0　引言
      在旋轉動力系統(tǒng)中，動態(tài)扭矩傳感器作為一種具有顯示測量值或對扭緊過程實施監(jiān)控的專用工具，在螺紋連接件的裝配中起著重要的作用，尤其在對扭矩擰緊設備的檢測和監(jiān)控中，動態(tài)扭矩傳感器有不可忽略的地位。隨著各個行業(yè)對擰緊工藝的重視，對擰緊工藝的控制要求也不局限于保證擰緊時扭矩參數(shù)的準確可靠，而是對整個螺栓擰緊過程中扭矩和角度的狀態(tài)進行準確定量的控制。諸如對擰緊設備在給定的角度范圍內(nèi)所能達到的扭矩進行數(shù)據(jù)采集，或在一定范圍內(nèi)獲得扭矩隨角度變化的函數(shù)圖像等，促使了能同時檢測扭矩和角度這兩個參數(shù)的傳感器的大量使用。伴隨著 JJF 1610-2017《電動、氣動扭矩扳子校驗規(guī)范》的頒布，提出了高扭矩率和低扭矩率的概念，進一步推動了扭矩傳感器的角度控制的重要性，也大幅度提高了對動力擰緊系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集的動態(tài)扭矩傳感器同時具備角度數(shù)據(jù)采集功能的必要性。因此，對于扭矩 / 轉角傳感器的多參數(shù)校驗是未來扭矩校驗發(fā)展的方向。
 
      本文運用高準確度的角度編碼器并通過設計相應的夾具，實現(xiàn)對扭矩 / 轉角傳感器中角度參數(shù)的校驗。同時，設計可拆卸式的固定端子與不同規(guī)格的標準扭矩儀相連接，從而構成參考式扭矩標準裝置來實現(xiàn)扭矩的校驗，繼而達到多參數(shù)校驗的目的。
 
1　裝置的結構和設計
      裝置的結構如圖 1 所示。由于現(xiàn)有的大部分動態(tài)扭矩 / 轉角傳感器 （以下簡稱傳感器）均采取方頭方孔的結構，因此，裝置以方頭方孔的傳感器作為測量目標加以設計。運用法蘭盤和帶有螺紋孔和機械制動的固定結構將角度編碼器與轉臺相連接。在搖動手柄時，通過箱體內(nèi)絲杠帶動狀態(tài)，實現(xiàn)角度編碼器與轉臺同軸旋轉。經(jīng)由金屬連接桿將輸出端轉化為方孔與傳感器同軸串聯(lián)，繼而達到傳感器、角度編碼器、轉臺旋轉的角度相同，從而比較被測傳感器角度是否準確。

 

      從圖 1 可以看到，在裝置頂部存在螺紋孔，帶有方孔的頂部通過安裝螺栓從而對傳感器機械制動，實現(xiàn)對一端的定位和制動。并根據(jù)被測傳感器的量程選擇相應的標準扭矩儀，形成參考式扭矩標準裝置結構從而完成扭矩量的校驗。針對不同型號規(guī)格的傳感器，可以通過更換連接法蘭盤以及其他轉接件的配合，從而實現(xiàn)角度和扭矩兩個參數(shù)校驗的目的。
 
2　裝置的誤差控制
      儀器校驗裝置的誤差來源主要有角度編碼器自身存在的誤差，即標準裝置引入的系統(tǒng)誤差，以及由裝置機械裝配、間隙等因素引起的隨機誤差。由于標準裝置引入的系統(tǒng)誤差可以確定，因此這里對裝置的隨機誤差，尤其是由機械間隙引入的隨機誤差進行討論。
 
2.1　機械間隙引入的隨機誤差
      由于在扭矩的測量中，可以通過施加預加載的方式，通過加載力一定程度上消除機械間隙，減小間隙帶來的誤差。而在角度的測量中，由于裝置處于不受力的狀態(tài)，傳感器與裝置以及裝置之間的間隙會對結果產(chǎn)生較大的影響。因此，設計的儀器校驗裝置采用機械抱軸的方式作為連接盤連接底部轉臺與角度編碼器，根據(jù)選用的角度編碼器結構，設計如圖 2 所示連接盤。采用機械抱軸的方式，一方面考慮到在角度測量過程中，裝置整體不受扭矩作用，機械抱軸的緊固力足夠保持角度編碼器隨轉臺軸向旋轉。同時機械抱緊的方式能夠最大限度地減少角度編碼器與轉臺間的機械誤差。機械抱軸的方式也可以運用在角度編碼器與傳感器連接的連接桿上，從而實現(xiàn)對裝置整體誤差的控制。

 

2.2　傳感器原理引入的隨機誤差
      現(xiàn)階段的動態(tài)扭矩 / 轉角傳感器的角度參數(shù)，多采用相位差式或光電式的方式達到角度測量的目的。其原理均是測量傳感器軸和外殼間旋轉角度的相對變化量從而計算角度值。因此，在過去對傳感器角度的測量或使用中，使傳感器外殼相對固定是測量工作中的一個難題。傳感器外殼的旋轉引入的影響量，是角度測量工作中最大的誤差來源。
 
      設計的裝置通過其側面的兩個定位螺栓來解決這個問題。由于在角度測量過程中傳感器的外殼不受力，因此僅需要兩個螺栓通過螺母調(diào)節(jié)其位置對被測傳感器進行相對固定。這樣在測量角度的過程中，不會因為傳感器外殼隨軸心產(chǎn)生旋轉導致測量數(shù)據(jù)失真的情況出現(xiàn)。值得注意的是，由于傳感器在測量扭矩的過程中，其外殼同樣受力較小，同時，在扭矩測量過程中，殼體與軸心的相對位置變化同樣會引起傳感器應變信號的擾動，從而引起數(shù)據(jù)的輕微波動。因此，在扭矩的測量過程中，同樣能夠通過固定螺栓對傳感器外殼進行固定，繼而減小測量結果的不確定度。
 
4　結語
      本文通過對現(xiàn)有的扭矩 / 轉角傳感器的結構特點和測量原理進行研究，設計出一套可以檢測轉角、扭矩兩種參數(shù)的儀器校驗裝置。通過連接件的更換，可以實現(xiàn)對 10~1 000 Nm 扭矩量程和 10°以上角度量程的測量。
 
      未來，可以通過對加載機構進行自動化改造，并增加時頻測量功能，從而實現(xiàn)對 1 r/min 以下低轉速參數(shù)的測量。此外，還可通過數(shù)據(jù)采集功能板將數(shù)據(jù)集中在人機交互界面中，進一步拓展裝置的實用價值。

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