王麗芳+黃星+程磊

摘 要：在很多相關(guān)領(lǐng)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(tài)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(tài)測試儀，其關(guān)鍵性的技術(shù)主要包括了非接觸微力制動、微力自動加載等技術(shù)?；诖?，本文主要分析了這兩項關(guān)鍵技術(shù)，并對儀器準確分析和測量結(jié)果進行了分析。

關(guān)鍵詞： 高精度；微扭矩；動態(tài)；測試儀

前言：在微操作系統(tǒng)、微機械等領(lǐng)域當中，微驅(qū)動器是一項較為前沿的研究內(nèi)容。在微驅(qū)動器當中，輸出扭矩、轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，是一項重要的機電參數(shù)。由于結(jié)構(gòu)尺寸很小，因而通常只能采取計算的方法，對微驅(qū)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?qū)?0-5Nm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(tài)測試儀，對微驅(qū)動器輸出扭矩進行動態(tài)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(qū)動器輸出軸中安裝的薄鋁盤等部分構(gòu)成。在實際運行當中，勵磁線圈中有電流流經(jīng)，在兩個制動磁極的縫隙當中，會有一定強度的磁場產(chǎn)生。在被測微驅(qū)動器的帶動之下，鋁盤發(fā)生旋轉(zhuǎn)，在磁場中，其邊緣對磁力線造成切割，因而由渦電流產(chǎn)生于其內(nèi)部。在磁場的作用下，渦電流會對鋁盤產(chǎn)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(chǎn)生反作用。對天平右端的砝碼數(shù)量進行調(diào)節(jié)，讓天平恢復到平衡的狀態(tài)。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(qū)動器軸心距離的乘積，就是在該轉(zhuǎn)速之下，微驅(qū)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(qū)動器輸出扭矩和轉(zhuǎn)速。因此，能夠?qū)ξⅡ?qū)動器的轉(zhuǎn)速、扭矩之間變化的關(guān)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(zhuǎn)速達到150rpm以上的微驅(qū)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(shù)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(guān)系，所以，如果微驅(qū)動器處于低轉(zhuǎn)速狀態(tài)，制動磁極無法對充足的制動力進行提供，無法降低微驅(qū)動器的轉(zhuǎn)速[2]。對此，可以對罩極制動方法進行使用。當微驅(qū)動器處于低轉(zhuǎn)速或零轉(zhuǎn)速的狀態(tài)下，對于輸出力矩的測量，可以在鋁盤邊緣，設(shè)置具有與其旋轉(zhuǎn)方向相反的旋轉(zhuǎn)磁場，可以使用相應的罩極磁極結(jié)構(gòu)，對旋轉(zhuǎn)磁場進行產(chǎn)生。

在磁極端部1/3的位置，進行開槽，使用短路環(huán)，保衛(wèi)小部分磁極，直流電流通過勵磁線圈，主磁通與短路環(huán)覆蓋磁極，會有相應磁通產(chǎn)生。在低轉(zhuǎn)速的微驅(qū)動器中，對相應頻率跛行的交流電通入勵磁線圈，在短路環(huán)的影響下，產(chǎn)生的磁通大小，將會發(fā)生變化，同時在相位上，與主磁通相比，或產(chǎn)生一定角度的落后。同時，在空間上，也會和主磁通產(chǎn)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(zhuǎn)磁場產(chǎn)生。

3 微力自動加載技術(shù)

在測量中，要想實現(xiàn)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(chǎn)生排斥、吸引的力。線圈通電會發(fā)熱，因而在電壓控制中，會得到線性度不佳的結(jié)果。而在電流控制中，在一定范圍之內(nèi)，控制輸入電壓、排斥力、吸引力，線性度能夠達到較好的狀態(tài)，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(tǒng)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(diào)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(diào)節(jié)，使天平達到平衡狀態(tài)，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(chǎn)生直接的作用。在高精度微扭矩動態(tài)測試儀中，具有0.01mg的天平分辨率，將半徑設(shè)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(shè)定制動半徑為L1，對轉(zhuǎn)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(shè)定為△L。逐漸對勵磁線圈中的電流大小進行調(diào)整，使微驅(qū)動器重新達到n的轉(zhuǎn)速。對于儀器相對測量精度來說，測量扭矩數(shù)值，會對其產(chǎn)生較大的影響。例如，假設(shè)測量的為扭矩值為10-5Nm，同時將制動半徑假設(shè)為20mm，則制動力F的數(shù)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(jié)論：微扭矩動態(tài)測試儀，具有較高的測量精度，能夠?qū)Ω黝愇Ⅱ?qū)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(nèi)，具有對微驅(qū)動器影響小，制動平穩(wěn)，測量速度快、自動化程度高等優(yōu)勢，在實際應用中，能夠?qū)Ω呔取⑽⑴ぞ氐臏y量要求進行充分的滿足，從而取得更好的測量效果。■

參考文獻

[1]熊俊， 劉成杰. 靜態(tài)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(fā)[J]. 傳感器與微系統(tǒng)， 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.