CN101465043B - 螺丝、螺栓及其检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种螺丝、螺栓及其检测系统，其可将一感测材料置于该螺丝或螺栓本体内，通过射频电路进行供电，利用信号处理单元将来自感测材料的电气信号转换为电路可读取的信号，通过无线射频传递至外界的检测装置，以检测该固定元件的状态。通过本发明的方式可以对于固定元件进行准确且快速大量的筛检动作，尤其适合用于高度安全顾虑的场合，例如飞机机体上的部分螺丝。

Description

螺丝、螺栓及其检测系统

技术领域

本发明涉及一种检测固定元件固定状态的技术，尤其涉及一种具有力与电转换的感测材料的固定元件及其检测系统。

背景技术

固定元件是工业产品的基础，不论是从玩具甚至到大型的工业装置，例如：飞行器或航海器具等运输工具，都于固定元件息息相关。尤其在飞行器具上，固定元件所扮演的角色更是相当重要，只要有一固定元件的松动，可能会对飞行器造成立即的飞安危险，进而影响到飞行器上的乘客的生命与财产的安全。在2007年8月28日美国联盟航空总署(FAA)罕见地再度发布紧急适航指令，要求波音七三七-六OO型以上客机全数在十天内完成翼前缝条固定止栓螺帽特检。根据飞安委员会透露，美国进行特检后已发现至少有二十三架波音七三七系列飞机，也发现翼前缝条固定止栓螺丝松脱，且其中有一架也造成油箱破损。

FAA在华航七三七客机那霸机场焚毁事件后，对所有的七三七-六OO系列以上所有飞机发布紧急适航指令(Emergency Airworthiness Directive，EAD)，要求在二十四天内完成翼前缝条固定止栓螺帽特检，也发现至少有廿三架飞机也出现翼前缝条固定止栓螺帽松落，且至少有一架也造成油箱破损，与华航焚毁的客机情况几乎一致。

而在现有技术中，检测的技术大于着重于气压、力矩、振动检测等方式，例如美国公开申请案US.Pub.No.20070172330或者是美国专利US.Pat.No.4,636,121等揭露了一种利用气压或液压的方式来检测固定元件的状态。又如美国专利US.pat.No.5,410,206、5,476,014或6,546,815则揭露了一种利用力矩检测的方式来检测该固定元件的受力状态。此外，美国专利US.Pat.No.20070238992则揭露了一种利用振动的方式来感测固定元件的受力状态。

一般而言，所有飞机重要零元件上的螺杆都会有保险，此保险为使用钢制保险丝以螺杆旋转反方向绞紧，为飞机维护人员必修课程，以达到确保安全的目的。另外，该螺杆需使用扭力板手上紧，有些螺杆头上也会有对准涂漆以便目视检查是否松脱，但这些都是在飞行在线可修护件上可目视零元件为前提，若是飞机结构内或是不在一般各级检查可检视到的内部部位，除非将之拆开大检或特检，否则完全是接触不到的，若真属设计不良，则乘客性命安危将遭受重大危机。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种固定元件检测系统，其利用可接收由具有感测材料来感测受力状态的固定元件所发出的电信号，并进行分析以及判断固定元件的受力状态，以对于固定元件进行准确且快速大量的筛检动作。

为实现上述目的，在一实施例中，本发明提供一种固定元件检测系统，包括：一螺丝或螺栓，该螺丝及螺栓皆具有：一本体，其内部开设有具有一容置空间的一中空结构，以容置一感测材料，该感测材料可感测该本体所受的力以产生一电信号，该中空结构开设于该本体具有螺牙的内部；一信号转换电路，其设置于该本体的一侧，与该感测材料电性连接，该信号转换电路可将该电信号转换成一转换信号；以及一无线射频电路，其系与该信号转换电路电性连接，该无线射频电路可将该转换信号传出；一询答装置，其可于该无线射频电路相通信，以传递信号给该无线射频电路以及接收该无线射频电路所发出的信号；以及一信号解析装置，其与该询答装置相连接，以处理该询答装置所接收的信号，并进行分析处理以判断该固定元件的状态，该信号解析装置更具有一记录单元以及一分析单元，该记录单元其储存该询答装置所接收的信号，该分析单元，其分析该记录单元所储存的信息，并进行统计分析每一固定组件的状态；还包括一校正方式，该校正方式是在一批次的螺丝或螺栓生产之后，进行校正曲线的制作，提供特定大小的锁固力于该螺丝或螺栓上，并量测在不同的时间下，螺丝或螺栓的感测材料所产生的电信号大小，以绘制出属于该螺丝或螺栓的校正曲线。

为实现上述目的，在另一实施例中，本发明提供一种固定元件检测系统， 包括：一螺丝或螺栓，该螺丝及螺栓皆具有：一本体，其内部开设有具有一容置空间的一中空结构，以容置一感测材料，该感测材料可感测该本体所受的力以产生一电信号，该中空结构开设于该本体具有螺牙的内部；一信号转换电路，其设置于该本体的一侧，与该感测材料电性连接，该信号转换电路可将该电信号转换成一转换信号；以及一无线射频电路，其系与该信号转换电路电性连接，该无线射频电路可将该转换信号传出；一询答装置，其可于该无线射频电路相通信，以传递信号给该无线射频电路以及接收该无线射频电路所发出的信号；以及一信号解析装置，其与该询答装置相连接，以处理该询答装置所接收的信号，并进行分析处理以判断该固定元件的状态，该信号解析装置更具有一记录单元以及一分析单元，该记录单元储存该询答装置所接收的信号，该分析单元，其分析该记录单元所储存的信息，并进行统计分析每一螺丝或螺栓的状态；还包括一校正方式，该校正方式是利用现场量测出的该螺丝或螺栓电信号时所进行的判断，如果发现有螺丝或螺栓的电信号衰减趋势有异常时，即判断该螺丝或螺栓有异状。

综合上述，本发明提供的一种检测系统，可以对于固定元件进行准确且快速大量的筛检动作，尤其适合用于高度安全顾虑的场合。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

图1A为本发明的固定元件第一实施例立体剖面示意图；

图1B为信号处理单元的方块示意图；

附图说明

图2为本发明的固定元件第二实施例示意图；

图3为本发明的固定元件第三实施例示意图；

图4为本发明的固定元件第四实施例示意图；

图5为本发明的固定元件第五实施例示意图；

图6为本发明的固定元件检测统实施例示意图；

图7为本发明的固定元件检测统运作方块示意图；

图8为感测材料因受力所产生的电信号大小与时间关曲线示意图；

图9为异常的固定元件其感测材料因受力所产生的电信号异常衰减曲线 示意图。

其中，附图标记：

2-固定元件

20-本体

200-中空结构

201-螺牙

202-通孔

21-感测材料

22-信号处理单元

220-信号转换电路

221-无线射频电路

2210-传输电路

2211-能量接收电路

23-内六角凹孔

24-外壁

240-凹洞

241-凹槽

25-容置空间

3-固定元件

30-本体

300-通孔

301-凹槽

31-感测材料

32-信号处理单元

4-固定元件

40-本体

400-中空结构

41-感测材料

42-信号处理单元

5-固定元件检测系统

51-询答装置

52-信号解析装置

520-记录单元

521-分析单元

90-飞机

91～94-曲线

为使贵审查委员能对本发明的特征、目的及功能有更进一步的认知与了解，下文特将本发明的装置的相关细部结构以及设计的理念原由进行说明，以使得审查委员可以了解本发明的特点，详细说明陈述如下：

请参阅图1A与图1B所示，其中图1A为本发明的固定元件第一实施例立体剖面示意图；图1B为信号处理单元的方块示意图。在本实施例中，该固定元件2为一内六角的固定螺丝，其具有一本体20。在该本体20内开设有一容置空间25以提供容置一感测材料21。在本实施例中，该容置空间25由一中空结构200所构成的区域。除此之外，提供容置感测材料的容置空间也可由通孔、凹槽或凹洞等结构所构成，至于以何种形式则是根据使用的需求而定。为了加强粘着力，在该感测材料21与该中空结构200的交界位置可以涂布有粘胶以将该感测材料21粘着于该中空结构200内。在本实施例中，该中空结构200系开设于该固定元件本体20的具有螺牙201的部分内部。该感测材料为一力-电转换材料，其可选择为一电敏材料(electro-sensitive material)。该电敏材料可为一压电材料(piezoelectric material)或者是电缩材料(Electrostrictive Material)。该感测材料可以通过力的变化而产生对应的电压或者是电流的电信号。

具体实施方式

在该本体20上的内六角凹孔23内设置有一信号处理单元22，其还具有一信号转换电路220以及一无线射频电路221。该信号转换电路220，与该感测材料21电性连接，该信号转换电路220可将该电信号转换成一转换信号。该转换信号可根据信号转换电路220的转换特性而为模拟信号或者是数字信号。一般而言，该信号转换电路可为一模拟/模拟转换器或者是模拟/数字转换器。该无线射频电路221，其与该信号转换电路220电性连接，该无线射频电 路221可将该转换信号传出以及接收外部的询答射频信号。

在本实施例中，该无线射频电路221还具有一传输电路2210以及一能量接收电路2211。该传输电路2210与该信号转换电路220电性连接，该传输电路2210可将该转换信号以及该转换信号所对应的固定元件所具有的一识别号传出。所谓识别号为每一个固定元件所具有的独立的代号，以利与其它的固定元件作区别。该能量接收电路2211，其与该信号转换电路220以及该传输电路2210电性连接，该能量接收电路2211可接收一射频信号转换成电能以供该信号转换电路220以及传输电路2210使用。在本实施例中，该无线射频电路221可选择为一被动式无线射频识别标签(radio frequency identification，RFID)。

请参阅图2所示，该图为本发明的固定元件第二实施例示意图。在本实施例中，该固定元件2为一内六角螺丝，其与图1A的差别在于该固定元件本体20的内六角凹孔23与具有螺牙201的部分交接处开设有一通孔202，其内具有一容置空间25，该容置空间25内粘着有感测材料21。同样地，在本体20内的内六角凹孔内具有一信号处理单元22。如图3所示，该图为本发明的固定元件第三实施例剖面示意图。在本实施例中，在内六角凹孔23的外壁24上开设有一凹洞240，其内具有容置空间以提供容置感测材料21。在该外壁24上还具有一信号处理单元22，其与该感测材料21电性连接且嵌入于该外壁上的凹槽241，以接收感测材料21所产生的电信号，进而将其转换成一转换信号并发送出去。

在另一实施例中，如图4所示，该图为本发明的固定元件第四实施例剖面示意图。在本实施例中，该固定元件3为一螺帽，在其本体30上开设有一通孔300，其内具有容置空间以提供容置感测材料31，该感测材料的特性如图1A所述的感测材料，在此不作赘述。在该固定元件本体30的一侧面上开设有一凹槽301以提供容置一与该感测材料31相电性连接的信号处理单元32。该信号处理单元32的特征如图1B所述的信号处理单元22，在此不作赘述。另外，如图5所示，该图为本发明的固定元件第五实施例示剖面示意图。在本实施例中，该固定元件4为一螺栓。该固定元件4的本体40上具有中空结构400，其内的容置空间同样粘着有感测材料41。在该感测材料41的一端具有一信号处理单元42。至于该感测材料41与信号处理单元42的动作原理如前所述， 在此不作赘述。其它的固定元件，例如：十字螺丝或者是一字螺丝等元件也可利用本发明的精神予以完成。

请参阅图6所示，该图为本发明的固定元件检测系统实施例示意图。在本实施例中，该检测系统5包括有至少一固定元件2、一询答装置51以及一信号解析装置52。每一个固定元件2设置于一机具上，该机具的范围很广，举凡需要固定元件的机构、装置或者是系统都可运用本发明的固定元件作为连接固定的构件。在本实施例中，该机具就以一飞行机具90来作说明。该飞行机具90上具有多个固定元件2，以将该飞行机具上的部件固定与连接。该固定元件2则可选择前述的任何一种固定元件。

该询答装置51，其可于该固定元件2相通信，以传递信号给该固定元件2以及接收由该固定元件2所发出的信号。在本实施例中，该询答装置51可为一无线识别标签读取器或其它的无线接收器。该信号解析装置52，其与该询答装置51相连接，以处理该询答装置51所接收的信号，并进行分析处理以判断该固定元件2的状态。该信号解析装置52可选择与该询答装置51作有线或者是无线的方式连接。在本实施例中，该信号解析装置52可选择为具有运算处理能力的计算机或者是工作站等，但不以此为限。如图7所示，该另一实施例中，该信号解析装置52还具有一记录单元520以及一分析单元521。该记录单元520，其可储存该询答装置51所接收的信号。该分析单元521，其可分析该记录单元520所储存的信息，并进行统计分析每一固定元件2的状态。

接下来说明本发明的固定元件检测系统运作方式。如图7所示，该图为本发明的固定元件检测系统运作方块示意图。当固定元件2被锁固于飞机90机壳上，由于固定元件2受到板手或者是螺丝起子将其旋紧于定位时，由于该感测材料21属于压电材料或者是电缩材料，因此在该感测材料21在固定元件本体受力时会产生张力，而产生对应的电压或者是电流的电信号。当使用者利用询答装置51发出读取信号时，该无线射频电路221内的能量接收电路2211会接收到询答的信号，此时，该能量接收电路2211会将该询答信号转换成电信以供应信号处理与传输所需的电能。在该信号处理单元22接收到询答信号时，该信号转换电路220会接收该感测材料21所产生的电信号，并将其转换成模拟或者是数字的转换信号，然后通过该传输电路2210回传给该询答装置51。

该询答装置51收到了信号之后，会通过有线或者是无线的方式将信号回传给该信号解析装置52，该信号解析装置52内的记录单元520会先将信号记录至储存媒体内，然后其内部的分析单元521会对该信号进行分析以判断该固定元件固锁的状态。若固定元件2处于锁紧状态时，感测材料21受到一定的张力而产生电信号经过转换而发出一转换信号，当询答装置51靠近或接触时，可检测到该转换信号，进而被该解析装置52判断。如果，当螺丝处于松脱或断裂状态时，该感测材料所受张力消失，故产生的电信号消失或转弱，当询答装置51靠近或接触时，可检测到对应的转换信号，即可判断该固定元件2并未处于正常的锁紧状态，或锁紧状态有所松动。如此可进行准确而快速大量的筛检动作，尤其适合用于高度安全顾虑的场合，例如飞机机体上的部分螺丝。

另外，由于感测材料在同样的受力状态下所产生的电信号可能随时间而逐渐改变，如图8所示。因此使用者可以利用不同的校正方式予以校正以利解析单元解析该固定元件的固锁状态。其中一种校正方式，可在一批次的固定元件生产之后，进行校正曲线的制作，提供特定大小的锁固力于该固定元件上，并量测在不同的时间下，固定元件的感测材料所产生的电信号大小，以绘制出属于该固定元件的校正曲线。利用此种方式，当在现场对固定元件进行量测时可以参照该校正曲线，以正确判断出该固定元件的锁固力大小。

另外一种方式则是利用现场量测出的固定元件电信号时所进行的判断。如图9所示，虽然感测材料所产生的电信号会随时间的改变而衰减，但是如果是锁固正常的情况下，其每一个固定元件的衰减趋势应该相同，因此如果发现有一锁固元件的衰减趋势有异常时，即可判断该锁固元件有异状应予以注意或更换。每一个固定元件都具有一个独立的识别码，因此信号解析装置在收到信号时可以根据不同的识别码绘制出不同的曲线，图9中的曲线91、92、93与94分别代表不同的固定元件。在图9中，由于曲线91的改变趋势与其它曲线差异甚大，因此可以推测该固定元件可能异常。前述图8与图9的曲线为定性上说明所做的示意曲线，实际上的曲线仍须以选择的材料而定。

综合上述，本发明提供的一种固定元件及其检测系统，可以对于固定元件进行准确且快速大量的筛检动作，尤其适合用于高度安全顾虑的场合。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但 这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种螺丝或螺栓检测系统，其特征在于，包括：

一螺丝或螺栓，其固定于一机具上，该螺丝及螺栓皆具有：一本体，该本体内部沿其长度方向上开设有具有一容置空间的一中空结构，以容置一感测材料，该感测材料感测该本体所受的力以产生一电信号；一信号处理单元，其具有一信号转换电路以及一无线射频电路，该信号转换电路设置于该本体的一侧，与该感测材料电性连接，该信号转换电路将该电信号转换成一转换信号，该无线射频电路与该信号转换电路电性连接，该无线射频电路将该转换信号传出；一询答装置，其与该无线射频电路相通信，以传递信号给该无线射频电路以及接收该无线射频电路所发出的信号；以及一信号解析装置，其与该询答装置相连接，以处理该询答装置所接收的信号，并进行分析处理以判断该螺丝或螺栓的状态，该信号解析装置更具有一记录单元以及一分析单元，该记录单元其储存该询答装置所接收的信号，该分析单元，其分析该记录单元所储存的信息，并进行统计分析每一螺丝或螺栓的状态；

还包括一校正方式，该校正方式是在一批次的螺丝或螺栓生产之后，进行校正曲线的制作，提供特定大小的锁固力于该螺丝或螺栓上，并量测在不同的时间下，螺丝或螺栓的感测材料所产生的电信号大小，以绘制出属于该螺丝或螺栓的校正曲线。

2.根据权利要求1所述的螺丝或螺栓检测系统，其特征在于，该转换信号选择为一数字信号以及模拟信号其中之一。

3.根据权利要求1所述的螺丝或螺栓检测系统，其特征在于，该无线射频电路还具有：

一传输电路，其与该信号转换电路电性连接，该传输电路将该转换信号以及对应该转换信号的螺丝或螺栓所具有的一识别号传出；以及

一能量接收电路，其与该信号转换电路以及该传输电路电性连接，该能量接收电路接收一射频信号转换成电能以供该信号转换电路以及传输电路使用。

4.根据权利要求1所述的螺丝或螺栓检测系统，其特征在于，该无线射频电路为一被动式无线射频识别标签。

5.根据权利要求1所述的螺丝或螺栓检测系统，其特征在于，该感测材料选择为一电敏材料，其选择为一压电材料以及一电缩材料其中之一。

6.根据权利要求1所述的螺丝或螺栓检测系统，其特征在于，该感测材料以粘胶固定于该容置空间内。

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