动态扭矩测量仪的设计研究及试验验证.pdf

2023 年第 3 期（总第 9 期）【工作探讨】0 引言随着工业测量技术的不断发展，电动扭矩扳子应用越来越广泛1，在变电设备、汽车等检修工装生产线上正确使用电动扭矩扳子进行螺栓紧固是确保装配流程质量的重要一步2，电动扭矩扳子的精度要求越来越高，需要进行准确的测量以保证其可靠性。电动扭矩扳子是以电力为驱动输出设定扭矩值的螺栓拧紧工具3，是带有冲击性的仪器4。根据 JJF 1610-2017电动、气动扭矩扳子校准规范5对电动扭矩扳子进行测量，需要用到的测量标准扭矩仪一般由回转式扭矩传感器和动态扭矩测量仪组成，要求动态扭矩测量仪的采样频率大于 500 Hz，目前国内电动扭矩扳子的计量校准装置还不够成熟，无法满足电动扭矩扳子量值传递的需求。文中提出了一种动态扭矩测量仪，其采用STM32F407 和 STM32F103 作为核心芯片进行控制，ADS1256 作为采样芯片进行数据采样，实现动态扭矩的高精度测量。1 电动扭矩扳子的计量校准现状目前，电动扭矩扳子主要依据 JJF 1610-2017 电动、气动扭矩扳子校准规范进行校准，该规范中规定了动态扭矩测量仪采样频率不小于500Hz。对于 0.3 级的扭矩仪，其测量范围一般为0.1（该量程段的最大值）到，其最低分辨率Design Research and Experimental Verification of Dynamic Torque Measuring InstrumentZOU 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动态扭矩测量仪的设计研究及试验验证邹允昌1，2，3（1 福建省计量科学研究院，福建 福州 350003）（2 国家市场监管重点实验室（力值计量测试），福建 福州 350003）（3 福建省力值计量测试重点实验室，福建 福州 350003）摘要：文中介绍了电动扭矩扳子的计量校准现状，并基于现状设计了一种动态扭矩测量仪。文中详细说明了该动态扭矩测量仪的工作原理、硬件结构和软件流程，并使用该动态扭矩测量仪进行校准电动扭矩扳子的验证性试验，试验结果表明该动态扭矩测量仪具有精度高、准确性好的优点，可以满足电动扭矩扳子的校准需求。关键词：动态扭矩测量仪；校准；电动扭矩扳子收稿日期：2023-05-28作者简介：邹允昌，男，福建省计量科学研究院/国家市场监管重点实验室（力值计量测试）/福建省力值计量测试重点实验室，高级工程师2023 年第 3 期（总第 9 期）【工作探讨】计算公式如下所示6：（1）对于该分辨率，所采用的 AD 采样芯片位数应大于等于 13 位，计算公式如下所示：（2）但是，通过对计量技术机构、用户及生产企业的调研，发现目前国产大部分校准装置无法满足该规范对采样频率和分辨率的要求。2 动态扭矩测量仪的硬件组成及工作原理文中拟研制的动态扭矩测量仪由信号放大滤波模块、采集与数据处理模块和显示模块组成。信号放大滤波模块采用 AD620 芯片,供电电压为 5V，放大倍数为 400 倍，可将 0mV 至 12.5mV 模拟信号放大至 0V 5V，所以该动态扭矩测量仪的测量范围为 0mV/V 至 2.5mV/V，将采集到的模拟信号进行放大滤波，处理完成的模拟信号送至采集与数据处理模块。采集与数据处理模块使用 STM32F103 核心芯片进行控制，采用 ADS1256 采集芯片进行模数转换。ADS1256 采集芯片是高速高精度 ADC 芯片，其采样速率能够达到 30，采样精度能够达到 24 位。理论分辨率如下所示：（3）但是由于噪声、干扰等原因，实际分辨率达不到理论要求。只能尽量通过滤波等方式降低噪声干扰。ADS1256 采 集 芯 片 采 用 SPI 通 信 方 式 同STM32F103核心芯片进行通信，其原理图如图1所示。图 1 ADS1256 采集芯片原理图图 2 STM32F103 核心芯片原理图ADS1256 采 集 芯 片 采 用 7.68MHZ 晶 振，STM32F103 核心芯片采用 8MHZ 晶振，8MHZ 晶振通过 STM32F103 核心芯片 PPL 锁相环倍频后工作频率为 72MHZ。ADS1256 采集芯片将采集到的模拟信号转换成数字信号，通过 SPI 串行通信将数字信号传输给 STM32F103 核心芯片处理数据。STM32F103 核心芯片中进行软件滤波等操作后，将数据通过 485通信传输给显示模块。如图 2 所示。显示模块使用 STM32F407 核心芯片进行控制，通过 TFT_LCD 屏作为显示单元。其中 STM32F407 核心芯片原理图如图 3 所示。图 3 STM32F407 核心芯片原理图动态扭矩测量仪采用了 STM32F103 核心芯片、STM32F407 核心芯片、ADS1256 高精度 24 位 AD 采2023 年第 3 期（总第 9 期）【工作探讨】集芯片以及 AD620 运算放大器芯片等高性能组件，具有反应灵敏、可靠性好、测量精度高等优点。3 动态扭矩测量仪的软件设计动态扭矩测量仪的软件采用模块化设计，其采样频率可以根据扭矩测量模式进行选择，最高可至30MHZ，满足各类扭矩板子的采样要求。动态扭矩测量仪软件部分分为扭矩数据读取和计算、角度数据读取和计算、LCD 显示、数据标定、485 通讯、数据储存、按键读取等部分。程序流程图如图 4 所示。图 4 程序流程图将回转式扭矩传感器与动态扭矩测量仪正确连接，开启该动态扭矩测量仪，该测量仪自动进行程序初始化。采集与数据处理模块和显示模块初始化程序启动时钟使能、串口 usart 使能、参数初始化以及已标定数据读取。初始化结束之后，信号放大滤波模块将采集到的值传递给采集与数据处理模块，数据处理后的值通过 485 传递给显示模块显示当前扭矩值。动态扭矩测量仪的测量扭矩界面如图5所示。图 5 测量扭矩界面点击菜单进入菜单界面，如图 6 所示。在菜单中选择测试，返回测量扭矩界面。在菜单中选择标定，则可进入标定界面。该动态扭矩测量仪一共可以保存 16 个通道数据，进入标定界面后选择标定通道，确定后可以选择两种标定方式：一是通过修改具体扭矩电压信号 mV 值进行扭矩值逐点修正，二是实施加载过程中通过自主设点六个扭矩标准值进行标定。在菜单中选择通道设置可以选择当前通道等。图 6 菜单界面4 动态扭矩测量仪的试验验证选择一个 500 Nm 的回转式扭矩传感器与该动态扭矩测量仪组合，在标定后进行试验验证，分别进行 30 分钟零点漂移测试、示值误差测试和示值重复性测试，如图 7 所示。图 7 扭矩测试验证测试结果如表1所示，根据表1的扭矩测试结果，动态扭矩测量仪的零点漂移为 0.01%，示值误差为0.12%，示值重复性为0.06%，具有良好的计量性能。表 1 扭矩测试结果测试点（Nm）零点漂移%示值误差%示值重复性%100 0.01 0.10 0.05 500 0.01 0.12 0.06使用该动态扭矩测量仪进行电动扭矩扳子的测试，测试结果同 ACTA 4000 测量仪进行比对，测试结果如表 2 所示。表 2 扭矩测试结果比对测试点（Nm）ACTA 4000 动态扭矩测量 差值（%）测量仪显示 仪显示值/B 值/A（Nm）（Nm）100 99.9 100.1 0.20 200 199.8 200.1 0.15 300 299.5 300.2 0.24测试结果表明，该动态扭矩测量仪具有较好的动态扭矩扳子测量能力。2023 年第 3 期（总第 9 期）【工作探讨】5 结论文中研制的动态扭矩测量仪依照 JJF 1610-2017电动、气动扭矩扳子校准规范相关要求进行设计，该动态扭矩测量仪较好地解决了扭矩仪采样频率不高和测量精度低的难题，其配备的动态扭矩测量仪可高速采集扭矩信号，将有效提高工作效率，为电动扭矩扳子的高精度测量提供有效的技术支撑。参考文献1 义婷.电动扭矩扳子检定装置研究 J.计量与测试技术.2018,(7):98-100.2 严飞,高少云,明家辉,刘成君.智能化便携式电动扭矩扳手的组成及研制J.中文科技期刊数据库（引文版）工程技术.2021,(7):113-113.3 冯天宇.电动扭矩扳子检测方法与数据处理 J.品牌与标准化.2019,(1):37-39,42.4 易军.电动、气动扭矩扳子示值误差校准不确定度评定J.电子产品可靠性与环境试验.2020,(6):72-74.5JJF 1610-2017 电动、气动扭矩扳子校准规范 S.6JJG 797-2013 扭矩扳子检定仪检定规程 S.上接（第53页）实施民宿服务认证奠定了基础。文中构建的民宿服务质量评价指标是否有全国适用性，仍需在实践中进一步检验。后续若有机会，将在其它区域的民宿服务质量评价和民宿服务认证工作中加以运用，以获取更多评价样本，不断完善该评价指标体系。参考文献1 文化和旅游部.关于实施旅游服务质量提升计划的指 导 意 见 EB/OL.http:/ 国家认监委.服务认证体验周-宣传片 EB/OL.https:/ 全国旅游标准化技术委员会.全国甲级、乙级旅游民宿评定结果公示 EB/OL.https:/ 湖州市市场监督管理局.德清将在全国率先启动乡村民宿服务认证 EB/OL.http:/ 赵伟.彭州市开展民宿服务认证 EB/OL 深圳市市场监督管理局.DB4403/T212019民宿服务规范EB/OL.http:/ 赵军凯,王磊,滑帅,曹旭.瓦斯浓度对瓦斯爆炸影响的数值模拟研究J.矿业安全与环保,2012,39(4):1-4+92.8 罗振敏,苏彬,程方明,张娟.基于 FLACS 的煤矿巷道截面突变对瓦斯爆炸的影响数值模拟J.煤矿安全,2018,49(1):183-186.9 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