磁悬浮效应微扭矩传感器校准仪设计

徐 君， 朱 颖， 潘万苗， 应 献， 葛荣杰

（1.国家电机及机械零部件产品质量监督检验中心，浙江 台州 318000；2.94782部队，浙江 杭州 310021）

1 引 言

微扭矩传感器适用于微小扭矩测量，具有测量精度高、分辨率高和不确定度小等特性，如奇石乐（KISTLER）微扭矩传感器量程为0～0.2 Nm，精度等级为0.05，我国50Nm静重式扭矩基准机的最小测量扭矩为0.5Nm，难以满足该微扭矩传感器的计量校准要求[1]。目前，扭矩传感器的计量校准多采用扭矩静态标定，比较成熟的方法为悬臂梁加砝码[2]。其主要原因是标准砝码质量精度高、稳定性好，如毫克组E1等级砝码最小质量为1mg，最大测量允许误差为0.003mg[3]，但也存在摩擦阻力矩[4]等干扰因素。该文在传统悬臂梁加砝码的结构基础上，采用磁悬浮结构[5-8]、纯扭矩加载方式[4，9]和复合材料，设计了新型微扭矩传感器校准仪。

2 微扭矩传感器校准仪设计

2.1 工作原理

新型微扭矩传感器校准仪结构原理图如图1所示。待校准的微扭矩传感器通过定位块和抱紧块固定在底座上，转轴上安装力臂；两根导轨对称固定在底座上，并在上面安装可沿导轨上下移动的轴承架；轴承架上安装微型轴承；引线绕过力臂圆弧状的端部并挂在微型轴承上，一端固定在力臂上，另一端固定一砝码；力臂中心处磁铁与磁座中心处磁铁处于相吸状态，调整磁座高度来改变磁力大小，进而使力臂处于悬浮状态；底座上安装调高支撑脚，调节整个机构到水平位置。

2.2 磁悬浮结构设计

通常情况下扭矩传感器校准时，采用水平放置，如图2（a）所示。力臂重力G会在扭矩传感器转轴上产生弯矩M，进而影响机构的灵敏度和测量精度。

图1 新型微扭矩传感器校准仪结构原理图

图2 扭矩传感器水平放置与垂直放置对比图

对扭矩传感器摆放位置进行改进，采用垂直放置方式，如图2（b）所示。这种方式可以保证力臂的重心落在传感器转轴的中心位置，从理论上消除了力臂重力G施加在扭矩传感器转轴的弯矩M，但也会在扭矩传感器内部产生静摩擦阻力矩Mf。

为了消除静摩擦阻力矩Mf的影响，在垂直放置的力臂基础上增加磁悬浮装置，如图3所示。

在力臂和磁座的旋转中心位置上分别安装圆盘状永磁铁，通过调节两者间的距离d来改变磁力的大小，进而达到平衡重力G的目的，使力臂处于悬浮状态。两磁铁的半径一大一小且中心位于轴线O′O″上，这种结构可以保证力臂即使发生旋转系统磁通量增量ΔΦ始终为零，不会引入额外的阻力矩；同时可保证两磁铁中心安装位置有一定的同轴度偏差，简化制造工艺。

2.3 新型力臂设计

图3 磁悬浮结构

图4 传统力臂及其受力分析图

传统的力臂多采用金属材料（如铝合金），矩形结构，如图 4（a）所示。由图 4（b）可知，O 处为扭矩传感器转轴安装位置，系统通过在力臂一端加载作用力F来产生扭矩T，当力臂在多种不确定因素（如环境震动、扭矩扭转、人为干扰等）的干扰下，使其实际位置和理论位置出现角度偏差α。此时，力臂有效作用长度发生变化，进而使扭矩T的实际值与理论值出现偏差，引入测量误差。

在传统力臂基础上进行改进设计。首先，采用轻质复合材料作为力臂材料，减轻重量。该复合材料以环氧树脂为基体，碳纤维为增强体，具有比重小、比强度和比模量大等特点。其次，力臂两端设计成圆弧状，结构如图 5（a）所示。

由图1可知，作用力（记为F1和F2）是砝码重力通过引线施加在力臂上的。同时，引线绕在力臂圆弧状的端部上，当力臂实际位置与理论位置的角度偏差α在一定范围内变化时，引线始终与力臂圆弧状的端部相切，如图5（b）所示。这种结构可保证：

（1）力臂有效作用长度始终不变。由于作用力方向与引线方向一致，那么力臂有效作用长度为圆心O点到切点之间的距离，即始终为半径R。

（2）实现纯扭矩加载目的。由于作用力是等质量的砝码通过引线施加在力臂上的，那么力臂两端的作用力大小相同且方向相反，系统的合外力为零，只有扭矩T，即实现纯扭矩加载。

数学模型可描述为[10]：

式中：T——作用在力臂上的扭矩；

F1、F2——作用在力臂两端的力；

m——砝码在真空中的质量；

g——所在地的重力加速度；

ρa——空气密度；

ρw——砝码材料密度；

R——力臂半长；

α——力臂实际位置与理论位置的角度偏差；

3 结束语

通过采取待校准的扭矩传感器垂直放置、磁悬浮结构、轻质复合材料、力臂两端圆弧结构、纯扭矩加载等措施，从理论上消除了外界诸多不利因素对测量精度的影响。同时为验证该微扭矩校准仪的实际效果，下一步将开展实验检验和实验室比对活动。

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