高精度微扭矩動態測試儀

王麗芳+黃星+程磊

摘 要：在很多相關領域當中，高精度微扭矩的測試，都是一項十分重要的工作。在這一過程中，需要對高精度微扭矩動態測試儀進行應用。在實際應用中，高精度、非接觸式的為扭矩動態測試儀，其關鍵性的技術主要包括了非接觸微力制動、微力自動加載等技術?；诖?，本文主要分析了這兩項關鍵技術，并對儀器準確分析和測量結果進行了分析。

關鍵詞： 高精度；微扭矩；動態；測試儀

前言：在微操作系統、微機械等領域當中，微驅動器是一項較為前沿的研究內容。在微驅動器當中，輸出扭矩、轉速之間的關系，是一項重要的機電參數。由于結構尺寸很小，因而通常只能采取計算的方法，對微驅動器的扭矩進行獲取。以往接觸的間接方法進行測試，只能夠對10-5Nm以上的輸出扭矩進行測量。對此，可以利用高精度、微扭矩的動態測試儀，對微驅動器輸出扭矩進行動態測試，能夠提高測量精度和測量準度。

1 測量原理

在測試裝置當中，主要包括了計算機控制部分，測速光電管，微力自動加載線圈，對天平平衡進行控制，天平，勵磁線圈、制動磁極等非接觸制動組件，以及微驅動器輸出軸中安裝的薄鋁盤等部分構成。在實際運行當中，勵磁線圈中有電流流經，在兩個制動磁極的縫隙當中，會有一定強度的磁場產生。在被測微驅動器的帶動之下，鋁盤發生旋轉，在磁場中，其邊緣對磁力線造成切割，因而由渦電流產生于其內部。在磁場的作用下，渦電流會對鋁盤產生力的作用，與其運動方向是相反的[1]。

同時，在制動磁極當中，也具有方向相反、大小相同的力，對其產生反作用。對天平右端的砝碼數量進行調節，讓天平恢復到平衡的狀態。利用這一方法，能夠準確的測量出反作用力的大小。這一反作用力，和制動磁極與微驅動器軸心距離的乘積，就是在該轉速之下，微驅動器的輸出扭矩值。對勵磁線圈當中的電流大小進行改變，也會同時概念微驅動器輸出扭矩和轉速。因此，能夠對微驅動器的轉速、扭矩之間變化的關系，進行明確。

2 非接觸式微力制動

在非接觸式微力制動中，主要包括直流勵磁制動、罩極制動等方法。其中，直流勵磁制動，主要在轉速達到150rpm以上的微驅動器當中進行應用。不過，在磁極飽和中，具有一定的限制，會對勵磁線圈中安培匝數的最大值進行限制。在鋁盤的磁路磁阻、磁極端面寬度之間，具有相互限制的關系，所以，如果微驅動器處于低轉速狀態，制動磁極無法對充足的制動力進行提供，無法降低微驅動器的轉速[2]。對此，可以對罩極制動方法進行使用。當微驅動器處于低轉速或零轉速的狀態下，對于輸出力矩的測量，可以在鋁盤邊緣，設置具有與其旋轉方向相反的旋轉磁場，可以使用相應的罩極磁極結構，對旋轉磁場進行產生。

在磁極端部1/3的位置，進行開槽，使用短路環，保衛小部分磁極，直流電流通過勵磁線圈，主磁通與短路環覆蓋磁極，會有相應磁通產生。在低轉速的微驅動器中，對相應頻率跛行的交流電通入勵磁線圈，在短路環的影響下，產生的磁通大小，將會發生變化，同時在相位上，與主磁通相比，或產生一定角度的落后。同時，在空間上，也會和主磁通產生微小夾角。兩個磁通合成矢量，隨著電流方向，會做橢圓運動，進而有旋轉磁場產生。

3 微力自動加載技術

在測量中，要想實現自動的高精度測量，可使用通電線圈，在天平右端，對砝碼進行替代。在天平底板固定一個線圈，在天平右端懸掛另一個線圈。在兩個線圈之間接通電流，使其產生排斥、吸引的力。線圈通電會發熱，因而在電壓控制中，會得到線性度不佳的結果。而在電流控制中，在一定范圍之內，控制輸入電壓、排斥力、吸引力，線性度能夠達到較好的狀態，從而對精度要求加以滿足。

為了對測量精度進行確保，通常對自動加載的方法，只應用在0.01mg-10mg之間。對于加載10mg以上的情況，還是需要對傳統的砝碼進行使用。在線圈不通電的時候，對天平的平衡進行調整，將10mg的砝碼加在天平的左端。并對右邊的線圈進行通電，在電流控制中，對電壓大小進行控制，保持在線性范圍中的某一位置。對天平底板中固定線圈的上下為之進行調節，使天平達到平衡狀態，從而進行定標。

4 測量靈敏度與精度

對于被測扭矩，可以利用公式M=FL進行表達。其中，L為制定半徑，在取一個確定值的情況下，天平的分辨率，會對測量的靈敏度產生直接的作用。在高精度微扭矩動態測試儀中，具有0.01mg的天平分辨率，將半徑設定為20mm，通過計算能夠得出，最低的測量靈敏度可達到2×10-9Nm。在測量當中，通常難以準確的確定磁極中心的位置。因此，對于半徑L的測量精度，如果使用簡單的測試方法，通常難以進行確保。

對此，可以在勵磁線圈中，對一定的電流進行接通，設定制動半徑為L1，對轉速n、制動力F1進行記錄[3]。然后，向磁極方向，對鋁盤進行移動，將移動距離設定為△L。逐漸對勵磁線圈中的電流大小進行調整，使微驅動器重新達到n的轉速。對于儀器相對測量精度來說，測量扭矩數值，會對其產生較大的影響。例如，假設測量的為扭矩值為10-5Nm，同時將制動半徑假設為20mm，則制動力F的數值為50mg，由此能夠得出，一期相對測量誤差為0.045%。而如果取10-6Nm、10-7Nm，能夠計算出相對測量誤差分別在0.47%、4.5%。

結論：微扭矩動態測試儀，具有較高的測量精度，能夠對各類微驅動器輸出扭矩進行測量。最低靈敏度能夠達到2×10-9Nm，在測量范圍內，具有對微驅動器影響小，制動平穩，測量速度快、自動化程度高等優勢，在實際應用中，能夠對高精度、微扭矩的測量要求進行充分的滿足，從而取得更好的測量效果?！?/p>

參考文獻

[1]熊俊， 劉成杰. 靜態扭矩測試儀計量氣動扭矩扳子的分析[J]. 中國測試， 2010， 36（6）：49-52.

[2]張桂香， 王相玲， 胡芳. 非接觸法蘭式扭矩測量儀開發[J]. 傳感器與微系統， 2010， 29（11）：98-100.

[3]陳國民， 張東青， 李乃川. 基于AVR單片機的扭矩測試儀裝置的研究[J]. 黑龍江科學， 2014（11）：14-16.