正弦扭矩校准中的动态扭矩计算方法、装置和计算系统制造方法及图纸

本申请涉及一种正弦扭矩校准中的动态扭矩计算方法、装置和计算系统，基于本申请实施例的实施方案，本申请在动态扭矩校准中，动态扭矩的计算考虑了负载的角加速度实际分布情况，动态扭矩值更加准确。通过转动惯量和角加速度量将动态扭矩量溯源到国际单位制（SI），可以建立动态扭矩原级标准。采用本发明专利技术的方法，校准正弦扭矩的频率范围较宽，测量不确定度较小，其中幅值扩展不确定度优于0.5%，相移扩展不确定度优于0.5

【技术实现步骤摘要】
正弦扭矩校准中的动态扭矩计算方法、装置和计算系统


[0001]本公开涉及计量测试
，尤其涉及一种正弦扭矩校准中的动态扭矩计算方法、装置和计算系统。

技术介绍

[0002]动态扭矩校准广泛地应用于航空、航天、船舶、车辆及机器人等领域，标准动态扭矩量值的溯源技术是动态扭矩校准的关键环节。
[0003]正弦扭矩激励一般由电机或液压伺服系统产生，如德国联邦物理技术研究院和北京长城计量测试技术研究所均采用正弦信号驱动电机作为激励源，电机带动被校传感器和标准转动惯量块进行角振动，从而产生正弦扭矩。
[0004]正弦扭矩量值的溯源，基于作用在扭矩传感器的动态扭矩值等于它带动的负载转动惯量和角加速度之乘积的原理。负载的转动惯量可以溯源，负载某截面的角加速度可以通过激光干涉法进行测量。
[0005]以往近似认为负载上各点的角加速度相同，因此采用单点测量到的角加速度乘以负载的转动惯量获得动态扭矩值。如公开号为CN106482894B的授权专利技术所提供的一种动态扭矩校准装置，其通过转动惯量和角加速度量可以将动态扭矩量溯源到国际单位制(SI)，可以建立动态扭矩原级标准。采用闭环控制的方式产生动态扭矩，可以获得高品质的正弦或其它类型的动态扭矩波形。虽然也建立了动态扭矩值的计算模型，但是，由于负载不是理想刚体，其上各点的角加速度是不同的，近似认为其相等将导致较大的误差，因此，本申请有必要改进其动态扭矩的溯源方法。

技术实现思路

[0006]为了解决上述问题，本申请提出一种正弦扭矩校准中的动态扭矩计算方法、装置和计算系统。
[0007]本申请一方面，提出一种正弦扭矩校准中的动态扭矩计算方法，包括如下步骤：
[0008]获得标准转动惯量块底部的角加速度及气浮轴系底部的角加速度
[0009]计算标准转动惯量块产生的扭矩分量M1；
[0010]计算传感器与标准转动惯量块之间的气浮轴系和连接机构产生的扭矩分量M2；
[0011]计算扭矩传感器的等效转动惯量产生的扭矩分量M0；
[0012]计算作用在扭矩传感器上的动态扭矩量值M(t)：
[0013]M(t)＝M0+M1+M2。
[0014]作为本申请的一可选实施方案，可选地，获得标准转动惯量块底部的角加速度包括：
[0015]通过激光干涉仪测量获得标准转动惯量块底部的角加速度为标准转动惯量块的角加速度分布为：
[0016][0017]式中：
[0018]z
‑
转动惯量块高度坐标，底部为0点，单位m；
[0019]t
‑
时间，单位s；
[0020]ω0‑
角振动频率，单位rad/s；
[0021]ρ
‑
密度，单位kg/m3；
[0022]G
‑
剪切弹性模量，单位GPa；
[0023]L
‑
标准转动惯量块高度，单位m。
[0024]作为本申请的一可选实施方案，可选地，计算标准转动惯量块产生的扭矩分量M1，包括：
[0025]获取标准转动惯量块底部的角加速度
[0026]根据下式标准转动惯量块产生的扭矩分量M1：
[0027][0028]式中，
‑
标准转动惯量块底部的角加速度；
[0029]r
‑
标准转动惯量块的直径，单位m；
[0030]S
‑
标准转动惯量块的横截面面积，单位m2。
[0031]J
‑
标准转动惯量块的转动惯量，单位kg m2。
[0032]作为本申请的一可选实施方案，可选地，计算传感器与标准转动惯量块之间的气浮轴系和连接机构产生的扭矩分量M2，包括：
[0033]采用有限元分析方法计算出气浮轴系和连接件结构内部任意一点的角加速度进行数值积分计算出扭矩M2为：
[0034][0035]作为本申请的一可选实施方案，可选地，计算扭矩传感器的等效转动惯量产生的扭矩分量M0，包括：
[0036][0037]式中，J0‑
扭矩传感器等效转动惯量。
[0038]作为本申请的一可选实施方案，可选地，在计算作用在扭矩传感器上的动态扭矩
量值M(t)之后，还包括：
[0039]通过比较动态扭矩量值M(t)及高速数据采集卡采集到的扭矩传感器输出的电信号，获得扭矩传感器的动态特性。
[0040]作为本申请的一可选实施方案，可选地，在获得标准转动惯量块底部的角加速度及气浮轴系底部的角加速度之前，还包括：
[0041]动态扭矩校准装置采用分体式力矩电机驱动转动惯量负载产生扭矩，按照所需要激励的动态扭矩波形产生旋转运动；扭矩传感器感受所产生的扭矩量，输出电信号；
[0042]采用激光干涉仪与光栅合作、激光干涉仪与光栅合作，激光干涉仪的入射光和衍射光符合光栅方程：
[0043][0044]其中，k是衍射序列(k＝
±
1)，g是光栅常数，λ是激光的波长，α是入射角，β是衍射角；
[0045]调整入射角使其和一级衍射光角度相同，使得激光干涉仪的入射和反射光重合；激光干涉仪接收反射光，得到光电信号；
[0046]激光干涉仪和激光干涉仪输出的电信号由高速数据采集卡同步采集，经处理获得转动的角位移、角速度进而得到角加速度。
[0047]本申请另一方面，提出一种实现所述的正弦扭矩校准中的动态扭矩计算方法的装置，包括：
[0048]角加速度获取模块，用于获得标准转动惯量块底部的角加速度及气浮轴系底部的角加速度
[0049]第一计算模块，用于计算标准转动惯量块产生的扭矩分量M1；
[0050]第二计算模块，用于计算传感器与标准转动惯量块之间的气浮轴系和连接机构产生的扭矩分量M2；
[0051]第三计算模块，用于计算扭矩传感器的等效转动惯量产生的扭矩分量M0；
[0052]第四计算模块，用于计算作用在扭矩传感器上的动态扭矩量值M(t)：
[0053]M(t)＝M0+M1+M2。
[0054]本申请另一方面，还提出一种计算系统，包括：
[0055]处理器；
[0056]用于存储处理器可执行指令的存储器；
[0057]其中，所述处理器被配置为执行所述可执行指令时实现所述的正弦扭矩校准中的动态扭矩计算方法。
[0058]本专利技术的技术效果：
[0059]基于本申请实施例的实施方案，本申请在动态扭矩校准中，动态扭矩的计算考虑了负载的角加速度实际分布情况，动态扭矩值更加准确。通过转动惯量和角加速度量将动态扭矩量溯源到国际单位制(SI)，可以建立动态扭矩原级标准。采用本专利技术的方法，校准正
弦扭矩的频率范围较宽，测量不确定度较小，其中幅值扩展不确定度优于0.5％，相移扩展不确定度优于0.5
°
；校准冲击扭矩的幅值扩展不确定度优于0.5％。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种正弦扭矩校准中的动态扭矩计算方法，其特征在于，包括如下步骤：获得标准转动惯量块底部的角加速度及气浮轴系底部的角加速度计算标准转动惯量块产生的扭矩分量M1；计算传感器与标准转动惯量块之间的气浮轴系和连接机构产生的扭矩分量M2；计算扭矩传感器的等效转动惯量产生的扭矩分量M0；计算作用在扭矩传感器上的动态扭矩量值M(t)：M(t)＝M0+M1+M2。2.根据权利要求1所述的正弦扭矩校准中的动态扭矩计算方法，其特征在于，获得标准转动惯量块的角加速度分布包括：通过激光干涉仪测量获得标准转动惯量块底部的角加速度为标准转动惯量块的角加速度分布为：式中：Z—转动惯量块轴向高度坐标，底部为0点，单位m；t—时间，单位s；ω0‑
角振动频率，单位rad/s；ρ
‑
密度，单位kg/m3；G
‑
剪切弹性模量，单位GPa；L
‑
标准转动惯量块高度，单位m。3.根据权利要求1所述的正弦扭矩校准中的动态扭矩计算方法，其特征在于，计算标准转动惯量块产生的扭矩分量M1，包括：获取标准转动惯量块底部的角加速度根据下式标准转动惯量块产生的扭矩分量M1：式中：
‑
标准转动惯量块底部的角加速度；r
‑
标准转动惯量块的直径，单位m；S
‑
标准转动惯量块的横截面面积，单位m2；J
‑
标准转动惯量块的转动惯量，单位kgm2。4.根据权利要求1所述的正弦扭矩校准中的动态扭矩计算方法，其特征在于，计算传感器与标准转动惯量块之间的气浮轴系和连接机构产生的扭矩分量M2，包括：采用有限元分析方法计算出气浮轴系和连接件结构内部任意一点的角加速度进行数值积分计算出扭矩M2为：5.根据权利要求1所述的正弦扭矩校准中的动态扭矩计算方法，其特征在于，计算扭矩传感器的等效转动惯量产生的扭矩分量M0，包括：式中，J0‑
扭矩传感器等效...

【专利技术属性】
技术研发人员：张力，彭军，仝哲旭，王利恒，
申请(专利权)人：中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所，
类型：发明
国别省市：