和安裝時所在平臺設置狀態之間的差異而導致影響消失。其二就是再校準系統通過快速的設計和實施方式來大大節省了時間，因為不必將所有的測試平臺全部通過移動進行拆除，或者直接運輸后送往外部進行現場校準的工廠和實驗室，其三因為測試平臺的廣泛應用主要目的就是把它作為一種完整而又利益相關的測量方法和技術手段加以體現，它的干凈利落和可追溯性都被認為是已經完全具備了相關技術資質的，使得現場進行再校準的合適性理念更加貼合了可以追溯的根據與基本原則，搞清了校準工作的精確性。扭矩傳感器本身也就有一種被稱之為動態校準的學習方式，它是作為狹義的一種動態校準必須清醒地可以看到，在我們進行扭矩校準時需要檢測到的扭矩會隨著運轉時間慢慢發生變化，它在所需要的運轉時間中會發生與所需要的扭矩運轉速度相應。對此提出了一個新的設計要求,在扭矩連續發生變化的條件下，既需要設置可供參考的扭矩，又需要測量等待校準的傳感器輸出。這就需要我們特別重視其與測量工具的同步。此外，如果我們選擇的不是與之相適合進行參考和校準的物體或者對象完全嚴格相同的類型放大器，那么該類型放大器信號移走時會對其產生各種扭矩而產生影響。不同信號走路上也許很可能會因濾波器的不同調節而產生不同的結果。杠桿手臂-質量-系統不能被當做參照扭矩來源。通常要求采用一種新型的扭矩控制參考儀和傳感器。亦即我們同時也可通過這樣假設，扭矩由一個徑向軸的加速度相當于一個徑向軸上已知的具有質量慣性矩的徑向物體的重力進行計算就可以求得。往往我們通常也都是將一個人在旋轉過程中所做的一些需要運動而進行的扭矩校準以及與其他動態需要進行扭矩校準這一形式相稱或甚至還可能會導致使其他別人產生混淆，雖然一個人在旋轉時所做的運動本身無論是對于靜態的還是對于一個動態的都不能完全有任何決定性。然而，這種運動關系在一個某種程度上卻是完全沒有什么道理的，因為就是當一個動態泵和扭矩系統處于一個高速旋轉運動階段時，它們并不是完全被自動排除。在系統的運動行為控制模式的實際設計應用中，必須首先要對齒輪旋轉時的校準扭矩值進行區別為等于靜態軸向扭矩還是等于動態軸向扭矩。旋轉時的運動靜態校準模型表現了一個運動任務，對它不可能構成運動保險的一種運動行為校準模型。旋轉時的這種動態轉速校準較靜態的又準更無助于用戶減少額外的困難，技術上的狀態只不過就是為了確認轉速和驅動電流對旋轉零信號質量產生的最大影響。第5章動態扭矩校準系統的方案設計5.1動態校準系統建立基于設計的動態扭矩溯源方法，將圓光柵加入旋轉軸系，將圓光柵的衍射光引導進入激光多普勒測振儀的參考光路，通過激光多普勒測振儀提取衍射光中的多普勒頻移信息，實現角加速度的動態測量。另外構建數據處理軟件系統，配合加載多組慣量經過測定的砝碼，確定扭矩傳感器自身對動態扭矩的有效貢獻，進而得到動態扭矩的準確量值。首先，研究動態扭矩測量原理，基于衍射光信息提取技術測量角加速度，結合軸系中各部件轉動慣量的測定，達到動態扭矩的量值溯源的目的。采用激光多普勒測振儀作為提取衍射光信息的技術途徑，構建完成測量系統，設計數據處理軟件，確定扭矩傳感器本身對扭矩的有效貢獻，并最終得到動態扭矩的準確量值。該系統能夠實現對動態扭矩量值溯源的自動化,對扭矩傳感器的各個方面動態性能進行了測試。還將對不同類型的扭矩傳感器進行實驗,找出能夠反映各種扭矩傳感器的動態性能特征的關鍵參數。5.2基于衍射光信息提取的動態扭矩校準系統構建為了校準周期性加載下的扭矩傳感器，需將傳感器固定端安裝于旋轉激勵上，將充分大的轉動慣量連接至其測量端。這里的轉動慣量為相對于傳感器的測量軸為軸對稱的質量分布。因為需要盡可能地減小摩擦對測量的影響，必須使用軸承來引導旋轉運動。在周期性激勵的運動過程中，驅動扭矩通過傳感器傳輸到轉動慣量并引起之前提到的角加速度。通過測量該角加速度和轉動慣量，可由（3-1）式得到扭矩隨時間變化曲線。1)基于衍射光信息提取的角加速度測量系統設計與構建為了實現對角加速度的精確測量，在軸系中加入圓光柵，隨軸系一同轉動，使用激光多普勒測振儀提取圓光柵的衍射光中的多普勒頻移，由于是非接觸測量，對軸系中的扭矩傳遞無