浅析扭矩校准技术的1.国内外扭矩校准技术现状1.1.1扭矩校准体系与方法扭矩校准体系如图1所示，内容包括扭矩国家基准、扭矩计量标准器具以及扭矩计量工作器具。

其中标准扭矩仪、扭矩标准装置、扭力扳手检定装置归属计量标准器具；32作扭矩仪、扭转实验机、扭力扳手、扭矩传感器等归属工作计量器具。

各国的扭矩校准方法视条件各有差异，但日趋相同，主要包括以下两种校准方法。

(1)对易于携带的扭矩工作计量器具，送到具有高一等级计量标准的计量部门去校准。

校准好的器具在运输过程中，避免受到振动、撞击、潮湿和温度的影响，以防丧失原有的准确度。

(2)对不便于运输的扭矩计量标准装置和工作计量器具，高等级计量实验室物色可携式传递标准寄送(或派专员携送)至下级计量技术机构进行仪器校准。

1．2扭矩计量标准器具的校准(1)标准扭矩仪的校准标准扭矩仪是用于传递扭矩值的便携式仪器，按准确度等级可分为，用于基准扭矩值与标准扭矩值之间传递的标准扭矩仪(I类)和用于标准扭矩值与工作计量器具扭矩值之间传递的标准扭矩仪(Ⅱ类)，前者的准确度等级比后者高一个量级，可用扭矩国家基准进行校准，后者也可用前者进行校准。

(2)扭矩标准装置的校准扭矩标准装置是用于产生标准扭矩并施加于被校扭矩传感器或扭矩仪的装置。

它的基本原理是：扭矩值等于力臂L(m)与力F(N)的乘积，即T=L*F，也就是在恒定臂长的杠杆上施加标准砝码(力值砝码)，产生扭矩，并使该扭矩传递到被校扭矩仪／扭矩传感器上。

扭矩标准装置的测量原理图如图2所示，扭矩标准装置的校准通常是用工类标准扭矩仪进行校准。

(3)扭力扳手检定装置的校准扭力扳手检定装置主要包括力臂砝码式、力传感器式、扭矩传感器式三种类型，一般采用标准扭矩仪或扭矩标准装置对其进行校准。

1．3扭矩工作计量器具的校准扭矩工作计量器具包括扭转试验机、扭力扳手、工作扭矩仪、平衡类和能量类扭矩测量装置等。

扭转试验机主要用于金属等原材料的扭转性能的试验，通常采用相应准确度等级的标准扭矩仪或扭矩标准装置对其进行校准，有些扭转试验机也可用扭矩校准杠杆进行校准。

对工作扭矩仪以及各类扭矩测量装置，依据它们的量程和准确度的需要，使用相应的扭矩标准装置或专用校准装置进行校准。

扭力扳手和扭矩传感器是工作计量器具中使用较为广泛的两类计量器具，下面将对它们的校准技术进行详细的介绍。

(1)扭力扳手的校准①力臂砝码式力臂砝码式扭力扳手校准装置的测量原理是将扭力扳手的一端固定，在扳手的把手上挂上标准砝码，再把固定端与挂砝码端的长度测出，两者相乘，就得到了施加的标准扭矩，再用扳手的示值与标准扭矩进行比较，就可以得出扳手的误差，该方法的特点是简便，不需要复杂的装置，但测量误差很大，只适用对准确度要求很低的场合。

②力传感器式鉴于力臂砝码式校准装置误差较大、速度慢，同济大学徐劲峰设计了一种力传感器式扭力扳手校准装置，如图3所示。

该装置的工作方式是扭力扳手的头部嵌入夹持装置(5)中，给转动轮(6)一个转动力矩肘，通过齿轮传动，使夹持装置(5)转动，并带动扭力扳手的头部转动，此时力传感器(2)受到一个力F，通过二次仪表(1)显示出来，而支架(3)上的定位槽位置确定力臂L，由此得出力矩丁=F*￡。

这个标准扭矩值与扭力扳手的读数值进行比较，其差值就是该扭力扳手的误差。

③扭矩传感器式上述的力臂砝码式和力传感器式扭力扳手校准装置，都是通过长度L与力值F 的乘积获得标准扭矩。

标准扭矩的准确度取决于两参数L，F的准确度。

而扭矩传感器式扭力扳手校准装置中的标准扭矩直接来源于扭矩标准装置定度的扭矩传感器。

美国CDI公司生产的'WC一2000型扭力扳手校准装置如图4所示，是按照美国空军标准研制的校准设备，它可以校准各种型号的扭力扳手。

其工作原理是将扭力扳手的头部嵌入扭矩传感器接头中，手柄被可滑动的固定端固定，转动加载手轮，使扭矩传感器转动。

这样，扭力扳手和扭矩传感器受到相同的扭矩，两者的读数差值就是该扭力扳手的误差。

'rFc一2000型扭力扳手校准装置能够自动识别不同量程的扭矩传感器，并带有自动的安全锁紧装置，扭矩量值的校准范围为0．00335N·m一2710N·m，允许误差为±0．25％(当量误差)。

(2)扭矩传感器的校准①传统送检校准(实验室校准法)根据扭矩传感器的结构特点，校准方法大多是将其送计量实验室进行扭矩静态标定，比较成熟的是力臂杠杆加砝码的方法，其主要原因是标准砝码质量精度高、稳定性好。

中航工业成都飞机工业(集团)有限责任公司熊俊、胡斌研制了静重式标准扭矩传感器校准系统，该校准系统以砝码、杠杆产生标准力矩，配以力矩平衡装置，由计算机自动处理数据并给出相应测试报告。

校准系统结构如图5所示，主要包括杠杆系统、砝码加载装置、砝码、力矩平衡装置、计算机、电控箱、机座等。

标准扭矩传感器校准系统的工作原理是：在检定、校准过程中，计算机向电控箱发出指令，通过力臂杠杆的作用产生标准力矩，借助力矩平衡装置按预定顺序自动、平稳、准确地把作用力矩和平衡力矩施加到被校扭矩传感器上，标准力矩与扭矩传感器的读数差值就是该扭矩传感器的误差。

标准扭矩传感器校准系统具有实时性高、数据精度高、成本低、易维护、调试操作方便等优点。

②一种新型扭矩传感器校验仪为了能够在动态加载情况下对扭矩传感器进行校验，燕山大学张玉存、李群设计了一种新型扭矩传感器校验仪，该校验仪采用了虚拟仪器技术，使仪器具有灵活、可自定义、具有强大数据处理和分析功能、易于嵌入数字补偿等特点。

通过控制磁粉制动器，使扭矩传感器校验仪具有灵活的加载方式，并且采取PDD的控制方法克服了磁粉制动器低速时的不稳定现象，该校验仪的结构如图6所示。

扭矩传感器校验仪的工作原理是首先把标准的扭矩传感器安装在图6中被测传感器的位置，标定安装在磁粉制动器上的力传感器，记录磁粉制动器的电流控制器输出的电压值及对应的力传感器的输出值和标准传感器的值，然后应用最／j．,---乘法拟合最佳曲线，找出它们之间的关系。

卸下标准传感器，再把被测扭矩传感器安装在被测位置。

通过已经找到的曲线关系可以算出被测传感器的输出值，然后与被测扭矩传感器的显示值进行比较和校验。

通过控制磁粉制动器输入电流，从而达到改变加载形式的目的。

它能够使扭矩传感器校验仪在动态运行状态下进行校验，是对传统的静态下校验方法的改进。

③磁悬浮效应微扭矩传感器校准仪微扭矩传感器适用于微小扭矩测量，具有测量精度高、分辨率高和不确定度小等特性。

常规的扭矩传感器校准仪常采用悬臂梁加砝码的结构，结构简单，稳定性好，但也存在摩擦阻力矩等干扰因素，难以满足微扭矩传感器计量校准。

国家电机及机械零部件产品质量监督检验中心徐君等提出了一种磁悬浮效应微扭矩传感器校准仪的设计方案。

该校准仪在原有悬臂梁加砝码的结构基础上，垂直放置扭矩传感器，并采用磁悬浮结构、纯扭矩加载方式和轻质复合材料，极大消除了摩擦阻力矩等干扰因素的负面影响，提高了测量精度。

新型微扭矩传感器校准仪结构原理图如图7所示。

待校准的微扭矩传感器通过定位块和抱紧块固定在底座上，转轴上安装力臂；两根导轨对称固定在底座上，并在上面安装可沿导轨上下移动的轴承架；轴承架上安装微型轴承；引线绕过力臂圆弧状的端部并挂在微型轴承上，一端固定在力臂上，另一端固定一砝码；力臂中心处磁铁与磁座中心处磁铁处于相吸状态，调整磁座高度来改变磁力大小，进而使力臂处于悬浮状态；底座上安装调高支撑脚，调节整个机构到水平位置，校准原理与静重式标准装置中悬臂梁加砝码的校准原理一致。

2扭矩校准技术发展趋势2．1扭矩极限量值校准国内外扭矩计量校准研究正朝着超大扭矩、微小扭矩的计量校准方法和装置方向前进。

法国LINE的200kN．m扭矩标准装置，原来是为电力公司计量扭矩传感器而制造的，现已成为计量法国大扭矩的标准装置，同时成为世界各国比对的大量程标准装置。

德国PTB正在调研建立1000kN．m扭矩标准装置，以满足工业的需要。

我国也正在做200kN．m装置上计量在25000kN．m范围内的扭矩仪。

法国宇航局研究了5X10。

4N·m校准装置，我国也开展了28X10“N·m微机械的扭矩计量测试。

微小扭矩的测试计量涉及摩擦、本身质量、灵敏度等诸多问题，是扭矩计量测试领域的一大难题。

2．2高准确度扭矩标准装置研究以往扭矩标准装置的不确定度一般在0．1％。

0．05％，现在随着扭矩传感器准确度的提高，标准装置的不确定度提高到O．05％～0．002％范围内，加载方式从手动改变为自动加载，计算机控制或PLC控制，使装置的校准技术有了很大的提高。

特别是在标准力臂支承和对中性两大技术难题上，有了质的提高，准确度逐步向标准测力机靠拢。

2．3动态扭矩校准目前在国际上动态扭矩的计量测试处于前期研究阶段。

美国NASA空气推进实验室研制完成了不确定度为5％的动态扭矩计量装置，用于测试计量航天飞行器的扭矩。

德国PTB进行了许多动态扭矩试验，它从分析二阶测试系统着手以期找出它的规律。

日本大阪工学院正在研究将动态力的测量方法引入到动态扭矩测试中。

随着动态扭矩重要性的显现，动态扭矩的校准技术研究将会得到更广泛的重视。

2．4扭矩传感器现场校准扭矩传感器和测量仪从实验室测试仪逐步转化为工业化仪表，广泛应用于机电设备的自动控制、状态检测和故障报警。

随着工业化扭矩仪进程加速，许多扭矩传感器已成为机器、武器装备的一个零件。

大型舰船推进轴装备的扭矩传感器及测量仪，安装环境条件苛刻，装拆空间狭小，不大可能将扭矩传感器及测量仪拆下送认可机构检定；一些武器装备上安装的扭矩传感器，还有试验台架上的扭矩仪，不允许将其拆下送检。

所以，开展扭矩传感器的现场校准技术研究是非常有必要的。

美国WDC一1609系统就是到舰船现场去计量的校准设备。

我国研制的MCF —l现场校准装置也是到工业现场去计量的装置。

德国I-IBM的PB—l校准扭矩传感器，也是现场计量机床用。

3结束语扭矩作为设备动力性能指标中的重要参数，越来越受到各国计量部门所重视。

国内外扭矩校准技术的研究形成了以扭矩国家基准、扭矩计量标准器具校准、扭矩工作计量器具校准为内容的扭矩校准体系。

现代计量校准科技的不断进步推动扭矩校准技术朝着超大扭矩、微小扭矩、高准确度校准、现场校准、动态扭矩校准等研究方向不断前进。