本發(fā)明涉及一種動態(tài)扭矩校準方法，屬于計量測試領域。

背景技術：

航空、航天、船舶、裝甲車輛、海洋工程，材料科學、反恐機器人等領域大量使用動態(tài)扭矩測試系統(tǒng)，然而上述設備無法進行動態(tài)校準，處于“靜標動用”階段。由于校準和使用狀態(tài)的不一致，大大增加了其使用的不確定度。

目前針對扭矩的校準研究大多集中在靜態(tài)扭矩校準研究，動態(tài)扭矩的計量測試校準還處于前期研究階段。動態(tài)扭矩的激勵源信號類型一般有階躍激勵、正弦激勵兩種。階躍扭矩激勵一般采用力臂—質量塊系統(tǒng)或液壓系統(tǒng)施加一個已知的扭矩值，通過突然卸荷的方式產生負階躍扭矩，該類裝置主要進行扭矩傳感器的時域特性校準。正弦激勵一般由電機或液壓伺服系統(tǒng)產生，如德國聯(lián)邦物理技術研究院采用正弦信號驅動電機的方式產生正弦扭矩，系統(tǒng)采用開環(huán)控制的方式，它主要用于對扭矩傳感器的頻域特性校準。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術無法對動態(tài)扭矩進行校準的問題，提供一種動態(tài)扭矩校準裝置。該裝置包括基于分體式力矩電機和氣浮軸系的動態(tài)扭矩激勵源，通過閉環(huán)控制可以獲得高品質的正弦或其它類型的動態(tài)扭矩波形；基于柱狀光柵和激光干涉儀的角加速度測量系統(tǒng)。通過轉動慣量和角加速度測量將動態(tài)扭矩量溯源到國際單位制(SI)，可以建立動態(tài)扭矩原級計量標準，

本發(fā)明是通過下述技術方案實現(xiàn)的。

一種動態(tài)扭矩校準方法，具體步驟如下：

步驟一、動態(tài)扭矩校準裝置采用分體式力矩電機驅動轉動慣量負載產生扭矩，按照所需要激勵的動態(tài)扭矩波形產生旋轉運動。扭矩傳感器感受所產生的扭矩量，輸出電信號。

步驟二、采用激光干涉儀1與光柵1合作、激光干涉儀2與光柵4合作，激光干涉儀的入射光和衍射光符合光柵方程：

其中，k是衍射序列(k＝±1),g是光柵常數，λ是激光的波長，α是入射角，β是衍射角。

調整入射角使其和一級衍射光角度相同，使得激光干涉儀的入射和反射光重合。激光干涉儀接收反射光，得到光電信號。

步驟三、激光干涉儀1和激光干涉儀2輸出的電信號由高速數據采集卡同步采集，經處理獲得轉動的角位移、角速度進而得到角加速度。步驟一輸出的電信號經過放大后由數據采集卡1采集。高速數據采集卡和數據采集卡1通過PXI總線控制實現(xiàn)同步采集。

步驟四、通過測量安裝在被校扭矩傳感器上方運動部件的有效載荷轉動慣量以及角加速度，計算獲得動態(tài)扭矩量值M：

式中：J₀—傳感器與標準塊之間的連接機構的轉動慣量，kgm²；

J₁—標準塊的轉動慣量，kgm²；

J₂—傳感器的等效轉動慣量，kg；

—有效慣量載荷上等效角加速度，rad·s^-2。

所述得到等效角加速度的方法為：兩臺激光干涉儀安裝在隔振平臺上，使激光干涉儀柱狀光柵分別位于同一水平面。采用外差式激光干涉儀，調整入射角使其和一級衍射光角度相同，使激光在柱狀光柵上的一級衍射光與激光干涉儀的出射光光路重合，衍射光與激光干涉儀的參考光在光電轉換器處匯合并產生干涉，經光電轉換及信號調理后，由高速數據采集卡采集并處理，獲得柱狀光柵上激光入射點處的角加速度值。采用兩臺激光干涉儀可以獲得兩個點的角加速度值，轉動慣量負載不同位置的角加速度存在差異。通過測量及有限元計算獲得轉動慣量負載在不同工況下各點的角加速度分布規(guī)律，將其與測量到的兩點的角加速度值進行融合，獲得轉動慣量負載的等效角加速度

步驟五、通過比較步驟四所得的動態(tài)扭矩量值M及步驟三數據卡采集到的扭矩傳感器輸出的電信號，獲得扭矩傳感器的動態(tài)特性。

動態(tài)扭矩校準裝置，包括上部結構和下部結構：

所述上部結構由臺面光柵、上氣浮軸、上軸承座、柱狀光柵、上接口和慣量標準塊組成；慣量標準塊放置在臺面光柵上；上軸承座為倒凸字形結構，中間開有通孔，且內部有空腔；上軸承座的腔壁內設有氣道和氣孔；上氣浮軸為十字結構，上氣浮軸放置在上軸承座內部空腔中，當空腔充滿氣體時上氣浮軸與上軸承座不接觸；上氣浮軸的頂端與臺面光柵固定連接；上氣浮軸的底端穿過柱狀光柵與上接口固定連接；上氣浮軸與柱狀光柵螺紋連接，但與上軸承座不接觸；上接口為中空的圓餅結構，用于固定被校傳感器；

所述下部結構由被校傳感器，下接口，反饋光柵，下氣浮軸，下軸承座，電機轉子，電機定子，鎖緊螺母組成；下軸承座為凸字形結構，中間開有通孔，且內部開設上下兩個內腔；下氣浮軸為十字結構，當下軸承座的上內腔充滿氣體時下氣浮軸與下軸承座不接觸；下氣浮軸置于上內腔中，軸穿過下軸承座中間的通孔，頂端穿過反饋光柵與下接口固定連接；反饋光柵與下氣浮軸螺紋連接，但與下軸承座不接觸；下接口為中空的圓餅結構，用于固定被校傳感器；電機轉子位于下軸承座的下內腔，通過鎖緊螺母固定在下氣浮軸上；電機定子固定在下軸承座的下內腔側壁上，并與電機轉子平行；下軸承座的腔壁內設有氣道和氣孔；

升降桿穿過上部結構的上軸承座與下部結構的下軸承座固定在底座上；升降桿通過鎖緊機構進行固定；

整體工作過程：移動調節(jié)下軸承座，帶動安裝其上的電機轉子、定子、下氣浮軸系、反饋光柵及被校扭矩傳感器等向上移動，使被校傳感器與上接口連接并鎖緊。上接口、柱狀光柵和轉動慣量標準塊安裝在上氣浮軸上，形成有效載荷慣量。當驅動電機時，電機轉子帶動下氣浮軸、反饋光柵、被校扭矩傳感器、上氣浮軸及柱狀光柵、轉動慣量標準塊一起運動，通過測量安裝在被校扭矩傳感器上方運動部件的有效載荷慣量以及運動時的角加速度大小，通過公式(2)計算獲得動態(tài)扭矩量值。

通過數字控制系統(tǒng)進行計算，獲取最佳的控制參數，對電機進行控制，以產生需要的扭矩波形。動態(tài)扭矩波形可以是正弦、半正弦、隨機或其它所需要的波形。

有益效果

通過轉動慣量和角加速度量可以將動態(tài)扭矩量溯源到國際單位制(SI)，可以建立動態(tài)扭矩原級標準。采用閉環(huán)控制的方式產生動態(tài)扭矩，可以獲得高品質的正弦或其它類型的動態(tài)扭矩波形。

附圖說明

圖1本發(fā)明動態(tài)扭轉激勵臺結構示意圖；

圖2本發(fā)明動態(tài)扭矩測控系統(tǒng)；

圖3激光干涉角加速度測量裝置；

圖4動態(tài)扭矩控制系統(tǒng)。

圖5正弦扭矩信號處理流程

圖6時域微分方法處理沖擊扭矩信號流程圖

圖7頻域微分法處理沖擊扭矩信號流程圖

其中，1-臺面光柵，2-上氣浮軸，3—上軸承座，4—柱狀光柵，5—上接口，6—被校傳感器，7—升降桿，8—下接口，9—反饋光柵，10—鎖緊機構，11—下氣浮軸，12—下軸承座，13—電機轉子，14—電機定子，15—鎖緊螺母，16—底座，17—慣量標準塊。

具體實施方式

下面結合附圖與實施例對本發(fā)明作進一步說明。

實施例1(裝置)

本發(fā)明的動態(tài)扭矩控制系統(tǒng)采用電機驅動標準轉動慣量塊的方式產生動態(tài)扭矩。如附圖1所示，采用分體式無刷力矩電機作為扭矩發(fā)生器，電機轉子帶動下氣浮軸、反饋光柵、被校扭矩傳感器、上氣浮軸及柱狀光柵、轉動慣量標準塊一起運動，通過測量安裝在被校扭矩傳感器上方運動部件的有效載荷慣量以及運動時的角加速度大小，計算獲得扭矩量值。為產生高品質的扭矩波形，采用附圖3所示閉環(huán)控制方式對電機進行控制。

標準轉動慣量塊的轉動慣量為已知量，連接標準轉動慣量塊和扭矩傳感器之間軸系的空載轉動慣量可以精確測量。電機采用分體式永磁力矩電機作為扭矩發(fā)生器，電機本身沒有輸出軸和軸承，將轉子直接安裝在運動軸上，將定子安裝在靜止部分；采用兩只氣浮軸系抑制非回轉運動，氣浮軸系在減小摩擦阻力矩的同時，上氣浮軸系用于減小被校傳感器上部有效慣量載荷的回轉誤差以及轉動慣量塊對扭矩傳感器的軸向作用力，下氣浮軸系則有效減小電機輸出軸的竄動和擺動，動態(tài)扭矩激勵裝置的運動部分與靜止部分沒有機械接觸，極大地降低了摩擦阻力矩對動態(tài)扭矩測量準確度的影響。

被校扭矩傳感器6利用上接口5和下接口8進行安裝；臺面光柵1和柱狀光柵4用于角加速度參數測量；上氣浮軸2與上軸承座4構成上氣浮軸系；升降桿7是精密導軌，用于安裝和導引，使上氣浮軸、扭矩傳感器和下氣浮軸同軸；反饋光柵9用于轉動控制系統(tǒng)的角運動測量反饋；鎖緊螺母10用于縮緊可移動系統(tǒng)；下氣浮軸11和下軸承座12構成下氣浮軸系；將電機轉子13直接安裝在運動軸上，將電機定子14安裝在靜止部分；底座16用于固定、安裝和支撐各分系統(tǒng)。

移動調節(jié)下軸承座，帶動安裝其上的電機轉子、定子、下氣浮軸系、反饋光柵及被校扭矩傳感器等向上移動，使被校傳感器與上接口連接并鎖緊。上接口、柱狀光柵和轉動慣量標準塊安裝在上氣浮軸上，形成有效載荷慣量。當驅動電機時，電機轉子帶動下氣浮軸、反饋光柵、被校扭矩傳感器、上氣浮軸及柱狀光柵、轉動慣量標準塊一起運動，通過測量安裝在被校扭矩傳感器上方運動部件的有效載荷慣量以及運動時的角加速度大小，計算獲得動態(tài)扭矩量值。

該裝置可以產生正弦扭矩和沖擊扭矩，具有干擾力矩小、波形質量好、動態(tài)扭矩量值易于溯源等特點，激勵源的典型參數如表1所示。

表1動態(tài)扭矩激勵源基本特性

實施例2(方法)

動態(tài)扭矩校準數據采集和分析采用如附圖2所示基于PXI總線計算機的系統(tǒng)。該系統(tǒng)插入1個計算機模塊、1個高速數據采集模塊、2個數據采集模塊、1個任意波發(fā)生模塊、1個控制模塊。計算機模塊是系統(tǒng)的核心，用于運行軟件和數據存儲。任意波發(fā)生模塊可以將數字信號通過16位D/A轉換為模擬信號，用于電機的控制?？刂颇K用于氣源的控制。

步驟一、動態(tài)扭矩校準裝置采用分體式力矩電機驅動轉動慣量負載產生扭矩，按照所需要的激勵的動態(tài)扭矩波形產生旋轉運動。扭矩傳感器感受所產生的扭矩量，輸出電信號。

步驟二、采用激光干涉儀1與光柵1合作、激光干涉儀2與光柵4合作，激光干涉儀的入射光和衍射光符合光柵方程：

其中，k是衍射序列(k＝±1),g是光柵常數，λ是激光的波長，α是入射角，β是衍射角。

調整入射角使其和一級衍射光角度相同，使得激光干涉儀的入射和反射光重合，激光干涉儀接收反射光，反射光與參考光干涉，通過光電轉換，輸出電信號。高速數據采集模塊用于采集2臺激光干涉儀輸出的電信號，它有兩個同步采集的12位A/D，每個通道的采樣頻率為100MHz。

步驟三、激光干涉儀1和2輸出的電信號由高速數據采集卡同步采集，經處理獲得轉動的角位移、角速度進而得到角加速度。步驟一輸出的電信號經過放大后由數據采集卡1采集。高速數據采集卡和數據采集卡1通過PXI總線控制實現(xiàn)同步采集。數據采集模塊1和數據采集模塊2分別用于采集扭矩傳感器的輸出信號和光柵讀數頭的輸出信號，它們分別是單通道的24位A/D，每個通道的采樣頻率為1MHz。數據采集卡2測量光柵讀數頭輸出信號，通過計算獲得角位移信號。角位移信號和扭矩傳感器的輸出信號輸入數字控制系統(tǒng)軟件，通過計算獲取最佳的控制參數，通過任意波發(fā)生器輸出電信號對電機進行控制，以產生需要的扭矩波形。扭矩波形可以是正弦、半正弦、隨機或其它所需要的波形

步驟四、通過測量安裝在被校扭矩傳感器上方運動部件的有效載荷轉動慣量以及角加速度，計算獲得動態(tài)扭矩量值M：

式中：J₀—傳感器與標準塊之間的連接機構的轉動慣量，kgm²；

J₁—標準塊的轉動慣量，kgm²；

J₂—傳感器的等效轉動慣量，kg；

—有效慣量載荷上等效角加速度，rad·s^-2。

所述得到等效角加速度的方法為：兩臺激光干涉儀安裝在隔振平臺上，使激光干涉儀柱狀光柵分別位于同一水平面。采用外差式激光干涉儀，調整入射角使其和一級衍射光角度相同，使激光在柱狀光柵上的一級衍射光與激光干涉儀的出射光光路重合，衍射光與激光干涉儀的參考光在光電轉換器處匯合并產生干涉，經光電轉換及信號調理后，由高速數據采集卡采集并處理，獲得柱狀光柵上激光入射點處的角加速度值。采用兩臺激光干涉儀可以獲得兩個點的角加速度值，轉動慣量負載不同位置的角加速度存在差異。通過測量及有限元計算獲得轉動慣量負載在不同工況下各點的角加速度分布規(guī)律，將其與測量到的兩點的角加速度值進行融合，獲得轉動慣量負載的等效角加速度

步驟五、通過比較步驟四所得的動態(tài)扭矩量值M及步驟三數據卡采集到的扭矩傳感器輸出的電信號，獲得扭矩傳感器的動態(tài)特性。

動態(tài)扭矩值M由公式(2)計算。式中J₀為傳感器與標準塊之間的連接機構的轉動慣量，J₁為標準塊的轉動慣量，上述兩個轉動慣量值通過測量得到。J₂為扭矩傳感器的等效轉動慣量，它為扭矩傳感器測量敏感元件以上的傳感器結構的轉動慣量，它在動態(tài)校準中也產生扭矩作用于敏感元件上。J₂通過兩次測量進行計算。

扭矩傳感器的靈敏度S表示為：

式中：U是扭矩傳感器的輸出電壓；J₀和J₁為已知的轉動慣量值，J₂為扭矩傳感器的等效轉動慣量,為有效慣量載荷上等效角加速度。

傳感器的等效轉動慣量J₂由下述方法獲得:

首先選定某個已知量值的轉動慣量標準塊J_1a進行校準，獲得扭矩傳感器的輸出電壓U_a和角加速度將轉動慣量標準塊卸掉，更換成另一量值不同的轉動慣量標準塊J_1b，進行校準，獲得扭矩傳感器的輸出電壓U_b和角加速度公式(3)中，扭矩傳感器的靈敏度S在兩次校準中不變，則：

由上式可以求出J₂值。

正弦扭矩信號處理方法：在校準頻率f，通過激光干涉測量系統(tǒng)得到的角位移系列s(n)和扭矩傳感器的輸出隨時間變化的系列U_t(n)可以計算出各自正弦波的幅值和相位。如附圖5示，首先對兩個系列分別進行帶通濾波，選擇適當的濾波器可以濾除噪聲，同時應避免影響信號的幅值和相位。采用相同的濾波參數對干涉儀輸出的位移信號和扭矩傳感器輸出的電壓信號進行濾波，以減少濾波器不一致引入的測量誤差。計算正弦波的幅值和相位可采用DFT法或正弦擬合法。通過上述處理，獲得正弦扭矩的幅值M_Amp和相位M_Pha，扭矩傳感器輸出電信號的幅值U_Amp和相位U_Pha。扭矩傳感器的靈敏度由公式(5)求出，相移由公式(6)求出。

Δθ＝U_Pha-M_Pha (6)

其它頻點正弦扭矩校準，信號處理方法同上。通過對一系列頻點正弦扭矩的校準，獲得其在不同頻率下的幅值靈敏度和相移。

沖擊扭矩信號處理方法：由激光干涉儀測量到的是角位移信號，由角位移信號獲得角加速度信號需要進行兩次微分，而微分過程將引入噪聲，降低信號的信噪比。因此，沖擊信號的處理關鍵是采用各種方法抑制噪聲。對沖擊信號進行微分可以采用時域或頻域微分兩種方法。附圖6為時域微分方法處理沖擊角加速度信號流程圖；附圖7為頻域微分法處理沖擊角加速度信號流程圖。無論采用哪種方法，較理想光滑的半正弦激勵波形是基礎，選用適當的低通濾波器是關鍵。信號的微分過程將使其信噪比大幅下降，在微分前后都需要對信號進行濾波。通過沖擊扭矩的時域波形，可以獲得其扭矩峰值M_Peak；通過扭矩傳感器的輸出可以獲得其電壓峰值U_Peak，扭矩傳感器的幅值靈敏度S_Peak為：

動態(tài)扭矩校準裝置的典型計量特性如表2所示，采用本發(fā)明的方法，校準正弦扭矩的頻率范圍較寬，測量不確定度較小，其中幅值擴展不確定度優(yōu)于1％，相移擴展不確定度優(yōu)于1°；校準沖擊扭矩的幅值擴展不確定度優(yōu)于1％。

表2動態(tài)扭矩校準裝置計量特性