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扭矩传感器的校准

应用中测量量的传输

校准传感器的任务,象使用于功率测试台中的那样的应用,一直是把测量量扭矩传输进应用。对此,必须有可追溯参考量,传感器在应用中测得的扭矩与这一参考量比较。

在校准实验室或测试台现场的校准

最简单的是测量量扭矩传输直接通过留在传动轴系中的扭矩传感器执行。这意味着,在厂家校准设备或其他在现场的校准实验室进行的扭矩传感器的校准作为参考被引用。对此视PTB校准书或DKD校准书直到厂家测试简报的要求而定,可以应用所有等级证书。

但是当这一扭矩传感器被用于测试台时,当地的边界条件对测试台的扭矩传感器的测量不可靠性有决定性的影响并引起进一步的偏差。这类偏差的原因可能是测试台部件如架子或离合器。某些因素如部件的 校直,配合零件或螺栓的弹性材料习性可能影响传动轴系的形变习性并由此影响扭矩传感器本身。因此扭矩传感器的测量特征受到影响。

替换的方案是在应用现场,在安装状态下校准扭矩传感器。本节致力于这种工艺以及对它的判断。有利的是可以极小化并估计工艺中测试台和环境对测量结果的反作用。现场校准在校准等级中的地位并不自然而然比实验室校准差,而与使用的参考标准以及设备的品质认证和工艺有关。

测试台校准在优化的流程下有优点。首先:

· 在测试台的安装状态和和校准时的安装状态的差异产生的影响消失

· 再校准通过快速实施节省时间,因为无需全部拆卸和运输到外部校准实验室

· 因为测试台的应用是作为整体测量手段体现的,它的干净利落的可追溯性是有证书的,使得现场校准的接近可追溯性的基本思想

弄清对校准的精确度要求

尽管测试台校准的潜在的优势,是否它优先于实验室校准的问题不能笼统回答。其一问题不是由具体的应用案例提出的,其二,对实验室校准习以为常的校准设备和方法的评价判据,还处于发展阶段。

对校准方法的选择,首先弄清一般的要求。如在选择扭矩传感器时已讲过的(见第4章),精确度问题不能用 单一的实际回答。而需要一系列仔细定义的概念逐一回答。

因此恰恰是对测试台校准流行的实践,仅仅限于注意待校准的扭矩传感器与参考扭矩的最好的一致性。对此校准限于唯一的测量序列和唯一的传感器安装位置。作为精确度判据采用最大偏差。

反之,如要求可追溯性,在扭矩传播时要注意校准等级的规矩。首先的问题是,满足可重复性够了,还是要求可比较性。如果要求可比较性,那么需保证与校准设备同样的条件,包括其他安装条件。

对可重复性一次安装位置上的观察够了。正是这儿测试台的校准提供原则上的优点,因为在校准过程和使用之间的安装形势的变化是如此微小,以致于可重复性足够了。

此外,对一定的要求应提出问题,是否需要多个部分范围的校准,由此-传感器的相应的特性为前提-改善在测量范围的下部的精确度。

7.5.2 测试台校准的技术和装备

当计划在测试台校准,与校准实验室类似,有很多方法。

根据杠杆臂-质量-系统的校准设备

目前使用最广的仍是杠杆臂-质量-系统。这儿涉及其参考扭矩可以精确地产生的校准系统。这一工艺的优点是,它至今确保对精确度的期望,并在用户中享有信誉。由于传输的纯力学方法理由,长期稳定性是相对不困难的。从结构的和实践的观点看其重要优点是,根据杠杆臂-质量-系统原理的测试台和校准设备这样设计,以致于杠杆臂可以放在测试台上而无需拆散传动轴系。实践的困难在于,杠杆臂-质量-系统难以校准大的扭矩,因为需要的质量和杠杆臂实在太大。

主要的问题是,排除或极小化轴承的摩擦力影响。与校准设备相反,在校准实验室的运作里,特别的轴承在测试台校准中的使用几乎是不可能的,因而往往与测试台在校准时与正常运行时改变尽可能小的要求背道而驰。

即使当杠杆臂就装在扭矩传感器旁边,如图7.9所示,问题也并没有解决。这可以借助技术力学的外部和内部矩的概念说明。通过杠杆臂的扭矩作为外部矩作用在传动轴系上。根据静力学的矩定理,仅当外部矩的相互抵销,才能达到平衡。被测扭矩相反,作为内部矩或所谓剪切矩。在平衡观察中,仅当传动轴系在扭矩传感器处在头脑中截断时才可见。图7.9下部显示了这一过程。平衡观察的目的是,由参考扭矩确定作用在扭矩传感器上的扭矩的方程,这儿是杠杆的外部扭矩。

图7.9 根据杠杆臂-质量-系统原理的带校准设备的测试台,杠杆臂由分离的轴承支承

对现今的能承担显著的弯曲扭矩和径向力的扭矩测量法兰盘,往往避免校准杠杆臂和测量法兰盘之间的各种轴承,如图7.10。但必须准备可能的体现寄生负载的弯曲矩和径向力对校准结构的影响。

如观察出现扭矩的力学剖面(见下图),

这显示,这儿没有轴承摩擦引起的扭矩歪曲。然而要打算由寄生负载引起的歪曲,因为杠杆臂的重量对扭矩传感器传输弯曲扭矩和侧向力。

弯曲矩可以减少,杠杆臂或接收机制是这样设计 的,以致于杠杆臂和校准质量的重心尽可能与 扭矩传感器 在轴的同一位置。然而这一措施不能减少侧向力。

图7.10 根据杠杆臂-质量-系统原理的带校准设备的测试台,杠杆臂由扭矩传感器承担

这两种无常源,由轴承支承杠杆臂的轴承摩擦和不由轴承支承杠杆臂的寄生负载,需单独定量估计,以便它们可以彼此权衡。权衡也要考虑结构原因,最终设问:优先借助传输传感器还是参考传感器。

带扭矩参考传感器或扭矩传输传感器的校准设备

对于带扭矩参考传感器或传输传感器的系统而言,扭矩原则上可以任意的机制产生,这对测试台现场校准部分地带来显著优点。视校准设备结构而异,可通过它容易地在适宜的地方以微小的寄生负载引入扭矩 。

增高自动化程度一般也是可能的,因为麻烦的施放重物成为多余。出于同样理由也显出运输方面的 优点。当要求无级负载过程时,实际上本工艺没有替换办法。然而,这一工艺很少这种经验,弄清最有利的的设计和能达到的校准精确度强烈依赖于单个案例。为估计附加的测量不可靠性部分必须已知功率测试台或校准设备对传输传感器的反作用。

多数上面提及的优点可归结为工艺本身的特征,轴承的的摩擦矩的影响实际上总是可以排除。这可以用 图7.11 显示的构造来阐明。

图7.11 具有传输或参考传感器的校准设备的测试台

决定性的是,不仅是仍待校准的传感器经历的矩是内矩,而且参考矩也是内矩。 为设置平衡观察,借助 它 可由后者确定前者,传动轴系需在两个位置在头脑中分拆,如图下部所视。由花括号标出的传动轴系 部分的平衡观察得到方程

可见,没有摩擦矩引起的失真。与上面描述的根据杠杆臂-质量-系统原理的校准设备相比,尤其显 著,因为这儿扭矩引入位两端均为轴承。

作为扭矩产生机制,实际上可任意地,使用手动或电机驱动设备。简单的办法是受到力负载的杠杆臂。这些可通过弹性体的应力或液压形成。无论如何轴承支承是相对不危险的,因为由设备制造的扭矩会被扭矩传输传感器或参考传感器测量。此外电机如伺服电机和步进电机也可用于制造扭矩。

如果为校准要求按精确的预先给定的负载级运行,那么必须有对扭矩制造单位的控制,这不是用每一种机制都能实现的。

具有力-参考传感器或力-传输传感器的校准设备

作为最后的用于现场校准的校准设备的结构原理,再次提及力参考传感器与杠杆臂的结合的混合形式。

对现场校准的校准设备品质鉴定

作为整体的 校准设备和校准工艺应视其可能进行品质鉴定 (也许给证书)。建议由厂家或独立的单位发证 书。为判断测量结果必须观察计划的应用案例的整个测试台和预定的校准工艺。这又可以用扭矩产生传感器,可接收的杠杆臂-质量-系统或带参考传感器的校准辅助设备进行。

如力求形式上的证书,必须测定依赖于可想到的应用形势和环境条件的测量不可靠性。遗憾目前没有普遍承认的标准或推荐,如拉力测量设备(DIN10002-2)。任何情况下使用的质量集或传输 传感器与/或参考传 感器的校准是不够的。

评价判据

作为结束综述评价判据,据此可以为确定的校准工艺作出决定,在已经讲述过的涉及校准的精确度和可追溯性问题弄清后。已提及一些为确定的工艺的判据。这些判据是对这些工艺有利

· 运行时扭矩传感器安装形势对于校准时的扭矩传感器安装形势尽可能不加改变

· 通过寄生负载对扭矩传感器尽可能微小的负载(弯曲矩和侧向力)

· 避免参考扭矩通过轴承摩擦的歪曲

· 在测试台中必须考虑位置和安装情况

7.5.3 在工业环境中使用传输传感器和参考传感器

传输传感器和参考传感器的区别

参考传感器和传输传感器的区别,是根据传感器在它的校准历史的哪个阶段得到它的校准,同时根据传感器在应用中对传输测量量所起的作用来区分的。

传输传感器将它的校准过的特征值给于另一测量设备或应用。通常测量量扭矩的追溯或传输是借助扭矩传输传感器,的由国家标准(PTB)向参考标准 (DKD) 传输,及进一步向车间标准如校准辅助设备,最后 向测试 设备 如功率 测试台传输。参考扭矩向下一级的校准设备的传递也可以这样进行,以致传输 传感 器 留在校准设备中。因此有带传输传感器的校准设备。

按照这个定义,扭矩的传输也可以在末端应用 (测试台)通过传输传感器的留存作为测量设备。换句话 说, 一种扭矩传感器,对它来说校准仅在校准实验室而不是在测试台执行,每次使用它时,它起传输 传感 器的 作用。

留存在测试台中的传感器的传播可以间接由参考传感器进行。对此一般预期带参考传感器的校准设备。参考传感器通过在它的预期的应用和安装形势下,借助于适当的传输工艺的校准得到它的参考扭矩。它有任务,这一参考扭矩尽可能良好地重复。反之如果在测试台中集成的传感器直接由传输传感器加以校 准,那么这个传感器本身承担在定义意义上的参考传感器的功能。

优化测量量的传输

为尽可能在应用-测试台-中得到最佳的测量量扭矩的传输,自然的基本前提是可追溯性的闭合的链到国家标准。

在实践中尤其有意义的是,在链中承担校准实验室和应用之间的传输的传感器,不是通过对校准设备安装偏移的条件而具有测量特性的偏差。如果没有现场校准,则传输由留在测试台中的传感器进行。这种情况下要注意第5章所述的旋转扭矩传感器的安装要点。在这个关系上,尤其有意义的是法兰盘连接设计的准则和使寄生负载极小。这儿尤其突出的是匹配部件加入校准(如用户方的法兰盘)可能是很有意义 的。专门对单项产品的进一步的要求见诸产品说明书。这一类影响的详细论文请看[20]。

轴套形式实际是为校准实验室应用优化的,扭矩传输传感器在轴套形式的使用,要求特别小心。敞开的构造仅在空调房间保证最佳的测量特性。与法兰盘形式的扭矩传感器相比对弯曲矩相对更敏感。这类传感器是与附加的弯曲矩测量一起提交的,以便这一影响能被监控。这种监控仅当力学安装的影响使弯曲矩的影响极小才有意义。装备温度测量的选项与此同理。

法兰盘形式的扭矩参考传感器可使用于工业校准,由于测量体几何形状关系它等于无接触测量旋转扭矩传感器。对测量特性的影响和与此有关的补救措施相应于对旋转扭矩传感器的,如以上和第5章中详细描述。

7.6 动态校准

7.6.1 意义

目前,在使用场所测试台技术用于的扭矩传感器在广泛意义上是纯静力学校准的,尽管实际应用中都是动态的,如第4章所揭示的。应变片的测量原理是已知的,其有效性对静态和动态负载都相同,因此这些行为方式肯定以很好的近似被证明。然而随着日益增高的精确度和与之相应的测量量追溯性要求,实际的动态校准问题也日益重要。本章的目的在于提出为动态校准进行的讨论中要注意的基本的问题。明确的建议或甚至现成的工艺方式目前还没有。

7.6.2 动态校准的概念的界定

作为狭义的动态校准必须认识到,在校准时获得的扭矩随时间很快变化,它在它的动态中相应于可能的运行的时间变化。

对此要求,在扭矩连续变化时既要确定参考扭矩又要测量待校准的传感器的输出。这要求特别地注意测量的同时性。此外,如果采用不是适于参考和校准对象的严格相同的放大器类型,放大器的信号走时对变化快速的扭矩有影响。不同的信号走时也可以是滤波器的不同调节以及不同特征的结果。

杠杆臂-质量-系统不能作为参考扭矩源。通常用扭矩参考传感器工作。也可设想,扭矩由转动加速度对于已知质量惯性矩的物体计算出来。

往往会把旋转时进行的校准以动态校准相称或甚至与之混淆,尽管旋转运动本身对扭矩是静态还是动态不是决定性的。然而这种联系一定程度上是有道理的,因为在旋转时动态扭矩部分不能完全排除(见第4章)。

在系统行为方式的意义上,必须对旋转时的校准区别静态的还是动态的扭矩。旋转时的静态 校准体现了一 个任务,对它不存在保险的行为方式。旋转时的动态校准比静态的又有额外的困难。技术状态不过是确定转速对零信号的影响。

7.6.3 流利的校准

与真正的动态校准有区别的是流利的或连续的校准,其中扭矩不是逐级而是连续变化的。这儿也要求确定参考扭矩和测量待校准的传感器的输出的同时性,然而扭矩时间变化的动态性大大地减小了。在应用机器 驱动的扭矩制造和一定的自动化,通过连续校准大大节省时间。