多參數(shù)扭矩傳感器的校準(zhǔn)方法

鄭熙云 李業(yè)/.上海交通大學(xué)；.上海市計(jì)量測試技術(shù)研究院

0 引言

在旋轉(zhuǎn)動力系統(tǒng)中，動態(tài)扭矩傳感器作為一種具有顯示測量值或?qū)εぞo過程實(shí)施監(jiān)控的專用工具，在螺紋連接件的裝配中起著重要的作用，尤其在對扭矩?cái)Q緊設(shè)備的檢測和監(jiān)控中，動態(tài)扭矩傳感器有不可忽略的地位。隨著各個行業(yè)對擰緊工藝的重視，對擰緊工藝的控制要求也不局限于保證擰緊時扭矩參數(shù)的準(zhǔn)確可靠，而是對整個螺栓擰緊過程中扭矩和角度的狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確定量的控制。諸如對擰緊設(shè)備在給定的角度范圍內(nèi)所能達(dá)到的扭矩進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，或在一定范圍內(nèi)獲得扭矩隨角度變化的函數(shù)圖像等，促使了能同時檢測扭矩和角度這兩個參數(shù)的傳感器的大量使用。伴隨著JJF 1610-2017《電動、氣動扭矩扳子校準(zhǔn)規(guī)范》的頒布，提出了“高扭矩率”和“低扭矩率”的概念，進(jìn)一步推動了扭矩傳感器的角度控制的重要性，也大幅度提高了對動力擰緊系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的動態(tài)扭矩傳感器同時具備角度數(shù)據(jù)采集功能的必要性[1]。因此，對于扭矩/轉(zhuǎn)角傳感器的多參數(shù)校準(zhǔn)是未來扭矩校準(zhǔn)發(fā)展的方向。

本文運(yùn)用高準(zhǔn)確度的角度編碼器并通過設(shè)計(jì)相應(yīng)的夾具，實(shí)現(xiàn)對扭矩/轉(zhuǎn)角傳感器中角度參數(shù)的校準(zhǔn)。同時，設(shè)計(jì)可拆卸式的固定端子與不同規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)扭矩儀相連接，從而構(gòu)成參考式扭矩標(biāo)準(zhǔn)裝置來實(shí)現(xiàn)扭矩的校準(zhǔn)，繼而達(dá)到多參數(shù)校準(zhǔn)的目的[2]。

1 裝置的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)

裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 校準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)

由于現(xiàn)有的大部分動態(tài)扭矩/轉(zhuǎn)角傳感器[3]（以下簡稱傳感器）均采取方頭方孔的結(jié)構(gòu)，因此，裝置以方頭方孔的傳感器作為測量目標(biāo)加以設(shè)計(jì)。運(yùn)用法蘭盤和帶有螺紋孔和機(jī)械制動的固定結(jié)構(gòu)將角度編碼器與轉(zhuǎn)臺相連接。在搖動手柄時，通過箱體內(nèi)絲杠帶動狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)角度編碼器與轉(zhuǎn)臺同軸旋轉(zhuǎn)。經(jīng)由金屬連接桿將輸出端轉(zhuǎn)化為方孔與傳感器同軸串聯(lián)，繼而達(dá)到傳感器、角度編碼器、轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)的角度相同，從而比較被測傳感器角度是否準(zhǔn)確[4]。

從圖1可以看到，在裝置頂部存在螺紋孔，帶有方孔的頂部通過安裝螺栓從而對傳感器機(jī)械制動，實(shí)現(xiàn)對一端的定位和制動。并根據(jù)被測傳感器的量程選擇相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)扭矩儀[5]，形成參考式扭矩標(biāo)準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)從而完成扭矩量的校準(zhǔn)。針對不同型號規(guī)格的傳感器，可以通過更換連接法蘭盤以及其他轉(zhuǎn)接件的配合，從而實(shí)現(xiàn)角度和扭矩兩個參數(shù)校準(zhǔn)的目的。

2 裝置的誤差控制

校準(zhǔn)裝置的誤差來源主要有角度編碼器自身存在的誤差，即標(biāo)準(zhǔn)裝置引入的系統(tǒng)誤差，以及由裝置機(jī)械裝配、間隙等因素引起的隨機(jī)誤差[6]。由于標(biāo)準(zhǔn)裝置引入的系統(tǒng)誤差可以確定，因此這里對裝置的隨機(jī)誤差，尤其是由機(jī)械間隙引入的隨機(jī)誤差進(jìn)行討論[7]。

2.1 機(jī)械間隙引入的隨機(jī)誤差

由于在扭矩的測量中，可以通過施加預(yù)加載的方式，通過加載力一定程度上消除機(jī)械間隙，減小間隙帶來的誤差。而在角度的測量中，由于裝置處于不受力的狀態(tài)，傳感器與裝置以及裝置之間的間隙會對結(jié)果產(chǎn)生較大的影響。因此，設(shè)計(jì)的校準(zhǔn)裝置采用機(jī)械抱軸的方式作為連接盤連接底部轉(zhuǎn)臺與角度編碼器，根據(jù)選用的角度編碼器結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)如圖2所示連接盤。

圖2 角度編碼器與法蘭連接盤結(jié)構(gòu)

采用機(jī)械抱軸的方式，一方面考慮到在角度測量過程中，裝置整體不受扭矩作用，機(jī)械抱軸的緊固力足夠保持角度編碼器隨轉(zhuǎn)臺軸向旋轉(zhuǎn)。同時機(jī)械抱緊的方式能夠最大限度地減少角度編碼器與轉(zhuǎn)臺間的機(jī)械誤差。機(jī)械抱軸的方式也可以運(yùn)用在角度編碼器與傳感器連接的連接桿上，從而實(shí)現(xiàn)對裝置整體誤差的控制。

2.2 傳感器原理引入的隨機(jī)誤差

現(xiàn)階段的動態(tài)扭矩/轉(zhuǎn)角傳感器的角度參數(shù)，多采用相位差式或光電式的方式達(dá)到角度測量的目的。其原理均是測量傳感器軸和外殼間旋轉(zhuǎn)角度的相對變化量從而計(jì)算角度值。因此，在過去對傳感器角度的測量或使用中，使傳感器外殼相對固定是測量工作中的一個難題。傳感器外殼的旋轉(zhuǎn)引入的影響量，是角度測量工作中最大的誤差來源。

設(shè)計(jì)的裝置通過其側(cè)面的兩個定位螺栓來解決這個問題。由于在角度測量過程中傳感器的外殼不受力，因此僅需要兩個螺栓通過螺母調(diào)節(jié)其位置對被測傳感器進(jìn)行相對固定。這樣在測量角度的過程中，不會因?yàn)閭鞲衅魍鈿るS軸心產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)失真的情況出現(xiàn)。

值得注意的是，由于傳感器在測量扭矩的過程中，其外殼同樣受力較小，同時，在扭矩測量過程中，殼體與軸心的相對位置變化同樣會引起傳感器應(yīng)變信號的擾動，從而引起數(shù)據(jù)的輕微波動。因此，在扭矩的測量過程中，同樣能夠通過固定螺栓對傳感器外殼進(jìn)行固定，繼而減小測量結(jié)果的不確定度。

3 裝置角度示值誤差的不確定度評定

由于裝置扭矩的示值誤差評定[7,8,9]已有較為完備的評定體系，根據(jù)極差法預(yù)估可以得到裝置扭矩示值誤差的擴(kuò)展不確定度UT=0.62%，k=2，本文對裝置的角度示值誤差的不確定度進(jìn)行評定。

裝置的測量模型可以表示為

不確定度來源為標(biāo)準(zhǔn)裝置引入的測量不確定度us以及重復(fù)性引入分量

標(biāo)準(zhǔn)裝置的最大允許誤差為±1′的角度編碼器，因此標(biāo)準(zhǔn)器引入分量us可以表示為

由此可以得到示值誤差的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

因此擴(kuò)展不確定度UA=0.06°，k=2

4 結(jié)語

本文通過對現(xiàn)有的扭矩/轉(zhuǎn)角傳感器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和測量原理進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)出一套可以檢測轉(zhuǎn)角、扭矩兩種參數(shù)的校準(zhǔn)裝置。通過連接件的更換，可以實(shí)現(xiàn)對10～1 000 Nm扭矩量程和10°以上角度量程的測量。

未來，可以通過對加載機(jī)構(gòu)進(jìn)行自動化改造，并增加時頻測量功能，從而實(shí)現(xiàn)對1 r/min以下低轉(zhuǎn)速參數(shù)的測量。此外，還可通過數(shù)據(jù)采集功能板將數(shù)據(jù)集中在人機(jī)交互界面中，進(jìn)一步拓展裝置的實(shí)用價值。