基于无线应变采集：螺栓扭矩测量方案

近期做了一组螺栓扭矩实测实验，整理了完整方案和数据，分享给有需要的朋友参考。

一、方案概述

本方案采用无线应变采集变送器CMCU-09A，配合350-2HA半桥扭矩应变片，对M10半牙螺栓进行扭转实验测量。通过应变片实时采集螺栓在扭转载荷下的微应变信号，并经无线方式传输至上位机进行分析处理，最终实现螺栓内部扭矩的精确测量。

该方案的核心价值在于：直接测量螺栓杆部实际承受的内部扭矩，而非传统的扭力扳手读数（后者包含端面摩擦损耗）。通过对比扭力扳手施加的总扭矩与应变片测量的内部扭矩，可以定量评估螺栓连接中的摩擦损耗，为拧紧工艺优化提供数据支撑。

二、测量系统组成

2.1测量设备与材料

名称	数量	作用
350-2HA半桥扭矩应变片	1个	专门用于扭矩测量的半桥应变片， 测量螺栓表面45°方向的主应力
CMCU-09A无线应变采集板	1个	集成无线一体的应变采集器
无线透传接收板	1个	连接电脑USB，接收无线数据
螺丝扭断力试验机	1台	固定螺栓、做扭转试验的机器
扭力扳手	1个	施加外部扭转载荷
M10螺栓	若干	测试的试样
电脑	1台	采集、分析应变数据、调试参数、保存数据

2.2 采集设备：无线应变采集变送器CMCU-09A

CMCU-09A是一款专注于应变信号采集与无线传输的工业级设备。其主要特点包括：

• 无线传输：由无线采集板（发射端）和无线透传板（接收端）组成，上电自动配对，支持一对一、一对多组网

• 支持1/4桥、半桥、全桥三种应变片接入方式

• 通信接口：采用RS485通信协议，可与电脑直接连接进行数据读取

• 应用场景：适用于传感器制造、汽车工业、航空航天、轨道交通、生物医学、土木桥梁等领域

 2.3 应变片：350-2HA半桥扭矩片

350-2HA是专门用于扭矩测量的半桥应变片，其技术特点如下：

• 标称电阻：350Ω

• 结构形式：半桥接法，内部已集成两个敏感栅，呈90°夹角布置

• 粘贴方向：需沿螺栓轴线呈±45°方向粘贴

• 测量原理：纯扭转时，螺栓表面45°方向的主应力与主应变满足材料力学关系，应变片直接测量该方向的线应变

 2.4 被测对象：M10半牙螺栓

M10螺栓的公称直径为10mm，半牙螺栓的光杆部分（无螺纹区域）是粘贴应变片的理想位置，该区域应力分布均匀，测量结果更具代表性。

 三、应变片选用说明

 3.1 半桥片与全桥片的选择

在扭矩测量中，2HA半桥片和全桥扭矩片均可使用，两者的测量原理和换算公式相同，但适用场景有所区别：

对比项	350-2HA半桥片	全桥扭矩片
电路结构	两个敏感栅	四个敏感栅，是一个完整惠斯通电桥
温度补偿	需要外部补偿	内部自补偿，效果更好
适用场景	实验研究、短期测量	长期监测、高精度应用、工业现场

关于测量结果的说明：在理想条件下（温度恒定、粘贴工艺规范、应变仪设置正确），半桥片与全桥片的测量结果理论上是一致的。两者都反映45°方向的线应变，且换算公式相同。

但需注意以下差异：

1. 温度影响：半桥片需要额外的温度补偿措施，否则环境温度变化会导致零漂；全桥片因四个敏感栅对称布置，具有自补偿能力。

2. 导线电阻影响：全桥对导线电阻变化更不敏感，适合长距离测量。

选用建议：

• 本实验为短期、破坏性测试，2HA半桥片完全满足需求。

• 如需在设备运行状态下长期监测螺栓扭矩，建议选用全桥片。

 3.2 粘贴数量选择

可选用1片或2片2HA应变片：

• 1片方案：在螺栓光杆表面粘贴1片2HA，测量单一位置的剪切应变，足以获得扭矩值。

• 2片方案：在螺栓对称位置（镜像180°）粘贴2片2HA，取平均值可抵消弯曲应力的影响，结果更可靠。

四、实验研究

 4.1 实验前准备

1. 应变片粘贴：在M10螺栓光杆表面清理、划线定位，按±45°方向粘贴350-2HA应变片；

2. 引线连接：将应变片引线连接至CMCU-09A采集板的传感器端子；

3. 无线透传接收板通过USB连接电脑；

4. 设备调试：上电配对，确认无线通讯正常。

 4.2 实验流程

步骤一：空载状态

• 在螺丝扭断力试验机上固定好螺栓，确保螺丝未受任何载荷，校零并记录稳定基线，作为后续应变计算的基准值。

步骤二：扭转加载（拧紧扭矩）

• 步骤：使用扭力扳手对螺丝施加纯拧紧扭矩（避免产生横向力），记录微应变数据；

• 数据分析：根据换算公式计算各时刻的螺栓内部扭矩。

 五、实验数据分析

第一次数据：

扳手扭矩(N·m)	微应变值(με)	应变-扭矩比(N·m/με)
5~7	200~270	0.025(约)
10~11	290	0.038(约)
12	380	0.032
20	680	0.029
26	860	0.03
28	920	0.03
30	1145	0.026
35 ~ 36	1183	0.030(约)

第三次数据：

扳手扭矩(N·m)	微应变(με)	应变-扭矩比(N·m/με)
7~9(取8.0)	240~315 (取277.5)	0.0288
11~12 (取11.5)	350~380(取365)	0.0315
15	510	0.0294
21~22 (取21.5)	680~730(取705)	0.0305
25~26 (取25.5)	790~840(取815)	0.0313
28~29(取28.5)	940	0.0303
30	1031	0.0291
37~39 (取38)	1130	0.0336
40~44 (取42)	1330~1350(取1340)	0.0313

5.1 测试结果数据

实验次数	扭矩范围 (N·m) 扳手	主要微应变范围 (με) 应变片	平均应变-扭矩比  (N·m/με)	备注 测试范围
第一次	5~35	200~1183	0.0275	最大35 N·m
第二次	5~30	200~1145	0.0275	最大30 N·m
第三次	7~44	240~1350	0.0275	最大44 N·m

5.2微应变与扭矩的换算方法

根据材料力学原理，螺栓在纯扭转载荷下，表面最大剪切应变与扭矩的关系为：

其中：

符号	参数	单位	M10参考值
M	螺栓内部扭矩	N·mm 或 N·m	待计算
d	螺栓直径	mm	公称10 (实际直径9.6mm)
E	弹性模量	MPa	206000（钢材）
μ	泊松比	—	0.3（钢材）
ε	应变片读数	无量纲	实测值×10⁻⁶

5.3 简化计算

将M10螺栓和钢材的典型参数代入，可得简化公式：

即：每1000με ≈ 27.5 N·m

> 示例：若应变仪读数为500με，则螺栓内部扭矩 ≈ 500 × 0.0275 = 13.75 N·m

“扳手扭矩”与“微应变”对应的实际内部扭矩是多少？我们可以用实测的应变-扭矩比（约0.031 N·m/με）来反算。

以最大载荷为例：

扳手读数 35 N·m

微应变 1183 με

根据简化公式 M内部=1183×0.0275≈32.5N⋅m

注意： 这个32.5N·m是从应变计算出的螺栓内部扭矩。而扳手读数是35 N·m，两者非常接近！这说明此次实验条件下，端面摩擦和螺纹摩擦非常小。

在此次（纯扭转，无轴向力）实验条件下，扳手扭矩几乎全部转化为螺栓内部扭矩，摩擦损耗极低。数据符合理论公式。

5.4 两者的物理意义

对比项	扭力扳手读数	应变片测量的内部扭矩
测量位置	施加在螺母/螺栓头外部	螺栓杆部截面上
物理含义	输入总扭矩	有效传递的扭转力矩
包含的损耗	螺纹摩擦 + 端面摩擦+产生预紧力的扭矩	螺纹摩擦+产生预紧力的扭矩
数值关系	较大	较小

5.5 为什么两者不等？

当扭力扳手拧紧螺栓时，输入的总扭矩被消耗在三个方面：

• 螺纹副摩擦（约占40-50%）：转化为螺栓的扭转变形（本实验测量对象）

• 支撑面摩擦（约占40-50%）：螺栓头/螺母与被连接件之间的摩擦，不传递至螺栓杆部

• 有效预紧（剩余部分）：转化为轴向拉力

因此，扭力扳手读数 ≠ 螺栓内部扭矩。

5.6 本方案的优势

传统扭矩法无法获知螺栓内部实际承受的扭矩，而本方案通过应变片直接测量，具有以下优势：

1. 精确获取内部扭矩：可定量计算螺栓危险截面的剪切应力

2. 评估摩擦损耗：对比扳手读数与内部扭矩，可计算摩擦系数

3. 失效预警：实时监测应变值，当接近材料屈服极限时提前预警

4. 过程记录：无线采集可完整记录从加载到断裂的全过程数据

六、应用场景

本测量方案在以下工业场景中具有重要应用价值：

6.1 拧紧工艺参数优化

在机器生产加工过程中，使用本方案可以精确测定适合的安装力度。通过建立“施加扭矩—内部扭矩—预紧力”的关系曲线，可确定最优拧紧参数，避免扭矩不足导致的松动或扭矩过大导致的螺栓断裂。

6.2 螺栓材料质量验证

对于高强度、高安全性要求的场景（如汽车底盘、风电塔筒、轨道交通），必须确保螺栓材料达到设计要求。本方案可直接测量螺栓在扭转载荷下的力学响应，验证材料的实际性能是否达标。

6.3 有限元分析（FEA）验证

建立螺栓连接的有限元模型后，需要通过实验数据验证模型的准确性。本方案提供的微应变—内部扭矩实测数据，可作为FEA模型校准和验证的基准。

6.4 螺栓断裂失效分析

当螺栓在使用过程中发生断裂时，需要判断其失效模式（过载断裂、疲劳断裂、氢脆等）。本方案可帮助建立扭矩与应力的映射关系，为失效分析提供数据支撑。

6.5 拧紧质量智能监控

结合扭矩—角度曲线和应变数据，可建立拧紧质量的智能识别模型，识别正常拧紧、浮锁、倾斜等异常状态，实现拧紧过程的实时预警。

6.6 全生命周期扭矩管理

在风电、高铁等需要长期监测的应用中，可依托无线应变采集技术建立“数字孪生装配”体系，实现每颗螺栓的扭矩数据追溯和全生命周期管理。

七、实验注意事项

1. 应变片粘贴工艺：弹性元件表面需清洁打磨，使用专用粘合剂，确保粘贴牢固且方向准确

2. 零点校准：在无载荷时记录初始值进行零点修正

3. 无线干扰：避免在强电磁干扰环境下使用，保持发射端与接收端之间无金属遮挡

4. 加载速度：建议采用分阶段逐步加载，记录完整的扭矩—应变曲线

5. 安全防护：如做螺栓扭断实验，注意螺栓断裂时可能产生飞溅，需设置防护罩

八、总结

本方案基于无线应变采集变送器CMCU-09A和350-2HA半桥扭矩应变片，实现了M10螺栓扭转载荷下内部扭矩的精确测量。通过区分扭力扳手读数（总扭矩）与应变片测量值（内部扭矩），可定量评估螺栓连接中的摩擦损耗，为拧紧工艺优化、质量控制和失效分析提供科学依据。该方案可应用于汽车制造、轨道交通、风电装备等领域，具有测量精度高、数据可追溯、无线传输便捷等优势，是螺栓连接质量保障的有效工具。

以上就是本次实验的全部内容，欢迎大家一起交流探讨相关测试技巧与应用经验。

审核编辑 黄宇