一種帶平衡力位置補償的扭力扳手檢定儀及其檢定方法研究

近年來，伴隨著扭矩扳子在模具加工、汽車制造、交通運輸和重裝制造等行業中的運用愈發普及， 針對扭矩扳子的監督和校準檢測需求也增長明顯。目前針對扭矩扳子的檢定和校準，應用*為普遍的方案，是使用扭力扳手檢定儀。扭力扳手檢定儀廣泛應用于計量技術機構，汽車、船泊及各種動力機械制造企業。

由于扭力扳子檢定儀上的扭矩傳感器使用時不僅受到扭矩作用，同時還受到平衡機構檔桿產生的推力作用，推力使扭矩傳感器產生干擾輸出，使得扭力扳手檢定儀的輸出扭矩不僅與所作用的扭矩值成正比，還受到平衡力的作用位置的影響。

在實際測量過程中，由于平衡力作用點到扭矩傳感器之間的距離與被檢扭矩扳子有關，因此測試過程中施加的標準扭矩一定時，扭矩傳感器的輸出是不一定的，從而影響扭力扳手檢定儀的測量精度。本文提出了一種帶平衡力位置補償的扭力扳手檢定儀及其檢定方法，采用位移傳感器對平衡力作用位置進行監測并對位置變化引起的測量誤差進行補償，從而有效提高扭力扳手檢定儀的測量精度。

1 結構設計及原理

       1.1 總體結構的設計未解決前文所述的問題，設計了基于位置補償原理的裝置。如圖 1 所示，檢定儀主要由機架、扭矩傳感器、位移傳感器、驅動機構、力矩平衡機構和測量指示儀表等組成。其中測量指示儀表、扭矩傳感器和力矩平衡機構均安裝在固定于機架上，扭力扳手的套環端同軸固定套在扭矩傳感器上，扭力扳手的桿端連接力矩平衡機構，通過力矩平衡機構控制扭矩的力臂，力矩平衡機構側方安裝有用于檢測力臂長度的位移傳感器; 機架底部安裝有驅動機構，驅動機構連接扭矩傳感器帶動施加扭矩到扭力扳手上，扭矩傳感器和位移傳感器均與測量指示儀表連接。

圖 1 帶平衡力位置補償的扭力扳手檢定儀示意圖

       1. 1. 1 力矩平衡機構

裝置力矩平衡機構包括力矩平衡機構支架、擋塊、搖輪和絲桿，力矩平衡機構支架固定安裝在機架上，兩根絲桿水平平行地安裝在平衡機構支架上，絲桿上套有擋塊，擋塊和絲桿形成絲杠螺母副，兩根絲桿均與搖輪連接，扭力扳手的桿端被固定夾在兩根絲桿上的擋塊之間，轉動搖輪帶動絲桿旋轉進而帶動擋塊沿絲桿軸向移動，使得擋塊擋在扭力扳手桿端的不同位置從而實現力臂的調整。

       1. 1. 2 位移及扭矩測量機構

      測量指示儀表具有扭矩通道端口和位移通道端口，扭矩傳感器輸出端口連接到測量指示儀表的扭矩通道端口，位移傳感器輸出端口與測量指示儀表 的位移通道端口連接。 位移傳感器與絲桿平行并安裝在擋塊附近，位移傳感器的固定端連接在機架上，移動端連接在力矩平衡機構的擋塊上，位移傳感器檢測擋塊沿絲桿軸向移動的位移。

       1. 1. 3 驅動機構

裝置的驅動機構包括減速機和電機的變速傳動部件，電機經減速機與扭矩傳感器連接。驅動機構還可以由搖輪、絲桿、蝸輪蝸桿等其他變速傳動結構組成。

1. 2 測試方法及過程

本裝置的具體實施過程及原理如下:

1) 檢定時將扭力扳手安裝在扭力扳手檢定儀上，調整平衡機構的位置，驅動機構運行，施加扭力到扭矩傳感器上，扭矩傳感器輸出固定的扭矩到待測扭力扳手的套環端上，扭力扳手的桿端被固定夾在所述力矩平衡機構的兩塊擋塊之間;

2) 通過轉動搖輪帶動擋塊沿絲桿軸向移動，調整擋塊阻擋在扭力扳手桿端不同位置，形成不同力臂距離，通過位移傳感器測得的位置轉換為力臂長度;

3) 通過標準準確的扭力扳手在不同力臂位置多次測試獲得扭矩傳感器在不同平衡力臂下的輸出值 S，采用以下公式進行計算可獲得**、**權重參數

 k1、k2 : S = k1M( 1 + k2 1 L )( 1)

M = S k1( 1 + k2 1 L ) ( 2)

其中，k1、k2 為**、**權重參數，M 為平衡力 位置補償后的標準扭矩值，L 為擋塊到扭力扳手旋 轉軸之間的力臂長度，S 為扭矩傳感器的輸出系 數值。

4) 對于待測的扭力扳手，將扭矩傳感器輸出的固定扭矩值和位移傳感器測得的力臂長度值輸入到測量指示儀表中，測量指示儀表有扭矩位移兩個通道，測量指示儀表將扭矩及位移傳感器信號接入后，經放大、AD 轉換采用以下公式計算得到平衡力位置補償后的標準扭矩值:

S＇ = k1M( 1 + k2 1 L ) ( 3)

M＇ = S k1( 1 + k2 1 L ) ( 4)

2 實施與驗證

制作一臺 500Nm 扭力扳子檢定儀，結構見圖 1 所示，其中扭矩測量選用圓軸式結構的規格為500Nm 的扭矩傳感器，輸出( 0 ～ 2) mV/V，準確度級別 0. 1 級; 位移測量選用 LX－S 型位移傳感器，規格1000mm，輸出( 0～5) V。為了對扭矩傳感器的輸出特性用位移傳感器進行補償，將標準扭力扳子安裝在扭力扳手檢定儀上，在兩個不同平衡位置( L =200mm、L = 600mm) 進行 輸出特性測試，測試結果見表 1。

表 1 標定前 L = 200mm、

L = 600mm 時各點測得值平衡位置測量點對應輸出特性( 單位: 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 位置進行對扭力扳手檢定儀進行

標定后，得到的測試數據見表 2。

表 2平衡位置測量點對應測得值( 單位: 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

結果表明，補償前不同平衡力作用位置扭矩值相差 0. 5%左右。將上述測試數據代入公式

 S =k1M( 1 + k2 1 L ) 進行計算可以得到 k1、k2 的近似值:

k1 = 0. 0040174 k2 = －1. 62493

將扭矩傳感器輸出系數 S、補償系數 k1、k2、位 移傳感器測得的 L( 按 mm 單位計) 代入公式( 2) 即可得到與平衡力位置無關的扭矩值。表 3 補償后 L = 200mm、L = 600mm 時各點測得值平衡位置

測量點對應測得值( 單位: 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

結果表明，補償后不同平衡力作用位置扭矩輸出基本一致，也就是說，采用本文所述方法可顯著提升扭力扳手檢定儀的測量精度。

5. 3 試驗結果分析

本章主要進行了計量裝置計量性能和功耗試驗。試驗結果表明基于霍爾電流傳感器測量的直流電能計量裝置精度滿足 1 級標準，性能穩定，功耗小于 2W，滿足鐵塔技術規范性能要求，具備鐵塔基站配用電環境應用條件。

6 總結

本文基于當前新能源發展的背景，以鐵塔基站直流配電應用環境為基礎設計了一款基于霍爾電流傳感器的直流電能計量裝置，論述了其硬件和軟件設計方案，按照規范要求對樣機裝置進行了計量性能與功耗試驗。本文設計的這款基于霍爾電流傳感器，具有 6 路正反向電能計量功能的直流電能計量裝置，計量準確，性能穩定，功耗低，使用方便，具有廣闊的應用前景。

綜上，本研究提出一種結構原理簡單的，新型帶平衡力位置補償的扭力扳手檢定儀，能有效解決扭力扳子檢定儀中由于平衡力作用位置不同而帶來的誤差問題，有效提高了扭力扳手檢定儀的測量精度，具有其突出的技術效果和推廣價值。