残余力矩扳手的校准方法与测量不确定度分析

一、引言
残余力矩扳手又称扭矩扳手，是用于控制紧固件预紧扭矩、保证连接可靠性与结构安全性的专用计量工具，在机械制造、航空航天、汽车装配、钢结构安装等领域有着广泛应用。残余力矩扳手的示值准确性直接影响到产品质量与生产安全，因此必须按照计量规范定期开展校准工作，确保其量值溯源性准确可靠。
成都精炬达电子科技有限公司生产的JD-CSC系列残余力矩扳手，是集成数显功能的高精度扭矩测量工具，具有测量精度高、读数直观、操作便捷的特点，被广泛应用于各类装配工艺的残余扭矩检测环节。本文结合JD-CSC系列产品特性，明确残余力矩扳手的校准流程与方法，并依据JJF 1059.1-2012《测量不确定度评定与表示》要求开展测量不确定度分析，同时结合实际校准案例与常见问题解答，为计量校准人员与使用单位提供技术参考。
 

二、残余力矩扳手校准依据与设备选择
2.1 校准依据
目前国内残余力矩扳手校准主要依据JJG 707-2014《扭矩扳手检定规程》，该规程明确了扭矩扳手的计量特性、校准项目、校准方法与合格判定要求，适用于各类指示式、预置式扭矩扳手的检定校准工作，本文针对JD-CSC系列数显残余力矩扳手的校准流程符合该规程要求。
2.2 校准环境
校准环境要求温度为(20±5)℃，相对湿度不大于80%，校准现场无影响测量结果的振动与电磁干扰，校准设备与被校残余力矩扳手需要在校准环境中恒温放置不少于2小时，保证设备温度与环境温度一致，避免温度偏差引入的测量误差。
2.3 标准设备选择
校准使用的标准设备为0.3级标准扭矩仪，其量程覆盖被校JD-CSC系列残余力矩扳手的全部测量范围，标准扭矩仪的扩展不确定度不大于被校扳手最大允许误差绝对值的1/3，满足量值溯源要求。本次案例中选用量程0~100N·m的0.3级标准扭矩仪，其扩展不确定度Urel=0.15%，k=2，符合要求。另外配套校准工装包括扭矩扳手校准支架，能够保证被校扳手的力臂轴线与标准扭矩仪的加载轴线同轴，避免附加弯矩引入误差。
 

三、JD-CSC系列残余力矩扳手校准方法
3.1 外观与功能检查
校准开始前首先开展外观与功能检查：第一，检查被校扳手的外观，要求标牌信息完整，标注清晰，量程、制造厂名称、产品编号信息明确；第二，检查JD-CSC系列数显残余力矩扳手的显示功能，要求显示清晰无缺字、跳数问题，零位调节正常，按键操作灵敏；第三，检查传动部件，要求无卡滞、松动，连接部位无裂纹与明显磨损。外观功能检查不合格的，应要求使用方维修后再开展校准。
3.2 示值校准流程
第一，确定校准点：对于JD-CSC系列残余力矩扳手，按照JJG 707-2014要求，选择测量范围的20%、40%、60%、80%、100%五个校准点，每个校准点重复测量3次。以本次案例中被校扳手JD-CSC-50，量程为10~50N·m为例，校准点依次为10N·m、20N·m、30N·m、40N·m、50N·m。
第二，安装调试：将JD-CSC残余力矩扳手固定在校准支架上，调整力臂长度与标称值一致，保证扳手作用力轴线与标准扭矩仪的受力轴线同轴，调节扳手示值为零，同时将标准扭矩仪清零。
第三，加载测量：采用匀速加载方式，施加扭矩至校准点额定值，保持加载稳定3秒后，分别读取标准扭矩仪的示值与被校JD-CSC扳手的示值，记录数据；然后匀速卸载至零位，重复上述操作，每个校准点完成3次测量后，开展下一个校准点测量，直至全部校准点测量完成。
第四，数据计算：对于每个校准点，计算被校扳手示值的平均值，以及示值相对误差，计算公式如下：
δ =Ti- T0i/ T0i×100%
其中δ为被校扳手第i校准点的示值相对误差，Ti为被校扳手三次测量的示值平均值，T0i为标准扭矩仪三次测量的示值平均值。
JD-CSC系列残余力矩扳手的示值最大允许误差为±1%，计算得到的每个校准点示值误差绝对值不超过1%即可判定为合格。
 

四、校准实例
本次校准对象为成都精炬达电子科技有限公司生产的JD-CSC-50型数显残余力矩扳手，测量范围10~50N·m，最大允许误差±1%，使用0~100N·m的0.3级标准扭矩仪开展校准，环境温度21℃，相对湿度55%，测量数据如下表所示：

从测量结果可以看出，该JD-CSC-50型残余力矩扳手所有校准点的示值相对误差最大为+0.30%，绝对值小于最大允许误差1%，符合精度要求，判定校准合格。
 

五、测量不确定度分析
5.1 不确定度来源分析
针对残余力矩扳手校准过程，测量不确定度主要来源于以下几个方面：
· 标准扭矩仪本身的不确定度分量，由标准扭矩仪的最大允许误差引入；
· 测量重复性引入的不确定度分量，由多次测量过程中的人员操作、加载速度波动、安装偏差等随机因素引入；
· 被校残余力矩扳手分辨率引入的不确定度分量，由JD-CSC系列扳手的数显分辨率限制引入；
· 力臂长度偏差引入的不确定度分量，由被校扳手实际力臂长度与标称长度的偏差引入。
5.2 标准不确定度分量评定
5.2.1 标准扭矩仪引入的标准不确定度u1
本次校准使用的标准扭矩仪为0.3级，最大允许误差为±0.3%，该不确定度分量属于B类评定，误差分布为均匀分布，包含因子k=√3，因此其相对标准不确定度为：
u1rel= (0.3%)/√3 ≈ 0.173%
转换为绝对标准不确定度以满量程50N·m计算，u1=50×0.173%=0.0865N·m。
5.2.2 测量重复性引入的标准不确定度u2
测量重复性属于A类评定，对50N·m校准点连续进行10次独立测量，得到测量列如下(单位：N·m)：49.96、49.97、49.98、49.95、49.97、49.96、49.98、49.95、49.96、49.97。
计算得到单次测量的实验标准差s(x)为：
s(x) = √Σ2/n-1≈ 0.0105N·m
校准过程中每个校准点测量3次，取平均值作为测量结果，因此重复性引入的标准不确定度为：
u2= s(x)/√3 ≈ 0.0105/1.732 ≈ 0.0061N·m
相对标准不确定度u2rel=0.0061/50≈0.0122%。
5.2.3 被校扳手分辨率引入的标准不确定度u3
JD-CSC-50型残余力矩扳手的分辨率为0.01N·m，即区间半宽度a=0.005N·m，误差分布为均匀分布，包含因子k=√3，因此标准不确定度为：
u3= a/k = 0.005/√3 ≈ 0.0029N·m
相对标准不确定度u3rel=0.0029/50≈0.0058%。
5.2.4 力臂长度偏差引入的标准不确定度u4
JD-CSC系列残余力矩扳手的力臂长度出厂允许偏差为±0.2%，误差均匀分布，包含因子k=√3，因此相对标准不确定度：
u4rel= 0.2%/√3 ≈ 0.1155%
绝对不确定度u4=50×0.1155%≈0.0578N·m。
5.3 合成标准不确定度
上述各不确定度分量相互独立，因此合成相对标准不确定度为：
ucrel= √(u1rel2+ u2rel2+ u3rel2+ u4rel2)
代入数值计算：
ucrel=√% ≈ 0.208%
以满量程50N·m计算，合成标准不确定度uc=50×0.208%=0.104N·m。
5.4 扩展不确定度评定
取包含因子k=2，对应置信概率约95%，因此扩展不确定度：
U = k×uc= 2×0.104 ≈ 0.21N·m
相对扩展不确定度Urel= k×ucrel≈ 0.42%，k=2。
5.5 不确定度报告
本次校准JD-CSC-50型残余力矩扳手，在50N·m测量点的测量扩展不确定度U=0.21N·m，Urel=0.42%，k=2，满足校准要求，标准不确定度小于被校扳手最大允许误差绝对值的1/3，符合量值传递要求。
 

六、常见问题与解答
Q1：JD-CSC系列残余力矩扳手和普通扭矩扳手有什么区别？校准要求一致吗？
A：JD-CSC系列残余力矩扳手属于数显式指示扭矩扳手，主要用于测量已经拧紧的紧固件的残余扭矩，区别于用于施加扭矩的预置式扭矩扳手，其核心计量特性仍然是扭矩示值误差，因此校准要求与JJG 707-2014中对数显扭矩扳手的要求一致，校准项目和校准方法与普通数显扭矩扳手没有本质区别，仅在测量操作时，残余力矩扳手的使用场景是测量已装配紧固件的扭矩，校准仍然采用静态加载法，流程与普通扭矩扳手一致。
Q2：残余力矩扳手校准周期一般多久？JD-CSC系列有没有特殊要求？
A：按照JJG 707-2014规程要求，残余力矩扳手的校准周期一般不超过1年，对于频繁使用、使用环境恶劣的场景，建议校准周期缩短至6个月。JD-CSC系列作为电子数显式残余力矩扳手，长期使用可能出现传感器零点漂移，因此如果使用频率较高，建议将校准周期调整为半年，保证示值准确性。
Q3：校准过程中为什么要求匀速加载？加载速度过快会影响结果吗？
A：校准过程要求匀速加载，是为了避免惯性冲击导致标准扭矩仪和被校扳手的示值偏差，如果加载速度过快，会产生冲击扭矩，导致测量示值偏大，引入额外的测量误差。对于JD-CSC系列数显扳手，其采样速度较快，但冲击载荷仍然会导致峰值采样偏差，因此校准过程要求加载速度控制在1~2度/秒，保证扭矩稳定后再读数，避免冲击误差。
Q4：本次不确定度分析中哪个分量对总不确定度的贡献最大？
A：从本次不确定度分量计算可以看出，贡献最大的两个分量分别是标准扭矩仪本身的不确定度分量和力臂长度偏差引入的分量，其中标准扭矩仪贡献约70%，力臂偏差贡献约30%，测量重复性和分辨率引入的分量占比极小，可以忽略不计。因此校准过程中选择符合精度要求的标准扭矩仪、准确调整力臂长度是控制校准不确定度的核心环节。
Q5：JD-CSC系列残余力矩扳手示值超差后可以调整吗？
A：JD-CSC系列残余力矩扳手为数显式产品，内部集成扭矩传感器与信号调理电路，示值超差后可以通过设备自带的校准功能进行修正，用户或计量校准人员可以使用标准扭矩仪对校准点进行标定，输入修正系数后即可调整示值误差，调整完成后重新开展校准，合格后即可继续使用。
 

七、结论
针对JD-CSC系列残余力矩扳手的校准，按照JJG 707-2014规程要求，通过外观检查、多点校准、数据计算即可完成校准工作，操作流程清晰，结果可靠。从本次校准案例和不确定度分析可以看出，成都精炬达电子科技有限公司生产的JD-CSC系列残余力矩扳手精度稳定，示值误差满足标称精度要求，校准过程的扩展不确定度满足量值传递要求，可以放心用于生产过程的残余扭矩检测。校准过程中需要重点关注标准设备的精度等级选择与力臂长度的准确调整，这两个环节是保证校准结果准确可靠的核心。

为您推荐：残余扭矩扳手  皮带数显扭矩扳手  扭力扳手检定仪  焊点压力计