[发明专利]一种微小扭矩生成装置及其实现方法

说明书

本发明公开了一种微小扭矩生成装置及其实现方法，装置包括标准微纳力值发生器、柔性铰链和输出端，实现方法包括：通过标准微纳力值发生器产生标准的微纳力；通过柔性铰链将标准的微纳力转化为纯力偶矩，得到标准的微小扭矩并通过输出端输出。本发明采用了柔性铰链和标准微纳力值发生器相结合的方式，通过柔性铰链将标准的微纳力转化为纯力偶矩，得到标准的微小扭矩，利用柔性铰链消除了传统的杠杆加砝码方法中砝码对于输出端的影响，同时消除了摩擦力、空气浮力、重力加速度、支撑点等因素的影响，误差小，准确、适用性广和可靠。本发明可广泛应用于计量领域。

技术领域

本发明涉及计量领域，尤其是一种微小扭矩生成装置及其实现方法。

背景技术

随着现代科学技术的深入发展，小型化、微型化以及纳米加工技术得到广泛应用，伴随而来的超微几何量，超微力值测量成为生产中的关键技术环节。对于几何量测量而言，长度以光波波长为基准，利用光波波长及干涉细分技术，完全可以实现1nm分辨率，用最好的干涉仪甚至可以获得10pm的分辨率；但对于力学量中微小扭矩的量值溯源研究目前仍主要停留在宏观尺度下，对于1Nm以下的微小扭矩的测量与量值溯源研究相对较少。

微小扭矩传感器作为一种新型传感器在智能化仪表、精密测试仪器、自动控制系统、工业机器人、汽车仪器仪表等装置中均有应用，其测量的准确性将影响到相关参数的获取精度，微小扭矩的测量准确性必须依靠有效的量值溯源来保障，微小扭矩量值溯源的研究关系到高端装备制造业、航空航天产业、先进国防和军事武器装备、汽车产业等众多高技术产业中核心零部件的性能。此外，在微小扭矩传感器、微驱动器、微小扭转设备的开发和制造过程中都必须进行微小扭矩的标定，也就是通过施加规定的标准扭矩载荷来确定输出电信号所代表的实际扭矩值，即使是销售出的扭矩传感器产品，为了保证扭矩传感器在完好状态下使用，也要定期或经常地对其进行标定，被标定的精度高低将直接影响测量结果的准确性和可靠性。微小扭矩测量若无法进行量值溯源，不仅会阻碍工业生产中关键技术质量的提升，而且会导致高尖端研究中微小扭矩测量数据的准确性无法得到保障，严重影响了国防、军工、航空航天、仪器仪表、微纳制造等各个领域的发展。因此研究微小扭矩的量值溯源对于我国高科技的发展、抢占新型产业制高点和提升关键技术水平都具有重要意义。

目前在微小扭矩量值溯源研究过程中，大多数的研究人员均采用传统的杠杆加砝码(即采用力臂上加载砝码)来产生标准扭矩。该方法在大扭矩标准装置中具有一定的优势，因在大扭矩中摩擦力引起的误差对于大扭矩值而言处于可以接受的范围内。但该方法由于杠杆的摩擦以及微小质量砝码易受外界条件影响，导致其在微小扭矩量值溯源过程中存在以下问题：

(1)对于微小扭矩而言，微小扭矩本身就是一个微小量，在10^-3Nm量级甚至更小，故该方法微小的杠杆摩擦力将对微小扭矩的准确性产生严重的影响。

(2)该方法产生微小扭矩时所采用的都是质量较小的砝码，而当砝码的质量较小时，制作的难度较大，相对误差也较大，且空气浮力的影响对于砝码所加载力源的准确性也有较大影响，由此该方法产生的标准微小扭矩误差也较大。

(3)对于微小扭矩而言，使用传统的杠杆加砝码产生微小标准扭矩时，由于微小扭矩自身就是一个微小量，因此微小砝码作为力源时，当地的重力加速度对于力源的精度影响不可忽略，而加速度的准确测量本身就是一个复杂的科学问题，因此该方法的适用性受到很大的限制。

(4)在对传感器或是微小电机施加标准扭矩过程中，当使用传统的杠杆加砝码对杠杆施加标准力源时，支撑点如果不在垂直于待测传感器或电机的中心线且包含砝码重力的平面之内，就会造成杠杆重量和砝码重量形成的径向力对待测传感器或电机扭轴的弯曲作用，对于微小扭矩传感器而言或是相关微小扭矩器件而言，该径向力可能对于相关精密结构造成损坏，不够可靠。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的在于：提供一种误差小、准确、适用性广和可靠的微小扭矩生成装置及其实现方法。