不同工况下带反馈信号无线力矩扳手的扭矩测量性能分析

一、研究背景与意义

在现代工业装配与设备维护领域，螺纹连接的预紧扭矩控制直接决定了连接结构的可靠性与使用寿命。风电塔筒法兰连接、汽车发动机缸体装配、航空航天结构件组装等应用场景中，预紧扭矩偏差超过±5%就可能引发连接松动、应力集中甚至结构失效等严重安全事故。传统机械式力矩扳手依赖人工读数，无法实现扭矩数据的实时传输与过程追溯，难以满足数字化生产的质量管控要求；有线传输式力矩扳手受布线限制，在狭小空间、旋转工位等场景下应用灵活性严重不足。

带反馈信号的无线力矩扳手通过集成应变式扭矩传感器、无线传输模块与信号处理单元，能够在拧紧作业过程中实时采集扭矩数据并反馈给上位控制系统，既保留了便携操作的优势，又满足了数字化管控的需求。但在实际应用中，温度波动、电池电压下降、无线信号干扰、操作姿态变化等不同工况都会对扭矩测量的准确性与稳定性产生影响，现有研究大多聚焦于静态标准环境下的计量校准，针对多工况下测量性能的系统性分析较为匮乏。因此，开展不同工况下带反馈信号无线力矩扳手的扭矩测量性能分析，明确各类工况对测量结果的影响规律，对优化产品设计、提升测量可靠性、计量校准方法具有重要的理论与工程价值。

二、带反馈信号无线力矩扳手的结构与测量原理

2.1 整体结构组成

带反馈信号的无线力矩扳手主要由机械扳手本体、扭矩传感单元、信号调理模块、无线传输模块、供电单元与上位接收反馈单元六个部分组成：机械本体保留传统力矩扳手的手柄与工作头结构，满足人工或电动拧紧操作的力学传递要求；扭矩传感单元一般采用粘贴式应变片或集成式弹性体应变结构，直接感受拧紧过程中的扭矩形变；信号调理模块完成应变信号的放大、滤波与模数转换，将模拟形变信号转化为数字扭矩信号；无线传输模块一般采用蓝牙5.0、Wi-Fi或LoRa等通信协议，将数字扭矩信号传输至上位系统，同时接收上位的控制指令实现反馈调节；供电单元采用可充电锂电池提供工作电能；上位接收反馈单元一般安装在工业平板或生产管控系统中，实时显示扭矩数值，当扭矩达到设定阈值时发送提示信号，同时存储所有测量数据用于质量追溯。

2.2 扭矩测量原理

带反馈信号无线力矩扳手的核心测量原理基于弹性体的应变-扭矩关系：当扭矩作用于弹性传感单元时，弹性体产生剪切形变，其表面应变值与所受扭矩满足线性关系：

ε = 16T/(πGd³)

其中ε为弹性体表面应变，T为被测扭矩，G为弹性体材料的剪切模量，d为弹性轴直径。通过粘贴在弹性体表面的应变片组成惠斯通电桥，将应变信号转化为电压信号，经过信号调理与A/D转换后得到数字信号，再通过预先校准得到的拟合曲线将电压信号转换为实际扭矩值，最后通过无线模块将扭矩值反馈至上位系统，实现扭矩测量与实时反馈。

三、试验设计与工况设置

3.1 试验样品与设备

本次试验选取三款市场主流的带反馈信号无线力矩扳手作为研究样品，测量范围均为10~200N·m，标称精度等级为±1%FS，分别标记为样品A、样品B、样品C。试验标准设备采用0.3级标准扭矩校准装置，测量范围0~500N·m，可提供稳定的标准扭矩输入；环境试验箱可控制温度范围为-40℃~85℃，控温精度±1℃；信号干扰发生器可模拟工业现场常见的2.4GHz频段无线信号干扰，干扰强度可调；直流稳压电源可模拟电池电压从满电3.7V到欠压3.0V的变化过程；上位数据采集系统同步采集标准扭矩值与无线力矩扳手反馈的测量值，采样频率为10Hz。

3.2 典型工况设置

结合无线力矩扳手的实际应用场景，本次试验设置五类典型工况，分别为温度工况、电池电压工况、无线干扰工况、操作姿态工况、连续作业工况，具体设置如下：

· 温度工况：设置-20℃、0℃、25℃（室温）、40℃、60℃五个温度梯度，每个温度梯度下保温2小时后进行测量试验，消除温度不均带来的测量误差。

· 电池电压工况：设置3.7V（满电）、3.5V、3.3V、3.1V四个电压梯度，模拟锂电池不同剩余电量下的供电状态。

· 无线干扰工况：设置无干扰、-50dBm弱干扰、-30dBm中干扰、-10dBm强干扰四个干扰等级，干扰信号频率为2.4GHz，与试验样品无线传输频段一致。

· 操作姿态工况：设置水平操作、向上45°操作、向下45°操作、垂直操作四种操作姿态，模拟不同作业空间下的操作姿势。

· 连续作业工况：设置连续拧紧作业10次、100次、500次、1000次四个梯度，模拟批量作业下传感器发热对测量性能的影响。

3.3 性能评价指标

本次试验选取示值误差、重复性误差、丢包率三个核心指标评价扭矩测量性能：

· 示值偏差：δ = (Y_i- T₀)/T₀× 100%，其中Y_i为无线力矩扳手反馈的测量值，T₀为标准扭矩值，反映测量结果的准确性。

· 重复性偏差：s = √[Σ(Y_i- Y_avg)²/(n-1)] / Y_avg× 100%，其中Y_avg为多次测量的平均值，n为测量次数，反映测量结果的稳定性。

· 丢包率：P = N_lost/N_total× 100%，其中N_lost为上位未接收到反馈信号的次数，N_total为总测量次数，反映无线传输的可靠性。

四、试验结果与性能分析

4.1 温度工况对测量性能的影响

在室温25℃、标准扭矩100N·m条件下，三款样品的示值偏差绝对值均在0.8%以内，重复性偏差均在0.3%以内，符合标称精度要求。不同温度下的测量性能结果如表1所示。

从试验结果可以看出：温度变化对带反馈信号无线力矩扳手的示值误差存在明显的线性影响，温度降低时示值负偏差增大，温度升高时示值正偏差增大，主要原因在于应变片的温度系数与弹性体材料的弹性模量温度系数不匹配，产生额外的温度应变输出。三款样品中，样品C采用了温度自补偿应变片与软件温度补偿算法，温度影响最小，在-20℃~60℃范围内示值偏差绝对值最大为0.98%，仍然满足±1%FS的精度要求；样品B未采用温度补偿措施，温度影响最大，60℃时示值误差达到1.87%，超出标称精度范围。温度变化对重复性误差的影响较小，所有温度梯度下重复性偏差均不超过0.6%，说明温度变化主要影响测量系统的系统误差，对随机误差影响较小。

4.2 电池电压工况对测量性能的影响

电池电压变化直接影响信号调理模块的放大倍数与无线传输模块的发射功率，进而影响测量结果与传输可靠性。在室温25℃、标准扭矩100N·m、无干扰条件下，不同电池电压的试验结果如表2所示。

从试验结果可以看出：当电池电压高于3.3V时，三款样品的示值偏差均在0.7%以内，丢包率为0，测量性能稳定；当电池电压降低到3.1V（欠压状态）时，三款样品的示值误差均出现不同程度的正偏差，其中样品B的示值偏差达到1.24%，超出标称精度范围，同时丢包率上升到3.2%，传输可靠性明显下降；样品C采用了稳压芯片与电压补偿算法，欠压状态下示值偏差仅为0.45%，丢包率0.8%，仍然能够满足正常使用要求。分析原因，不带电压补偿的产品信号调理模块的参考电压随电池电压下降而降低，导致输出的数字扭矩值偏高，同时无线发射功率随电压下降而降低，导致信号传输强度不足，丢包率上升。

4.3 无线干扰工况对测量性能的影响

工业现场存在大量2.4GHz频段的无线信号，如WiFi、蓝牙设备、工业遥控器等，会对同频段传输的无线力矩扳手反馈信号产生干扰，影响数据传输的可靠性。在室温25℃、标准扭矩100N·m、满电条件下，不同干扰强度的试验结果如表3所示。

从试验结果可以看出：无线干扰主要影响测量结果的重复性与传输丢包率，对示值误差的影响较小，在强干扰条件下三款样品的示值误差变化均不超过0.3%；随着干扰强度增大，重复性偏差与丢包率逐渐上升，强干扰条件下样品B的丢包率达到15.2%，重复性偏差达到1.58%，已经无法满足正常测量要求；样品C采用了跳频通信与错误重传机制，强干扰条件下丢包率仅为3.6%，重复性偏差0.51%，仍然能够保持较好的测量性能。说明无线通信协议设计与抗干扰处理对带反馈信号无线力矩扳手的测量可靠性至关重要。

4.4 操作姿态工况对测量性能的影响

不同操作姿态下，扳手自身重力对弹性传感单元会产生附加弯矩，进而影响扭矩测量结果。在室温25℃、标准扭矩100N·m、满电无干扰条件下，不同操作姿态的试验结果如表4所示。

从试验结果可以看出：操作姿态变化带来的附加重力弯矩会对扭矩测量结果产生明显影响，垂直操作姿态下重力附加弯矩最大，示值误差变化也最大。样品B未做重力补偿，垂直操作下示值误差达到-1.32%，超出标称精度范围；样品C在出厂前对不同姿态的重力影响进行了校准，存储了补偿参数，垂直操作下示值偏差仅为-0.28%，测量性能受姿态变化影响极小。说明针对大扭矩范围的无线力矩扳手，增加重力姿态补偿能够显著提升不同操作姿态下的测量准确性。

4.5 连续作业工况对测量性能的影响

连续拧紧作业过程中，弹性传感单元因反复受力产生微弱塑性变形，同时电子元件发热会导致零点漂移，进而影响测量性能。在室温25℃、标准扭矩100N·m、满电无干扰、水平操作条件下，不同连续作业次数的试验结果如表5所示。

从试验结果可以看出：随着连续作业次数增加，三款样品的示值误差与重复性误差均呈现缓慢上升趋势，连续作业1000次后，最大示值误差仅为0.78%，仍然在标称精度范围内，说明连续作业对测量性能的影响较小，主要原因是弹性体选用了稳定性较好的合金钢材料，电子元件发热带来的漂移也在可接受范围内。三款样品中，样品C的弹性体经过了时效处理，稳定性最好，连续作业1000次后示值误差仅变化0.22%，性能优势明显。

五、结论与建议

通过对不同工况下带反馈信号无线力矩扳手的扭矩测量性能试验分析，可以得出以下结论：第一，温度变化、电池欠压、强无线干扰与大角度操作姿态是影响测量性能的主要工况因素，连续作业对测量性能的影响较小；第二，采用温度补偿、电压补偿、抗干扰通信与重力姿态补偿的产品，在各类工况下的测量性能明显优于未采用补偿措施的产品，各项指标均能满足标称精度要求；第三，当前主流带反馈信号无线力矩扳手在端工况下仍然存在超差风险，需要通过优化设计进一步提升适应能力。

基于以上分析，提出以下建议：第一，在产品设计层面，生产企业应针对温度、电压、姿态等影响因素增加对应的补偿算法与硬件处理，采用稳定性更好的弹性体材料与抗干扰无线通信协议，提升产品对复杂工况的适应能力；第二，在计量校准层面，现有静态室温校准方法无法反映实际工况下的测量性能，建议针对低温、高温等典型应用场景增加环境适应性校准项目，保证实际使用中的测量准确性；第三，在使用层面，用户应尽量避免在电池欠压、强无线干扰环境下使用，对精度要求高的作业应优先选择带工况补偿功能的产品，定期开展计量校准，保证测量性能符合要求。