如何选择高精度扭矩传感器以优化螺纹紧固件的装配质量？【扭矩测量】

第1部分：基于螺纹紧固件的基本结构与技术要求

螺纹紧固件，如螺栓和螺母，其基本结构由螺纹、头部（如六角头、盘头）和柄部组成。其核心功能是通过旋转施加轴向力（预紧力）来连接两个或多个部件。在紧固过程中，施加的旋转力矩（扭矩）被转化为轴向力，这个过程受到多种因素的影响，包括螺纹的几何形状、表面粗糙度、材料特性以及润滑状态。

因此，精确测量螺纹紧固件的启动扭矩和摩擦扭矩至关重要，原因如下：

• 启动扭矩： 指螺纹开始旋转（从静止状态）所需的初始扭矩。它主要反映了螺纹副的初始咬合阻力、预涂润滑剂或防锈层的破损阻力，以及可能存在的微小塑性变形。过高的启动扭矩可能导致紧固件损坏或装配困难。

• 摩擦扭矩： 指在螺纹紧固过程中，螺纹面和螺母（或被锁紧件）接触面之间产生的阻力扭矩，影响预紧力的转换。摩擦扭矩分为两个主要组成部分：

  • 螺纹摩擦扭矩： 发生在螺纹斜面上，是克服螺纹相对滑动阻力的扭矩。

  • 头部（或螺母）摩擦扭矩： 发生在螺母（或螺栓头）与被锁紧件接触的表面之间，是克服该接触面相对滑动阻力的扭矩。

技术要求在于，通过精确测量这些扭矩，可以：

• 评估紧固件质量：确保紧固件的生产一致性和性能。

• 优化装配过程：确定合适的紧固扭矩，以达到所需的预紧力，避免过紧（导致材料疲劳或损坏）或过松（影响连接强度）。

• 研究材料与润滑：分析不同材料、表面处理和润滑剂对扭矩-角度关系的影响，为新材料和新工艺开发提供依据。

• 检测产品性能：如瓶盖、阀门等旋转部件的密封性和操作阻力。

第2部分：针对螺纹紧固件的相关技术标准简介

在进行螺纹紧固件的扭矩和摩擦特性测量时，关注以下几个关键的监测参数是核心：

• 扭矩 (Torque):

  • 定义： 旋转力，是使物体绕轴旋转的力。在紧固件应用中，通常指施加在紧固件头部（如螺母或螺栓头）的旋转力。

  • 评价方法： 通过测量施加在某个固定距离上的力的大小和方向来计算。

• 角度 (Angle):

  • 定义： 物体绕某一点或轴线的旋转量。在紧固件应用中，指螺纹或螺栓头旋转的角度。

  • 评价方法： 通过增量式编码器测量，将旋转运动转换为电信号。

• 扭矩-角度关系 (Torque-Angle Relationship):

  • 定义： 紧固件在旋转过程中，扭矩随角度变化的曲线，反映了启动扭矩、摩擦、螺栓杆伸长（产生预紧力）等关键信息。

  • 评价方法： 同时采集高精度扭矩和角度数据，绘制成曲线图。

• 摩擦系数 (Coefficient of Friction):

  • 定义： 螺纹副和接触面摩擦阻力与法向力（预紧力）之比。

  • 评价方法： 基于扭矩-角度曲线，估算螺纹摩擦和头部摩擦。

• 综合精度 (Comprehensive Accuracy):

  • 定义： 传感器系统综合考虑非线性、滞后等各种误差后的整体测量准确度。

  • 评价方法： 通常以满量程百分比 (% FSD) 来表示。

第3部分：实时监测/检测技术方法

1. 市面上的各种相关技术方案

A. 无线应变式旋转扭矩传感器（集成角度编码器）

• 工作原理： 该方案利用电阻应变片粘贴在旋转轴上，测量其发生的微小形变。通过其集成的微控制器，对信号进行数字化处理，并通过无线技术（如 2.4GHz）将数据传输至接收端。这种方法极大地提高了系统的稳定性与寿命。

  该技术方案的优势在于将扭矩测量与高分辨率的角度测量集成在一起，能够以极高的精度（如0.009°的角度分辨率）捕捉旋转角度。这使得扭矩-角度曲线的绘制成为可能，对于分析螺纹紧固过程中的微观变化（如螺纹咬合、屈服点）至关重要。

• 核心性能参数：

  • 扭矩测量精度： 综合精度通常可达 ±0.1% FSD。

  • 角度分辨率： 极高，可达 0.009°，远超一般测速编码器。

  • 采样率： 数字端可达 4000 samples/s，适用于快速动态变化。

  • 转速： 最大转速可达 9,000 RPM，能够同时输出扭矩和角度数据。

  • 过载能力： 提供 400% FSD 的机械过载保障。

B. 基于电信号（电机电流）的扭矩估算

• 工作原理： 这种方法通过测量电动机的电流来间接估算输出扭矩，但通常精度较低，难以达到 ±0.1% FSD 的要求。

• 核心性能参数：

  • 电流测量精度： 通常在 ±0.5% 至 ±2% FSD 范围。

  • 电机模型精度： 对估算结果影响显著。

C. 激光轮廓测量与形变分析

• 工作原理： 该方法通过激光扫描实现非接触测量，能够精确测量物体表面形状，但无法直接测量扭矩。

• 核心性能参数：

  • 测量精度： 激光位移传感器的精度通常可达到 ±0.05% F.S.。

2. 市场主流品牌/产品对比

• 德国西克 - 技术方案： 激光轮廓测量与形变分析

  • 核心技术参数： 测量范围 0.1m-40m，扫描频率 25Hz，角分辨率 0.1°，典型精度 ±10mm。

• 美国国家仪器 - 技术方案： 光学角度编码器配合外部扭矩传感器

  • 核心技术参数： 模拟量输入模块 16 位分辨率，采样率 250 kS/s，LabVIEW 提供强大的信号处理库。

• 英国真尚有 - 技术方案： 无线应变式旋转扭矩传感器（集成角度编码器）

  • 核心技术参数： 综合精度可达 ±0.1% FSD，角度分辨率通常高于常规模型，适合精密的扭矩-角度同步测量。

• 德国海德汉 - 技术方案： 光学角度编码器

  • 核心技术参数： 分辨率高达 16 位，适合高精度角度检测。

• 美国德州仪器 - 技术方案： 基于电信号（电机电流）的扭矩估算

  • 核心技术参数： 增益误差 ±0.5%，隔离电压高。

3. 选择设备/传感器时需要重点关注的技术指标及选型建议

• 综合精度 (Accuracy):

  • 实际意义： 决定测量结果的可靠性，尤其对于要求高精度的应用。

  • 选型建议： 选择专业设计的传感器以确保高精度。

• 角度分辨率 (Angle Resolution) 和 PPR:

  • 实际意义： 决定能够捕捉到的最小角度变化，高分辨率对精确绘制扭矩-角度曲线至关重要。

  • 选型建议： 应优先选择集成高分辨率角度编码器的传感器。

• 采样率 (Sample Rate):

  • 实际意义： 高采样率能有效捕捉快速变化的动态信号。

  • 选型建议： 对于动态测试，需要确保采样率满足实验要求。

• 扭矩量程 (Torque Range) 与过载能力 (Overload Capacity):

  • 实际意义： 量程需与被测物匹配，过载能力提供安装安全保障。

  • 选型建议： 针对特定应用，选择合适的量程与高过载能力的设备。

• 信号输出接口 (Output Interface):

  • 实际意义： 决定传感器与数据采集系统的连接方式。

  • 选型建议： 选择兼容接口，方便集成与数据采集。

4. 实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

• 问题1：零点漂移和温度影响。

  • 解决方案： 选用具温度补偿功能的传感器，进行零点校准。

• 问题2：轴向力或径向力干扰。

  • 解决方案： 确保传感器与轴线对齐，选用抗干扰设计的传感器。

• 问题3：数据采集同步性问题。

  • 解决方案： 选择集成角度编码器的扭矩传感器，确保信号同步。

• 问题4：摩擦力变化引起的数据波动。

  • 解决方案： 使用高分辨率设备，可进行多次测量取平均值。

第4部分：应用案例分享

• 汽车制造业： 精确控制螺栓的紧固扭矩，确保连接可靠性，通过扭矩-角度分析评估润滑剂对紧固效果的影响。

• 航空航天领域： 在关键连接部位验证紧固件装配规范，分析材料在极端载荷下的行为。

• 医疗器械生产： 准确控制紧固件的扭矩，保障精密设备组装的安全性。

• 电子产品测试： 使用高精度扭矩传感器确保微型连接器的稳定性，并进行操作手感分析。

• 能源领域： 在大型设备的关键连接中，通过精确的扭矩评估预测潜在风险。