摘 要：便携式扭矩扳手校验仪是针对铁路车辆、机务等检修段扭矩扳手使用频率高，但检修周期过长，完全达不到检修工作中扭矩扳手的精度使用需求而研发的计量检定产品。本文所述的便携式扭矩扳手校验仪是一种适合现场使用的便携式扭矩校验装置，采用高精度扭矩传感器和数据采集转换器运用精密测量方案，形成一个完整的应变应力测量装置。文章对其硬件结构、技术指标、研制原理、测量结果等方面进行了分析论证。
关键词：计量;专用计量仪器;扭矩扳手；校验
1、概述
便携式扭矩扳手校验仪是针对铁路车辆、机务等检修部门扭矩扳手精度使用需求而研发的计量检定产品。它采用单片机与测量技术相结合，组成智能化测量仪表。
2、主要特点
与传统测量仪表比较，便携式扭矩检定仪具有如下的特点：
（1）采用实时自动调零技术
静态扭矩的测量可以提供零位工作状态，即传感器上无载荷的情况，此时仪表的测量结果就是由仪表内部元器件所产生的零点漂移值，将此值存入数据存储器， 当传感器上加载时，实际的测量值中包含零点漂移值，此时只要将测量值与零点漂移相减，即可获得准确的测量值。
（2）采用自动校准技术
扭矩检定仪必须进行周期性校准，以保证其额定精度的合法性。传统检定仪的校准通常是采用与更高一级的同类仪表进行对比测量实现的。智能扭矩检定仪提供自动校准方法。在校准仪表时，在传感器上加载标准量，此时测量值为标准值，通过数据处理，可得一系列标准参数，如增益、标度等。将标准参数存入数据存储器中，从而可以在以后的各次实际测量中使用。
（3）自检功能
自检就是仪表对自身各主要部件进行的自我检测，目的是检查各部件的状态是否正常，以保证测量结果的正确性。
（4）消除随机误差
随机误差存在与每一次测量过程中，而且其大小、符号都是不确定不可预知的。但是N个测量数据中所包含的随机误差具有统计规律。概率统计理论证明，随机误差服从正态分布。N 个测量值中包含的随机误差具有对称性或相消性，因此可以用统计平均方法消除随机误差。当N逐步增大时，其平均值是真值的无偏估计。因此,智能仪表完成--次测量，实际上是对被测量进行了N 次采样之后，取这N 次采样值的平均值。正是由于采用智能仪表，可以进行高频率的测量，获得足够的测量数据，保证测量结果的正确性。
3、设计原理
（1）硬件总体结构
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根据技术要求，该扭矩检定仪表必须是便携式测量仪器，在（5～1500）Nm范围内达到1％精度。这就决定在电路设计中在保证精度的同时尽量降低系统的功耗，所以必须采用低功耗元件并简化电路。
应变电阻式传感器模块将被扭矩转换成电压信号
单片机模块是仪表的核心，装在其内部EPROM中的监控程序应包括调零、校准、数据采集等程序模块、并能够实现数字滤波、数制转换等功能。它被设计成允许利用软件命令或外部硬件输入端在两个存储阵列之间传送数据。
信号调理模块主要是仪表放大器电路，它将传感器转换的微弱电压信号放大至适当的电平，供A／D转换用。
A／D转换模块将模拟信号转换成数字信号供单片机进行数据处理。
数字显示模块将测量结果直观的显示出来，并显示其它辅助信号。
电源管理模块包括基准电压的提供单元和单片机内电压监控程序。
（2）软件设计
测量数据经过A／D转换后变成数字量送入单片机，此数字量需要进行一些加工处理，如数字滤波、标度变换、数值计算、逻辑判断以及非线性补偿等，需要通过测量算法对数值进行处理，其主要内容包括：克服随机误差的数字滤波算法、克服系统误差的校正算法、程量变换算法等。
仪表的系统误差不能依靠统计平均的方法消除，不能像抑制随机干扰那样寻出一些普遍适用的处理方法，而只能针对某一具体情况在测量技术上采取一定的措施来消除或减小系统误差对测量结果的影响。另外，克服系统误差与克服随机误差在软件处理上是不同的。后者的算法是仪表测量算法的一个重要组成部分，实时性很强，而前者是恒定的或有规则的，因此因而通常采用离线处理方法来确定校萨算法和数学表达式，在线测量时则利用这个校正算式对系统误差进行修正。
3、实验分析
实验方法将一根轻质的带有刻度的硬杠杆安装在仪表中扭矩传感器的转轴上，为防止杠杆自重对扭矩传感器产生扭矩，其支撑点位于杠杆的垂直中，IL,线上，杠杆的重心位于扭矩传感器转轴的轴线上。标准砝码G是以细钢丝绳吊挂在杠杆上的，避免力作用线因绳子的刚度而偏离垂直方向。
（1）不确定度评定（100-500）Nm
依据JJG707-2014扭矩扳子检定规程，评定用1级（100-500）Nm扭矩检定仪检定4级（100-500）Nm扭矩扳手的示值误差的测量不确定度。
在本装置正常工作的情况下，在350 Nm点重复测量10次，每次测量值取检定点检定仪3次示值的算术平均值。
350.1、350.1、350.0、350.1、349.9、349.9、350.1、350.0、350.1、349.9
用贝塞尔公式进行计算标准差:
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由重复性引入的不确定度分量为：
u1=/ =0.09/=0.052 Nm
相对不确度分量为: u1=0.052/300×100=0.02%
设模拟式显示装置的分辨力为分度值的1/2，被测扭矩扳手最小分度值0.5 Nm，其相对分辨力为0.5/2/40×100=0.625%
服从均匀分布: u２=0.625/2=0.18 %
扭矩检定仪的相对误差为±1.0%，在半宽区间内服从均匀分布，则：
u3=1/=0.58%
由于工作环境温度在规程规定范围内，U4影响量可忽略不计。
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被测扭矩扳手示值误差要求小于±4%，U小于其1／3，满足要求。
4、结论
便携式扭矩扳手校准仪具有体型小巧、精度高、使用方法简单便捷等特点，
根据评定仪表测量精度的实验方法，利用不确定度评定方法对实验数据进行分析，并通过对实验方法的误差分析证明评定结果的准确性。经专业技术部门检定，该产品的检定结果符合JJG707-2014扭矩扳子检定规程要求。
参考文献：
JJG707-2014扭矩扳子检定规程；
杨武成.?扭矩扳手检定仪的研究现状与发展趋势；
张晓强.应变式高准确度动态扭矩测量仪的研制