動態扭矩測量儀的設計研究及試驗驗證

摘要：文中介紹了電動扭矩扳子的計量校準現狀，并基于現狀設計了一種動態扭矩測量儀。文中詳細說明了該動態扭矩測量儀的工作原理、硬件結構和軟件流程，并使用該動態扭矩測量儀進行校準電動扭矩扳子的驗證性試驗，試驗結果表明該動態扭矩測量儀具有精度高、準確性好的優點，可以滿足電動扭矩扳子的校準需求。

關鍵詞：動態扭矩測量儀；校準；電動扭矩扳子

Design Research and Experimental Verification of Dynamic Torque Measuring Instrument

ZOU Yunchang1，2，3

（1 Fujian Metrology Institute，" Fuzhou 350003， Fujian， China）

（2 Key Laboratory of Force Measurement for State Market Regulation， Fuzhou 350003， Fujian， China）

（3 Fujian Provincial Key Laboratory of Force Measurement， Fuzhou 350003， Fujian， China）

Abstract： This paper introduced the current status of measurement and calibration of electric torque wrenches， and designed a dynamic torque measuring instrument based on the current status.The working principle， hardware structure， and software flow of the dynamic torque measuring instrument were explained in detail， and a validation test was conducted to calibrate the electric torque wrench using the dynamic torque measuring instrument. The test results showed that the dynamic torque measuring instrument has the advantages of high accuracy and good accuracy， which can meet the calibration requirements of the electric torque wrench.

Key Words： Dynamic torque measuring instrument; Calibration; Electric torque wrench

0引言

隨著工業測量技術的不斷發展，電動扭矩扳子應用越來越廣泛[1]，在變電設備、汽車等檢修工裝生產線上正確使用電動扭矩扳子進行螺栓緊固是確保裝配流程質量的重要一步[2]，電動扭矩扳子的精度要求越來越高，需要進行準確的測量以保證其可靠性。電動扭矩扳子是以電力為驅動輸出設定扭矩值的螺栓擰緊工具[3]，是帶有沖擊性的儀器[4]。根據JJF 1610-2017《電動、氣動扭矩扳子校準規范》[5]對電動扭矩扳子進行測量，需要用到的測量標準——扭矩儀一般由回轉式扭矩傳感器和動態扭矩測量儀組成，要求動態扭矩測量儀的采樣頻率大于500Hz，目前國內電動扭矩扳子的計量校準裝置還不夠成熟，無法滿足電動扭矩扳子量值傳遞的需求。文中提出了一種動態扭矩測量儀，其采用STM32F407和STM32F103作為核心芯片進行控制，ADS1256作為采樣芯片進行數據采樣，實現動態扭矩的高精度測量。

1電動扭矩扳子的計量校準現狀

目前，電動扭矩扳子主要依據JJF 1610-2017 《電動、氣動扭矩扳子校準規范》進行校準，該規范中規定了動態扭矩測量儀采樣頻率不小于500Hz。對于0.3級的扭矩儀，其測量范圍一般為0.1（該量程段的最大值）到，其最低分辨率計算公式如下所示[6]：

對于該分辨率，所采用的AD 采樣芯片位數應大于等于13位，計算公式如下所示：

但是，通過對計量技術機構、用戶及生產企業的調研，發現目前國產大部分校準裝置無法滿足該規范對采樣頻率和分辨率的要求。

2 動態扭矩測量儀的硬件組成及工作原理

文中擬研制的動態扭矩測量儀由信號放大濾波模塊、采集與數據處理模塊和顯示模塊組成。

信號放大濾波模塊采用AD620芯片，供電電壓為5V，放大倍數為400倍，可將0mV至12.5mV模擬信號放大至0V～5V，所以該動態扭矩測量儀的測量范圍為0mV/V至2.5mV/V，將采集到的模擬信號進行放大濾波，處理完成的模擬信號送至采集與數據處理模塊。

采集與數據處理模塊使用STM32F103核心芯片進行控制，采用ADS1256采集芯片進行模數轉換。ADS1256采集芯片是高速高精度ADC芯片，其采樣速率能夠達到30，采樣精度能夠達到24位。理論分辨率如下所示：

但是由于噪聲、干擾等原因，實際分辨率達不到理論要求。只能盡量通過濾波等方式降低噪聲干擾。

ADS1256采集芯片采用SPI通信方式同STM32F103核心芯片進行通信，其原理圖如圖1所示。

ADS1256采集芯片采用7.68MHZ晶振，STM32F103核心芯片采用8MHZ晶振，8MHZ晶振通過STM32F103核心芯片PPL鎖相環倍頻后工作頻率為72MHZ。ADS1256采集芯片將采集到的模擬信號轉換成數字信號，通過SPI串行通信將數字信號傳輸給STM32F103核心芯片處理數據。STM32F103核心芯片中進行軟件濾波等操作后，將數據通過485通信傳輸給顯示模塊。如圖2所示。

顯示模塊使用STM32F407核心芯片進行控制，通過TFT_LCD屏作為顯示單元。其中STM32F407核心芯片原理圖如圖3所示。

動態扭矩測量儀采用了STM32F103核心芯片、STM32F407核心芯片、ADS1256高精度24位AD采集芯片以及AD620運算放大器芯片等高性能組件，具有反應靈敏、可靠性好、測量精度高等優點。

3動態扭矩測量儀的軟件設計

動態扭矩測量儀的軟件采用模塊化設計，其采樣頻率可以根據扭矩測量模式進行選擇，最高可至30MHZ，滿足各類扭矩板子的采樣要求。

動態扭矩測量儀軟件部分分為扭矩數據讀取和計算、角度數據讀取和計算、LCD顯示、數據標定、485通訊、數據儲存、按鍵讀取等部分。程序流程圖如圖4所示。

將回轉式扭矩傳感器與動態扭矩測量儀正確連接，開啟該動態扭矩測量儀，該測量儀自動進行程序初始化。采集與數據處理模塊和顯示模塊初始化程序啟動時鐘使能、串口usart使能、參數初始化以及已標定數據讀取。初始化結束之后，信號放大濾波模塊將采集到的值傳遞給采集與數據處理模塊，數據處理后的值通過485傳遞給顯示模塊顯示當前扭矩值。動態扭矩測量儀的測量扭矩界面如圖5所示。

點擊菜單進入菜單界面，如圖6所示。在菜單中選擇測試，返回測量扭矩界面。在菜單中選擇標定，則可進入標定界面。該動態扭矩測量儀一共可以保存16個通道數據，進入標定界面后選擇標定通道，確定后可以選擇兩種標定方式：一是通過修改具體扭矩電壓信號mV值進行扭矩值逐點修正，二是實施加載過程中通過自主設點六個扭矩標準值進行標定。在菜單中選擇通道設置可以選擇當前通道等。

4動態扭矩測量儀的試驗驗證

選擇一個500Nm的回轉式扭矩傳感器與該動態扭矩測量儀組合，在標定后進行試驗驗證，分別進行30分鐘零點漂移測試、示值誤差測試和示值重復性測試，如圖7所示。

測試結果如表1所示，根據表1的扭矩測試結果，動態扭矩測量儀的零點漂移為0.01%，示值誤差為0.12%，示值重復性為0.06%，具有良好的計量性能。

使用該動態扭矩測量儀進行電動扭矩扳子的測試，測試結果同ACTA 4000測量儀進行比對，測試結果如表2所示。

測試結果表明，該動態扭矩測量儀具有較好的動態扭矩扳子測量能力。

5結論

文中研制的動態扭矩測量儀依照JJF 1610-2017《電動、氣動扭矩扳子校準規范》相關要求進行設計，該動態扭矩測量儀較好地解決了扭矩儀采樣頻率不高和測量精度低的難題，其配備的動態扭矩測量儀可高速采集扭矩信號，將有效提高工作效率，為電動扭矩扳子的高精度測量提供有效的技術支撐。

參考文獻

[1]義婷.電動扭矩扳子檢定裝置研究[J].計量與測試技術.2018， （7）：98-100.

[2]嚴飛，高少云，明家輝，劉成君.智能化便攜式電動扭矩扳手的組成及研制[J].中文科技期刊數據庫（引文版）工程技術.2021， （7）：113-113.

[3]馮天宇.電動扭矩扳子檢測方法與數據處理[J].品牌與標準化.2019，（1）：37-39，42.

[4]易軍.電動、氣動扭矩扳子示值誤差校準不確定度評定[J].電子產品可靠性與環境試驗.2020，（6）：72-74.

[5]JJF 1610-2017電動、氣動扭矩扳子校準規范[S].

[6]JJG 797-2013 扭矩扳子檢定儀檢定規程[S].

收稿日期：2023-05-28

作者簡介：鄒允昌，男，福建省計量科學研究院/國家市場監管重點實驗室（力值計量測試）/福建省力值計量測試重點實驗室，高級工程師