高精度微扭矩动态测试仪

王丽芳+黄星+程磊

摘 要：在很多相关领域当中，高精度微扭矩的测试，都是一项十分重要的工作。在这一过程中，需要对高精度微扭矩动态测试仪进行应用。在实际应用中，高精度、非接触式的为扭矩动态测试仪，其关键性的技术主要包括了非接触微力制动、微力自动加载等技术。基于此，本文主要分析了这两项关键技术，并对仪器准确分析和测量结果进行了分析。

关键词： 高精度；微扭矩；动态；测试仪

前言：在微操作系统、微机械等领域当中，微驱动器是一项较为前沿的研究内容。在微驱动器当中，输出扭矩、转速之间的关系，是一项重要的机电参数。由于结构尺寸很小，因而通常只能采取计算的方法，对微驱动器的扭矩进行获取。以往接触的间接方法进行测试，只能够对10-5Nm以上的输出扭矩进行测量。对此，可以利用高精度、微扭矩的动态测试仪，对微驱动器输出扭矩进行动态测试，能够提高测量精度和测量准度。

1 测量原理

在测试装置当中，主要包括了计算机控制部分，测速光电管，微力自动加载线圈，对天平平衡进行控制，天平，励磁线圈、制动磁极等非接触制动组件，以及微驱动器输出轴中安装的薄铝盘等部分构成。在实际运行当中，励磁线圈中有电流流经，在两个制动磁极的缝隙当中，会有一定强度的磁场产生。在被测微驱动器的带动之下，铝盘发生旋转，在磁场中，其边缘对磁力线造成切割，因而由涡电流产生于其内部。在磁场的作用下，涡电流会对铝盘产生力的作用，与其运动方向是相反的[1]。

同时，在制动磁极当中，也具有方向相反、大小相同的力，對其产生反作用。对天平右端的砝码数量进行调节，让天平恢复到平衡的状态。利用这一方法，能够准确的测量出反作用力的大小。这一反作用力，和制动磁极与微驱动器轴心距离的乘积，就是在该转速之下，微驱动器的输出扭矩值。对励磁线圈当中的电流大小进行改变，也会同时概念微驱动器输出扭矩和转速。因此，能够对微驱动器的转速、扭矩之间变化的关系，进行明确。

2 非接触式微力制动

在非接触式微力制动中，主要包括直流励磁制动、罩极制动等方法。其中，直流励磁制动，主要在转速达到150rpm以上的微驱动器当中进行应用。不过，在磁极饱和中，具有一定的限制，会对励磁线圈中安培匝数的最大值进行限制。在铝盘的磁路磁阻、磁极端面宽度之间，具有相互限制的关系，所以，如果微驱动器处于低转速状态，制动磁极无法对充足的制动力进行提供，无法降低微驱动器的转速[2]。对此，可以对罩极制动方法进行使用。当微驱动器处于低转速或零转速的状态下，对于输出力矩的测量，可以在铝盘边缘，设置具有与其旋转方向相反的旋转磁场，可以使用相应的罩极磁极结构，对旋转磁场进行产生。

在磁极端部1/3的位置，进行开槽，使用短路环，保卫小部分磁极，直流电流通过励磁线圈，主磁通与短路环覆盖磁极，会有相应磁通产生。在低转速的微驱动器中，对相应频率跛行的交流电通入励磁线圈，在短路环的影响下，产生的磁通大小，将会发生变化，同时在相位上，与主磁通相比，或产生一定角度的落后。同时，在空间上，也会和主磁通产生微小夹角。两个磁通合成矢量，随着电流方向，会做椭圆运动，进而有旋转磁场产生。

3 微力自动加载技术

在测量中，要想实现自动的高精度测量，可使用通电线圈，在天平右端，对砝码进行替代。在天平底板固定一个线圈，在天平右端悬挂另一个线圈。在两个线圈之间接通电流，使其产生排斥、吸引的力。线圈通电会发热，因而在电压控制中，会得到线性度不佳的结果。而在电流控制中，在一定范围之内，控制输入电压、排斥力、吸引力，线性度能够达到较好的状态，从而对精度要求加以满足。

为了对测量精度进行确保，通常对自动加载的方法，只应用在0.01mg-10mg之间。对于加载10mg以上的情况，还是需要对传统的砝码进行使用。在线圈不通电的时候，对天平的平衡进行调整，将10mg的砝码加在天平的左端。并对右边的线圈进行通电，在电流控制中，对电压大小进行控制，保持在线性范围中的某一位置。对天平底板中固定线圈的上下为之进行调节，使天平达到平衡状态，从而进行定标。

4 测量灵敏度与精度

对于被测扭矩，可以利用公式M=FL进行表达。其中，L为制定半径，在取一个确定值的情况下，天平的分辨率，会对测量的灵敏度产生直接的作用。在高精度微扭矩动态测试仪中，具有0.01mg的天平分辨率，将半径设定为20mm，通过计算能够得出，最低的测量灵敏度可达到2×10-9Nm。在测量当中，通常难以准确的确定磁极中心的位置。因此，对于半径L的测量精度，如果使用简单的测试方法，通常难以进行确保。

对此，可以在励磁线圈中，对一定的电流进行接通，设定制动半径为L1，对转速n、制动力F1进行记录[3]。然后，向磁极方向，对铝盘进行移动，将移动距离设定为△L。逐渐对励磁线圈中的电流大小进行调整，使微驱动器重新达到n的转速。对于仪器相对测量精度来说，测量扭矩数值，会对其产生较大的影响。例如，假设测量的为扭矩值为10-5Nm，同时将制动半径假设为20mm，则制动力F的数值为50mg，由此能够得出，一期相对测量误差为0.045%。而如果取10-6Nm、10-7Nm，能够计算出相对测量误差分别在0.47%、4.5%。

结论：微扭矩动态测试仪，具有较高的测量精度，能够对各类微驱动器输出扭矩进行测量。最低灵敏度能够达到2×10-9Nm，在测量范围内，具有对微驱动器影响小，制动平稳，测量速度快、自动化程度高等优势，在实际应用中，能够对高精度、微扭矩的测量要求进行充分的满足，从而取得更好的测量效果。■

参考文献

[1]熊俊， 刘成杰. 静态扭矩测试仪计量气动扭矩扳子的分析[J]. 中国测试， 2010， 36（6）：49-52.

[2]张桂香， 王相玲， 胡芳. 非接触法兰式扭矩测量仪开发[J]. 传感器与微系统， 2010， 29（11）：98-100.

[3]陈国民， 张东青， 李乃川. 基于AVR单片机的扭矩测试仪装置的研究[J]. 黑龙江科学， 2014（11）：14-16.