專利名稱：一種電磁式微扭矩材料試驗機的校準裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及扭轉(zhuǎn)材料試驗機的校準技木，特別適用于電磁式微扭矩材料試驗機的校準裝置和方法。
背景技術(shù)：
扭轉(zhuǎn)材料試驗機在研制過程中首先要進行校準，這樣才能精確測量出所需的材料參數(shù)。傳統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)材料試驗機一般量程在10°Nm以上，適合宏觀尺度材料的扭轉(zhuǎn)性能測試。對這類試驗機，目前常用的扭矩校準儀采用的是杠桿-砝碼式校準方法，實現(xiàn)10°Nm至IO3Nm范圍的校準，最小量程只能達到lOlm。針對微尺度材料的扭轉(zhuǎn)性能測試，對應(yīng)的扭矩往往在IO-2Nm以下，儀器研制難度大，目前可用的測試儀器很少，因此對應(yīng)的校準方法也相對缺乏。其中，電磁式微扭矩材料試驗機是基于電磁原理研制的ー種新型高分辨カ的微扭矩材料試驗機。對于電磁式微扭矩材料試驗機來說，傳統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)試驗機使用的杠桿-砝碼式校準方法不適用，首先，如果使用杠桿-砝碼式校準方法則需要精度高的砝碼，而目前最高精度的砝碼為lmg，且對環(huán)境要求極高，并不能實際用在校準裝置中；第二，傳統(tǒng)的杠桿-砝碼式校準方法中扭轉(zhuǎn)傳感器本身沒有驅(qū)動，而是通過加載砝碼施加扭矩，扭轉(zhuǎn)傳感器發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形從而進行扭矩校準，而電磁式微扭矩材料試驗機采用電磁驅(qū)動兼扭矩計量原理，電磁線圈本身既可施加扭矩也可計量扭矩，基本原理并不相同，傳統(tǒng)校準方法也不再適用。因而需要研制出新的適合于電磁式微扭矩材料試驗機的校準裝置及方法。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種電磁式微扭矩材料試驗機的校準裝置，適用于扭矩量程范圍在10_6Nm到10_2Nm的微扭矩校準，從而獲得了靈敏度、線性度、量程、分辨カ等靜態(tài)特性指標，并且對微扭矩計量的核心単元——磁缸的磁場均勻性進行了檢測。本發(fā)明的電磁式微扭矩材料試驗機的校準裝置包括:橫梁，架設(shè)在扭轉(zhuǎn)軸上；第一彈簧，一端設(shè)置在所述橫梁的一端，所述第一彈簧的另一端懸掛有第一重物；第二彈簧，一端設(shè)置在所述橫梁的另一端，所述第二彈簧的另一端懸掛有第二重物；第一電子天平，托住所述第一重物；第二電子天平，托住所述第二重物。優(yōu)選地，所述扭轉(zhuǎn)軸與所述橫梁相垂直，并位于所述橫梁的中間部位。本發(fā)明的ー種電磁式微扭矩材料試驗機的校準方法包括如下步驟:I)在扭轉(zhuǎn)軸上設(shè)置ー根橫梁，并在橫梁的兩側(cè)設(shè)置兩根彈簧；
2)在兩根彈簧下面分別懸掛一個重物；3 )在每個重物下面設(shè)置ー個電子天平，用于將所述重物托住；4)所述橫梁將扭轉(zhuǎn)軸輸出的扭矩轉(zhuǎn)換為橫梁兩側(cè)的力，然后利用電子天平測量重物的重量，進而反轉(zhuǎn)成待測扭矩。優(yōu)選地，所述扭轉(zhuǎn)軸與所述橫梁相垂直，并位于所述橫梁的中間部位。本發(fā)明通過在扭轉(zhuǎn)軸上架設(shè)橫梁，并在橫梁兩側(cè)設(shè)置彈簧，彈簧上懸掛重物，并通過電子天平來測量重物在扭轉(zhuǎn)軸扭轉(zhuǎn)過程中的受力，進而轉(zhuǎn)換為待測扭矩，從而能夠?qū)εぞ亓砍谭秶贙T6Nm到KT2Nm的扭矩進行校準。另外，本發(fā)明利用所述的校準裝置獲得了該微扭矩材料試驗機的扭矩靈敏度、線性度、量程、分辨カ等靜態(tài)特性指標，并且對微扭矩計量的核心単元——磁缸的磁場均勻性進行了檢測。


圖1為本發(fā)明原理示意圖；圖2為本發(fā)明應(yīng)用的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式如圖1所示，I為橫梁，2為第一輕質(zhì)彈簧，3為第一重物，4為第一電子天平，5為中心軸，6為第二輕質(zhì)彈簧，7為第二重物，8為第二電子天平。其中，中心軸5與電磁線圈相連且與電磁線圈同軸，第一重物3與第二重物4的重量應(yīng)大于最大扭矩T對應(yīng)的拉カF1。

當電磁線圈兩端施加電壓U時，在線圈中會產(chǎn)生電流I (其中I=U/R，R為電磁線圈電阻)，中心軸5會輸出電磁扭矩T，此電磁扭矩T的大小與電流I成正比。在中心軸5上安裝橫梁1，橫梁I與中心軸5垂直，且中心軸5位于橫梁I的中間部位。在橫梁I兩側(cè)分別固定第一輕質(zhì)彈簧2和第二輕質(zhì)彈簧6。當線圈中沒有電流通過時，中心軸5沒有扭矩輸出，位于第一重物3下部并托住第一重物3的第一電子天平4和位于第二重物7下部并托住第二重物7的第二電子天平8處于平衡狀態(tài)，第一輕質(zhì)彈簧2和第二輕質(zhì)彈簧6處于自由狀態(tài)。此時第一電子天平4和第二電子天平8的示數(shù)分別為第一重物3和第二重物7的實際質(zhì)量。當中心軸5輸出如圖1所示的電磁扭矩T時，第一輕質(zhì)彈簧2和第二輕質(zhì)彈簧6分別受到拉カF1和壓カF2的作用，其中F1=F2=T/!, L為中心軸5到兩輕質(zhì)彈簧中心的距離。第一輕質(zhì)彈簧2產(chǎn)生對第一重物3的拉カF1，此時第一電子天平4示數(shù)應(yīng)為第一重物3與附加壓力所對應(yīng)質(zhì)量之差，因而F1可以用電子天平的變化量Am1與當?shù)刂亓铀俣萭之積表示，即F1=Amlgt5類似的，第二輕質(zhì)彈簧6產(chǎn)生對第二重物7的壓カF2，此時第ニ電子天平8示數(shù)應(yīng)為第二重物7與附加壓力所對應(yīng)質(zhì)量之和，F(xiàn)2可以用電子天平的變化量Am2與當?shù)刂亓铀俣萭之積表示，即F^An^g。由于第一輕質(zhì)彈簧2和第二輕質(zhì)彈簧6完全相同，第一重物3與第二重物7質(zhì)量相同，第一電子天平4示數(shù)與第二電子平臺8示數(shù)相同，因而第一電子天平4與第二電子天平8的變化量AIH1= AIH2= Am，故在忽略彎曲小變形的情況下，電磁線圈輸出的電磁扭矩T=F1.L=F2.L= A mg.L。因而，可以通過測量電磁線圈的輸入電壓和電子天平的示數(shù)變化，轉(zhuǎn)換得到線圈輸入電流與輸出扭矩之間的關(guān)系。下面以ー個具體實施案例來闡述，本發(fā)明的電磁式微扭矩材料試驗機校準裝置三維設(shè)計圖如圖2所示，包括:機架立板9，ニ維平移旋轉(zhuǎn)臺10，機架底座11，電磁式微扭矩材料試驗機主體12,線圈13,中心軸5,對稱橫梁I,第一輕質(zhì)彈簧2,第二輕質(zhì)彈簧6,第一重物3，第二重物7，第一電子天平4，第二電子天平8。其中，為保證整體的水平性，提高測試精度，機架底座11、第二電子天平8及第一電子天平4都放在固定的水平臺上。機架立板9與機架底座11固定在一起，ニ維平移旋轉(zhuǎn)臺10安裝在機架立板9上，電磁式微扭矩材料試驗機主體12固定在ニ維平移旋轉(zhuǎn)臺10上，由于ニ維平移旋轉(zhuǎn)臺10可以在豎直平面內(nèi)平動和轉(zhuǎn)動，這樣試驗機主體12就可以在豎直平面內(nèi)自由調(diào)節(jié)，為整個校準裝置的位置調(diào)節(jié)提供了便利。線圈13是電磁式微扭矩材料試驗機主體12的關(guān)鍵部分，整個試驗機的基本原理就是基于通電線圈13在均勻磁場中受到カ的作用而發(fā)生扭轉(zhuǎn)的原理。中心軸5固定在線圈13的中心位置，橫梁I固定在中心軸5上面，第二輕質(zhì)彈簧6及第ー輕質(zhì)彈簧2上端分別固定在橫梁I的兩端，下端分別與第二重物7及第一重物3固定，第二重物7與第一重物3分別放 在第二電子天平8和第一電子天平4上。具體校準方法如下，首先按照三維設(shè)計圖搭建微扭矩校準裝置，調(diào)節(jié)ニ維平移旋轉(zhuǎn)臺10，使第二輕質(zhì)彈簧6及第ー輕質(zhì)彈簧2處于自由狀態(tài)，即使電子天平示數(shù)為重物的實際質(zhì)量。用信號發(fā)生器產(chǎn)生ー斜波電壓信號，經(jīng)過功率放大器放大成可以驅(qū)動電磁線圈的電壓U，將此驅(qū)動電壓U施加到線圈13上，則在線圈13中會產(chǎn)生電流I，電流I為電壓U與線圈13的電阻R的比值。根據(jù)電磁原理，當線圈中通過電流I時，線圈13將產(chǎn)生一個扭矩T，T夂I。根據(jù)上述校準的基本原理，此扭矩T的大小即為T=Dm.g.し用數(shù)據(jù)采集卡同步采集線圈13的輸入電壓和兩個電子天平的信號保存至同一個文件。在本發(fā)明中，數(shù)據(jù)采集卡可以采用16Bits數(shù)據(jù)采集卡，用LabVIEW編制數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，電子天平采用賽多利斯BT12 ，可讀性可達0.0lmgo這樣，本發(fā)明就能夠?qū)εぞ亓砍谭秶?0_6Nm到10_2Nm的扭矩進行校準。本發(fā)明利用所述校準裝置得到了電磁式微扭矩材料試驗機的扭矩靈敏度、線性度、量程、分辨カ等靜態(tài)特性指標，并且對微扭矩計量的核心単元——磁缸的磁場均勻性進行了檢測。具體的實施方式如下:I)獲得電磁式微扭矩材料試驗機的扭矩靈敏度。利用所述校準裝置，將數(shù)據(jù)采集卡采集到的電壓-天平信號轉(zhuǎn)換成電流-扭矩數(shù)據(jù)，將該數(shù)據(jù)繪成曲線圖并進行線性擬合，由靈敏度的定義，擬合直線的斜率即為其靈敏度S= △ T/ A I。2)獲得電磁式微扭矩材料試驗機的扭矩量程。扭矩為電流與靈敏度之積，線圈中最大電流對應(yīng)扭矩量程。但在線圈中通入電流時，隨著電流的増加，線圈發(fā)熱量也増加，微扭矩傳感器的線性度則會降低。在保證電磁式微扭矩傳感器足夠高線性度的情況下，線圈中通入最大電流時對應(yīng)的扭矩即為該傳感器的量程。
3)獲得電磁式微扭矩材料試驗機的扭矩線性度。上述I)獲得靈敏度時所得的電流-扭矩數(shù)據(jù)曲線與擬合直線與之間的最大偏差與扭矩量程的比值的百分數(shù)即為其線性度。4)獲得電磁式微扭矩材料試驗機的扭矩分辨力。扭矩的分辨カ通常用量程與信號采集卡分辨率之比表示，這里對于16Bits數(shù)據(jù)采集卡，最小分辨力=量程/2~16。5)檢測磁缸的磁場均勻性。檢測磁缸均勻性時，將所述校準裝置的橫梁依次旋轉(zhuǎn)不同的角度后與扭轉(zhuǎn)軸固定，這樣校準時線圈即在磁缸的不同位置。毎次校準都按照所述校準方法進行，即可得到線圈在磁場不同位置的扭矩靈敏度，取這些不同位置靈敏度的平均值作為名義扭矩靈敏度。將不用位置所得扭矩靈敏度與名義扭矩靈敏度的最大誤差與名義扭矩靈敏度的比值作為檢驗磁場均勻性指標。
權(quán)利要求
1.一種電磁式微扭矩材料試驗機的校準裝置，其特征在于，包括: 橫梁，架設(shè)在扭轉(zhuǎn)軸上； 第一彈簧，一端設(shè)置在所述橫梁的一端，所述第一彈簧的另一端懸掛有第一重物； 第二彈簧，一端設(shè)置在所述橫梁的另一端，所述第二彈簧的另一端懸掛有第二重物； 第一電子天平，托住所述第一重物； 第二電子天平，托住所述第二重物。
2.按權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述扭轉(zhuǎn)軸與所述橫梁相垂直，并位于所述衡量的中間部位。
3.一種電磁式微扭矩材料試驗機的校準方法，包括如下步驟: 1)在扭轉(zhuǎn)軸上設(shè)置ー根橫梁，并在橫梁的兩側(cè)設(shè)置兩根彈簧； 2)在兩根彈簧下面分別懸掛一個重物； 3)在每個重物下面設(shè)置ー個電子天平，用于將所述重物托?。? 4)所述橫梁將扭轉(zhuǎn)軸輸出的扭矩轉(zhuǎn)換為橫梁兩側(cè)的力，然后利用電子天平測量重物的重量，進而反轉(zhuǎn)成待測扭矩。
4.按權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述扭轉(zhuǎn)軸與所述橫梁相垂直，并位于所述橫梁的中間部位。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種電磁式微扭矩材料試驗機的校準裝置和方法，校準裝置包括橫梁，架設(shè)在扭轉(zhuǎn)軸上；第一彈簧，一端設(shè)置在所述橫梁的一端，所述第一彈簧的另一端懸掛有第一重物；第二彈簧，一端設(shè)置在所述橫梁的另一端，所述第二彈簧的另一端懸掛有第二重物；第一電子天平，托住所述第一重物；第二電子天平，托住所述第二重物。本發(fā)明通過在扭轉(zhuǎn)軸上架設(shè)橫梁，并在橫梁兩側(cè)設(shè)置彈簧，彈簧上懸掛重物，并通過電子天平來測量重物在扭轉(zhuǎn)軸扭轉(zhuǎn)過程中的受力，進而轉(zhuǎn)換為待測扭矩，從而能夠?qū)εぞ亓砍谭秶?0-6Nm到10-2Nm的扭矩進行校準，進而得到了該材料試驗機的靈敏度、線性度、量程、分辨力等靜態(tài)特性指標，并且對微扭矩計量的核心單元——磁缸的磁場均勻性進行了檢測。
文檔編號G01N3/62GK103091192SQ201310020429
公開日2013年5月8日 申請日期2013年1月21日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月21日
發(fā)明者邵亞琪, 郇勇, 代玉靜, 彭光健, 張?zhí)┤A 申請人:中國科學(xué)院力學(xué)研究所