具有无线传输功能的数显扭矩扳手的设计与实现

0 引言

螺纹连接是一种广泛使用的可拆卸的固定连接，为了增强连接的刚性、紧密性、防松及防滑，大部分螺纹在连接时都需要预紧，而预紧力的适当控制是确保螺纹连接质量的关键。如果预紧力太小，作用在螺栓上的负载会很快使螺栓松动脱落，如果预紧力太大则会导致螺栓疲劳失效［1-2］。为了确保螺纹连接的安全，研究具有扭矩测量功能的扳手，实现预紧力矩的在线测量十分必要。此外，扭矩信号需上传到上位机中进行统一管理与监测。一般而言，扭矩的测量往往是多点同时进行，扭矩扳手如果以有线的方式传输扭矩数据，通信线容易损坏，从而提高了扳手的维护成本［3］。随着无线传输技术的发展，扭矩数据传输有了更新、更便捷的解决方案。无线数据传输系统不用铺设有线线路，在空中通过电磁波进行高质量、全方位的数据传递［4-5］。因此，开发一种精度高、成本低、使用方便，具有无线传输功能的数显扭矩扳手具有十分重要的意义。

1 无线数显扳手的硬件设计

文中设计的无线数显扭矩扳手主要包括扭矩传感器、调理放大电路、A/D转化电路、单片机、无线传输模块、LCD显示、键盘和声光报警器八个部分。扭矩扳手首先将传感器测量的扭矩信号转换成电压，经信号调理放大电路和A/D转换电路将模拟信号转化成数字信号，再由LCD显示和声光报警器显示扭矩值并预警扭矩超限，同时可通过无线传输模块将扭矩值上传到服务器中进行分析与保存。无线数显扭矩扳手的硬件结构图如图1所示。

图1 无线数显扭矩扳手硬件结构图
Figure 1 Structure of hardware for wireless digital torque wrench

1.1 基于惠斯通电桥的扭矩测量

金属导体的电阻值会随着形状的改变而改变。对于应变片来说，其电阻变化率ΔR/R与应变ε呈线性关系。当采用应变片测量受力状态时，将应变片粘贴于被测对象的表面上。在外力作用下，被测对象表面发生微小机械变形时，应变片的敏感栅也随同变形，其电阻值会发生相应变化［6］。文中采用惠斯通电桥作为应变采集电路实现扭矩与电阻变化的转换。图2所示为一个通用的惠斯通电桥，电阻 R1，R2，R3，R4为电桥的4个臂。根据克希霍夫定律可计算得到输出端的电流I0和电压U0分别如式(1)和式(2)所示。

图2 惠斯通电桥
Figure 2 Wheatstone bridge

惠斯通电桥输出端与直流放大器连接，直流放大器的输入端电阻R0比电桥电阻大得多，因此可将电桥输出端看成是开路情况，即R0=∞，式(2)可简化为

各应变片的初始电阻为R1=R2=R3=R4=R，当受力后各应变片电阻变为 R+ΔR1，R+ΔR2，R+ΔR3，R+ ΔR4，忽略二次项，式(3)变为

当应变片的型号和规格一致时，即ΔR1/R=Kε1，ΔR2/R=Kε2，ΔR3/R=Kε3，ΔR4/R=Kε4时，式(4)可变换为

考虑到 ε1，ε2，ε3与 ε4的和 ≪1，则式(5)可以简化为式(6)。

文中采用半桥差动组桥方式，将4个应变片粘贴于弹性元件的同一侧，应变片R1与R4平行于受力方向，而应变片R2与R3垂直于受力方向，如图3所示，即在受力时，ε1= ε4= ε，而 ε2= ε3=0，则式(6)可以转化为

因此，惠斯通电桥的输出电压与应变片的应变呈线性关系。而应变与扭矩M的关系为

式中，E为弹性模量，Wz为抗弯模量。该半桥差动组桥方案可以进行温度误差补偿，同时，由于4个应变片安装于同一面，降低了安装难度，可以满足实际生产中应变片大批量定制安装的要求。

图3 半桥差动组桥电路
Figure 3 Half-bridge circuit of Wheatstone bridge

1.2 硬件研究与选型

扭矩扳手属于便携式工具，硬件要求体积小，成本低，同时，为了延长扳手的连续供电时间，需要降低扳手的整机功耗。

文中选用MSP430FG439单片机。MSP430系列单片机是一个16位的、具有精简指令集的、超低功耗的混合型单片机［7-8］。文中选择SMG12864G2芯片作为LCD显示芯片，该芯片是是一款带字库的128×64点液晶屏，可以串接(3线或2线)，也可以并接(4位或8位)。

目前，近距离无线传输技术主要有蓝牙(Bluetooth)，Wi-Fi(Wireless Fidelity，无线高保真技术)，Zigbee和红外数据传输(IrDA)等。考虑到Zigbee无线通讯模块的电池寿命长(2节普通5号干电池可使用半年以上)，覆盖范围广(最远300 m)，安全高(128位AES)，复杂程度低和成本低廉等优势，文中选择具有自组网功能的Zigbee技术来实现扭矩扳手的无线传输，并选用型号为CC2430的Zigbee无线传输芯片。该芯片沿用了以往CC2420芯片的架构，在单个芯片上整合了ZigBee射频(RF)前端、内存和微控制器。CC2430芯片具有强大的集成开发环境，内部线路的交互式调试遵从IDE的IAR工业标准，同时它结合了全球先进的ZigBee协议栈、工具包和参考设计。此外，CC2430芯片采用 0.18 μmCMOS工艺生产，工作时的电流损耗为27 mA;在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27 mA或25 mA，特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。

2 无线数显扳手的软件设计

2.1 软件工作流程

文中开发的无线数显扭矩扳手的工作流程如图4所示。首先初始化各个功能模块，接着判断是否有远程设置，如果有，则从远程PC上读取或设置相应的编号和扭矩阈值，如果没有，则通过小键盘输入扭矩阈值。同时，对扭矩传感信号进行A/D转换，系统读取A/D芯片中的数据，并把它换算成扭矩值，在LCD屏上显示。判断测量的扭矩值是否超过设定的扭矩阈值，如果超过扭矩阈值，则声光报警并在LCD显示屏上显示扭矩过大，如果没有超过扭矩阈值，则继续A/D转换，进行下一次测量。

图4 无线数显扭矩扳手的工作流程
Figure 4 Workflow of wireless digital torque wrench

2.2 信号的滤波与校准算法

由于存在随机干扰使被测信号混入无用的成分时，可以采用滤波算法过滤掉信号中无用的成分，以提高信号的质量。采用算术平均滤波法对具有随机干扰的信号进行滤波，即连续取n个采样值进行算术平均运算。n值较大时，信号平滑度较高，但灵敏度较低，而n值较小时，信号平滑度较低，但灵敏度较高，在本文中，n值取4。

实际测量过程中，测量电路会引入零位和增益误差，为了消除这一误差，需要对扳手进行校准。采用离线处理方式来确定校准算式，在线测量时则采用这个算式对系统误差进行修正。

由式(7)和式(8)可知，测量信号x与扭矩值M之间呈线性关系，检测标准扭矩M0为

检测零点为

联立式(9)和式(10)可得校正算式

3 无线数显扳手的试验验证

文中开发的扭矩扳手硬件电路板如图5所示，该电路板集成了电源供电电路，主控芯片电路，数据存储电路，A/D转换电路，声光报警电路，按键电路，LCD显示接口和无线传输模块接口等。同时，选用由IAR公司提供的开发调试环境:IAR Embedded Workbench及其调试器 C-SPY［9-10］。

图5 扭矩扳手硬件电路板
Figure 5 Circuit board of torque wrench

为了测试扭矩扳手的精度，开发了如图6所示的扭矩产生装置。扭矩产生装置主要由标准砝码和直径为L2的转盘组成，砝码通过1根细钢丝绳与转盘连接在一起，该装置产生的扭矩M如式(12)所示［11］。

应变片采用节1.1所示的半桥差动组桥方式安装在图6所指示的位置上，并采用2.2节所介绍的校准算法对扭矩扳手进行标定。表1给出了载荷Tload从50～400 N·m变化范围内的扭矩测量值Tmeasure，并根据

图6 扭矩产生装置示意图
Figure 6 Schematic diagram of torsion produce device

式(13)计算负载和测量值之间的相对误差Er。试验结果表明，扭矩扳手的测量精度达到±1.1%。

膦甲酸钠是非核苷类广谱抗病毒药物，主要经肾小球滤过和肾小管分泌排泄，自肾排出80%-87%，其不良反应主要是肾功能损害。其作用机制为膦甲酸可与不同金属离子形成晶体堵塞肾小管或集合管，其降解产物与肾小管和肾间质蛋白相互作用，诱发抗体产生，形成抗原-抗体复合物，引发免疫反应或超敏反应，诱发肾小管间质损伤，导致急性肾损伤[1]。尚未有膦甲酸钠氯化钠注射液引起肾损伤不良反应发生率与给药剂量相关性的报道。

表1 试验数据
Table 1 Experiment data

4 结论

扭矩是影响螺纹安全连接的一个重要参数，在线检测并监控扭矩值的波动具有十分重要的意义。成功研制了一种具有无线传输功能的数显扭矩扳手，试验结果表明，该无线数显扭矩扳手的功能均已实现并工作可靠，测量精度达到±1.1%。下一步的研究工作主要包括:①进一步提高扭矩测量精度。文中开发的扭矩扳手的测量精度与国外同类型产品相比(测量精度＜±1.0%)仍有差距。②进一步减小扭矩测量电路板的尺寸，减少冗余元器件。电路板的尺寸越小，将更加便携，其应用领域会更广。③测试扭矩测量系统的抗干扰性。与实际生产相比，实验室环境下的干扰源要少很多，扭矩测量系统如果要应用于生产实际必须要经过抗干扰性检验。