一种带平衡力位置补偿的扭力扳手检定仪及其检定方法研究
一种带平衡力位置补偿的扭力扳手检定仪及其检定方法研究
近年来，伴随着扭矩扳子在模具加工、汽车制造、交通运输和重装制造等行业中的运用愈发普及， 针对扭矩扳子的监督和校准检测需求也增长明显。目前针对扭矩扳子的检定和校准，应用*为普遍的方案，是使用扭力扳手检定仪。扭力扳手检定仪广泛应用于计量技术机构，汽车、船泊及各种动力机械制造企业。
由于扭力扳子检定仪上的扭矩传感器使用时不仅受到扭矩作用，同时还受到平衡机构档杆产生的推力作用，推力使扭矩传感器产生干扰输出，使得扭力扳手检定仪的输出扭矩不仅与所作用的扭矩值成正比，还受到平衡力的作用位置的影响。
在实际测量过程中，由于平衡力作用点到扭矩传感器之间的距离与被检扭矩扳子有关，因此测试过程中施加的标准扭矩一定时，扭矩传感器的输出是不一定的，从而影响扭力扳手检定仪的测量精度。本文提出了一种带平衡力位置补偿的扭力扳手检定仪及其检定方法，采用位移传感器对平衡力作用位置进行监测并对位置变化引起的测量误差进行补偿，从而有效提高扭力扳手检定仪的测量精度。
1 结构设计及原理
1.1 总体结构的设计未解决前文所述的问题，设计了基于位置补偿原理的装置。如图 1 所示，检定仪主要由机架、扭矩传感器、位移传感器、驱动机构、力矩平衡机构和测量指示仪表等组成。其中测量指示仪表、扭矩传感器和力矩平衡机构均安装在固定于机架上，扭力扳手的套环端同轴固定套在扭矩传感器上，扭力扳手的杆端连接力矩平衡机构，通过力矩平衡机构控制扭矩的力臂，力矩平衡机构侧方安装有用于检测力臂长度的位移传感器; 机架底部安装有驱动机构，驱动机构连接扭矩传感器带动施加扭矩到扭力扳手上，扭矩传感器和位移传感器均与测量指示仪表连接。
图 1 带平衡力位置补偿的扭力扳手检定仪示意图
1. 1. 1 力矩平衡机构
装置力矩平衡机构包括力矩平衡机构支架、挡块、摇轮和丝杆，力矩平衡机构支架固定安装在机架上，两根丝杆水平平行地安装在平衡机构支架上，丝杆上套有挡块，挡块和丝杆形成丝杠螺母副，两根丝杆均与摇轮连接，扭力扳手的杆端被固定夹在两根丝杆上的挡块之间，转动摇轮带动丝杆旋转进而带动挡块沿丝杆轴向移动，使得挡块挡在扭力扳手杆端的不同位置从而实现力臂的调整。
1. 1. 2 位移及扭矩测量机构
测量指示仪表具有扭矩通道端口和位移通道端口，扭矩传感器输出端口连接到测量指示仪表的扭矩通道端口，位移传感器输出端口与测量指示仪表 的位移通道端口连接。 位移传感器与丝杆平行并安装在挡块附近，位移传感器的固定端连接在机架上，移动端连接在力矩平衡机构的挡块上，位移传感器检测挡块沿丝杆轴向移动的位移。
1. 1. 3 驱动机构
装置的驱动机构包括减速机和电机的变速传动部件，电机经减速机与扭矩传感器连接。驱动机构还可以由摇轮、丝杆、蜗轮蜗杆等其他变速传动结构组成。
1. 2 测试方法及过程
本装置的具体实施过程及原理如下:
1) 检定时将扭力扳手安装在扭力扳手检定仪上，调整平衡机构的位置，驱动机构运行，施加扭力到扭矩传感器上，扭矩传感器输出固定的扭矩到待测扭力扳手的套环端上，扭力扳手的杆端被固定夹在所述力矩平衡机构的两块挡块之间;
2) 通过转动摇轮带动挡块沿丝杆轴向移动，调整挡块阻挡在扭力扳手杆端不同位置，形成不同力臂距离，通过位移传感器测得的位置转换为力臂长度;
3) 通过标准准确的扭力扳手在不同力臂位置多次测试获得扭矩传感器在不同平衡力臂下的输出值 S，采用以下公式进行计算可获得**、**权重参数
k1、k2 : S = k1M( 1 + k2 1 L )( 1)
M = S k1( 1 + k2 1 L ) ( 2)
其中，k1、k2 为**、**权重参数，M 为平衡力 位置补偿后的标准扭矩值，L 为挡块到扭力扳手旋 转轴之间的力臂长度，S 为扭矩传感器的输出系 数值。
4) 对于待测的扭力扳手，将扭矩传感器输出的固定扭矩值和位移传感器测得的力臂长度值输入到测量指示仪表中，测量指示仪表有扭矩位移两个通道，测量指示仪表将扭矩及位移传感器信号接入后，经放大、AD 转换采用以下公式计算得到平衡力位置补偿后的标准扭矩值:
S＇ = k1M( 1 + k2 1 L ) ( 3)
M＇ = S k1( 1 + k2 1 L ) ( 4)
2 实施与验证
制作一台 500Nm 扭力扳子检定仪，结构见图 1 所示，其中扭矩测量选用圆轴式结构的规格为500Nm 的扭矩传感器，输出( 0 ～ 2) mV/V，准确度级别 0. 1 级; 位移测量选用 LX－S 型位移传感器，规格1000mm，输出( 0～5) V。为了对扭矩传感器的输出特性用位移传感器进行补偿，将标准扭力扳子安装在扭力扳手检定仪上，在两个不同平衡位置( L =200mm、L = 600mm) 进行 输出特性测试，测试结果见表 1。
表 1 标定前 L = 200mm、
L = 600mm 时各点测得值平衡位置测量点对应输出特性( 单位: mV/V)
100Nm 200Nm
300Nm 400Nm
500Nm
S( L = 200mm) 0. 39837 0. 79676 1. 19530 1. 59381 1. 99240
S( L = 600mm) 0. 40059 0. 80116 1. 20187 1. 60253 2. 00328
按 L = 600mm 位置进行对扭力扳手检定仪进行
标定后，得到的测试数据见表 2。
表 2平衡位置测量点对应测得值( 单位: Nm)
100 200 300 400 500
M( L=200mm)
99. 95
199. 95
299. 95
399. 95 499. 95
M( L=600mm) 100. 55 201. 05 301. 60 402. 15 502. 75
结果表明，补偿前不同平衡力作用位置扭矩值相差 0. 5%左右。将上述测试数据代入公式
S =k1M( 1 + k2 1 L ) 进行计算可以得到 k1、k2 的近似值:
k1 = 0. 0040174 k2 = －1. 62493
将扭矩传感器输出系数 S、补偿系数 k1、k2、位 移传感器测得的 L( 按 mm 单位计) 代入公式( 2) 即可得到与平衡力位置无关的扭矩值。表 3 补偿后 L = 200mm、L = 600mm 时各点测得值平衡位置
测量点对应测得值( 单位: Nm)
100 200 300 400 500
S( L = 200mm) 99. 95
199. 95
299. 95
400. 00 500. 00
S( L = 600mm) 100. 00
199. 95
299. 95
400. 00 500. 00
结果表明，补偿后不同平衡力作用位置扭矩输出基本一致，也就是说，采用本文所述方法可显著提升扭力扳手检定仪的测量精度。
5. 3 试验结果分析
本章主要进行了计量装置计量性能和功耗试验。试验结果表明基于霍尔电流传感器测量的直流电能计量装置精度满足 1 级标准，性能稳定，功耗小于 2W，满足铁塔技术规范性能要求，具备铁塔基站配用电环境应用条件。
6 总结
本文基于当前新能源发展的背景，以铁塔基站直流配电应用环境为基础设计了一款基于霍尔电流传感器的直流电能计量装置，论述了其硬件和软件设计方案，按照规范要求对样机装置进行了计量性能与功耗试验。本文设计的这款基于霍尔电流传感器，具有 6 路正反向电能计量功能的直流电能计量装置，计量准确，性能稳定，功耗低，使用方便，具有广阔的应用前景。
综上，本研究提出一种结构原理简单的，新型带平衡力位置补偿的扭力扳手检定仪，能有效解决扭力扳子检定仪中由于平衡力作用位置不同而带来的误差问题，有效提高了扭力扳手检定仪的测量精度，具有其突出的技术效果和推广价值。