磁懸浮效應微扭矩傳感器校準儀設計

徐 君， 朱 穎， 潘萬苗， 應 獻， 葛榮杰

（1.國家電機及機械零部件產品質量監督檢驗中心，浙江 臺州 318000；2.94782部隊，浙江 杭州 310021）

1 引 言

微扭矩傳感器適用于微小扭矩測量，具有測量精度高、分辨率高和不確定度小等特性，如奇石樂（KISTLER）微扭矩傳感器量程為0～0.2 Nm，精度等級為0.05，我國50Nm靜重式扭矩基準機的最小測量扭矩為0.5Nm，難以滿足該微扭矩傳感器的計量校準要求[1]。目前，扭矩傳感器的計量校準多采用扭矩靜態標定，比較成熟的方法為懸臂梁加砝碼[2]。其主要原因是標準砝碼質量精度高、穩定性好，如毫克組E1等級砝碼最小質量為1mg，最大測量允許誤差為0.003mg[3]，但也存在摩擦阻力矩[4]等干擾因素。該文在傳統懸臂梁加砝碼的結構基礎上，采用磁懸浮結構[5-8]、純扭矩加載方式[4，9]和復合材料，設計了新型微扭矩傳感器校準儀。

2 微扭矩傳感器校準儀設計

2.1 工作原理

新型微扭矩傳感器校準儀結構原理圖如圖1所示。待校準的微扭矩傳感器通過定位塊和抱緊塊固定在底座上，轉軸上安裝力臂；兩根導軌對稱固定在底座上，并在上面安裝可沿導軌上下移動的軸承架；軸承架上安裝微型軸承；引線繞過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，調整磁座高度來改變磁力大小，進而使力臂處于懸浮狀態；底座上安裝調高支撐腳，調節整個機構到水平位置。

2.2 磁懸浮結構設計

通常情況下扭矩傳感器校準時，采用水平放置，如圖2（a）所示。力臂重力G會在扭矩傳感器轉軸上產生彎矩M，進而影響機構的靈敏度和測量精度。

圖1 新型微扭矩傳感器校準儀結構原理圖

圖2 扭矩傳感器水平放置與垂直放置對比圖

對扭矩傳感器擺放位置進行改進，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軸的彎矩M，但也會在扭矩傳感器內部產生靜摩擦阻力矩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上增加磁懸浮裝置，如圖3所示。

在力臂和磁座的旋轉中心位置上分別安裝圓盤狀永磁鐵，通過調節兩者間的距離d來改變磁力的大小，進而達到平衡重力G的目的，使力臂處于懸浮狀態。兩磁鐵的半徑一大一小且中心位于軸線O′O″上，這種結構可以保證力臂即使發生旋轉系統磁通量增量ΔΦ始終為零，不會引入額外的阻力矩；同時可保證兩磁鐵中心安裝位置有一定的同軸度偏差，簡化制造工藝。

2.3 新型力臂設計

圖3 磁懸浮結構

圖4 傳統力臂及其受力分析圖

傳統的力臂多采用金屬材料（如鋁合金），矩形結構，如圖 4（a）所示。由圖 4（b）可知，O 處為扭矩傳感器轉軸安裝位置，系統通過在力臂一端加載作用力F來產生扭矩T，當力臂在多種不確定因素（如環境震動、扭矩扭轉、人為干擾等）的干擾下，使其實際位置和理論位置出現角度偏差α。此時，力臂有效作用長度發生變化，進而使扭矩T的實際值與理論值出現偏差，引入測量誤差。

在傳統力臂基礎上進行改進設計。首先，采用輕質復合材料作為力臂材料，減輕重量。該復合材料以環氧樹脂為基體，碳纖維為增強體，具有比重小、比強度和比模量大等特點。其次，力臂兩端設計成圓弧狀，結構如圖 5（a）所示。

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

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

（2）實現純扭矩加載目的。由于作用力是等質量的砝碼通過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，系統的合外力為零，只有扭矩T，即實現純扭矩加載。

數學模型可描述為[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——砝碼在真空中的質量；

g——所在地的重力加速度；

ρa——空氣密度；

ρw——砝碼材料密度；

R——力臂半長；

α——力臂實際位置與理論位置的角度偏差；

3 結束語

通過采取待校準的扭矩傳感器垂直放置、磁懸浮結構、輕質復合材料、力臂兩端圓弧結構、純扭矩加載等措施，從理論上消除了外界諸多不利因素對測量精度的影響。同時為驗證該微扭矩校準儀的實際效果，下一步將開展實驗檢驗和實驗室比對活動。

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