非接触法在微电机力矩测试中的应用

　　1　引　　言

　　微机电系统(MEMS)是近20年来发展起来的一项新兴技术。微电机作为微机电系统动力源之一,在医疗、军事、航空航天、微机器人等领域有着广阔的应用前景[1 2]。微电机的性能对整个微机电系统性能起着举足轻重的作用。有关微电机的研究一直是MEMS研究的热点之一。

　　随着微电机设计、制造工艺的不断提高和发展,人们对其转速、输出力矩等特性的精确测量越来越重视,因为电机输出特性是衡量其性能和应用价值的主要技术参数之一。现有的微电机由于尺寸较小[3 4,9](一般在毫米级),输出轴太短、太细,以及输出力矩较小(一般在微牛·米量级)等原因,使得一些外界条件如温度、振动、摩擦力、空气流动等因素对测量结果的影响相对较大。因此,用常规的电机力矩测量方法很难保证微电机输出力矩的测量精度。现有的几种测试方法如Mathieson D的粘度制动法[5]、Jacobsen S.C的扭丝测试法[6]、Goemans P A等人的轴感应法[7]以及NishibeY的摩擦测试法[8]等,由于测量原理上的局限性,一般只能测量大于10-5Nm的输出力矩,存在测量精度低、范围小等缺点。

　　为减小在微电机输出力矩测量过程中产生的误差,达到对微牛·米级输出力矩精确测试的目的,文中介绍一种对微电机输出力矩测试的非接触测量法。利用自行研制的非接触式微力矩测试仪对所研制的电磁式微电机[10]的输出力矩进行了测试,测试结果表明,该测试方法不但解决了接触式测量法由于摩擦、抖动以及温度效应等因素带来的误差,还满足了微驱动器微小输出转矩精确测量的要求,解决了毫米级微电机输出力矩测试的问题。

　　2　仪器工作原理

　　利用非接触测量法进行微电机输出力矩测试的工作原理如图1所示。测试系统主要由安装在微小电机上的薄铝盘(铝盘半径的大小依据力矩大小适当选取)、非接触制动组件(包括制动磁极和绕于其上的励磁线圈)、电子天平(日本岛津AX200电子天平,量程:200g,测量精度:0.1mg)、光电传感器(购买)、控制电路和计算机(内部安装了1个AD/DA数据采集卡)等部分组成。铝盘边缘放在制动磁极间隙中,其边缘钻有1个直径约1mm的小孔与光电传感器相对,光电传感器与控制电路相连接。非接触制动组件固定后放在电子天平上。电子天平通过其串口与计算机相连接。设备各组成部分相互作用关系可用图2表示,利用计算机控制软件,通过数据采集卡向制动线圈发送1个制动电压,在励磁线圈中便有励磁电流流过,于是在制动磁极的气隙中产生了一定强度的磁场。当电机带动铝盘在气隙磁场中旋转时,铝盘内部便由于其边缘在磁场中切割磁力线而产生涡电流,涡电流在磁场作用下使铝盘受到1个与运动方向相反的作用力。同时,制动磁极受到1个大小相等、方向相反的力,力的大小可以由电子天平读取,通过计算机串口传送给计算机。制动力大小乘以制动力臂(铝盘中心到制动磁极中心的距离)便得到电机的输出力矩。同时,通过接收、处理由光电传感器传递到数据采集卡的电压信号,计算机便读取出与输出力矩相对应的转速,画出对应的转速输出力矩关系曲线。