CN102714766A - 紧固件数据的无线采集 - Google Patents

Abstract

本发明涉及，从多个紧固件远程采集数据作为由读取器无线发射质询信号的响应。紧固件中的每个包括用于测量涉及与紧固件上应力的相关的参数的传感器。适于附着于紧固件中的每个的器件接收质询信号，激活传感器来测量参数并无线发射包括参数的数据到读取器。

Description

紧固件数据的无线采集

技术领域

本公开主要涉及结构紧固件，尤其是涉及来自紧固件的数据例如紧固件应力的远程无线采集。

背景技术

定期检查用于夹紧结构接头（joints）的紧固件状态有时候是必要的。例如，在车辆例如飞行器的情况下，由某些任务关键结构接头和组装件中的紧固件应用的夹紧力必须保持在规定限额的情况下。由于某些结构随着时间的推移变松弛的趋势，以及紧固件的物理变化，例如工作硬化（work hardening）和蠕变，所有这些会导致紧固件的预加载变化和紧固件的应力变化，紧固件夹紧力的定期监控会是必要的。在发现紧固件预加载超出规定限额时，重新拧紧（re-torque）紧固件或替换紧固件会是必要的。过去，由会物理检查并记录紧固件状态，包括紧固件预加载水平的维修技师完成这样的紧固件监控。这样的手工过程是耗时和耗劳力的，而且有时候在紧固件位于不易存取的区域时难以完成。

最近，已经发明了一种紧固件，其包含测量紧固件上的应力和预加载的传感器。不过，为了读取测量的预加载并且使其和正读取的特定紧固件关联，技师必须用读取预加载的读取器物理接触该紧固件，而且必须物理接触唯一鉴定该紧固件的条形码。采集紧固件数据的这样方法也是耗时的和耗劳力的，而且在紧固件存取受限时是难以完成的。在某些情况下，在紧固件位于密封区域内或尤其是小隔间内时，例如飞行器尾部，可能无法物理接触紧固件，这样就阻止了紧固件预加载的测量。

因此，就有需要用于紧固件数据例如紧固件上的预加载或应力的远程采集的非接触方法和设备。还需要可以适于监控现存类型紧固件，甚至是难以或不可能物理存取紧固件的地方监控现存类型紧固件的方法和设备。

发明内容

根据公开的实施例，提供了用于远程监控紧固件状态，包括测量和无线采集指示紧固件状态的一个或多于一个参数的非接触方法和设备。该方法基于几种无线技术中的任意一个来使用无线通信，且其可以用于在紧固件位于难以物理存取的结构区域内时采集数据。该方法允许紧固件ID可靠地与相应的应力值相关联。该设备使用可以轻易改装到现存类型紧固件的无线通信器件（device）。由公开的实施例提供的紧固件数据的远程无线采集可以通过减少或消除要求技师接触劳动的手工检验的需要而降低劳力成本，而且允许紧固件状态的更频繁检查。

根据一个公开的实施例，提供了用于从多个紧固件中采集数据的设备，其中每个包括用于测量紧固件上应力的传感器。该设备包括适于附着于紧固件中的每个以用于无线发射与测量的应力相关的数据的器件以及用于无线读取由该器件发射的数据的读取器。该器件可以包括可附着于紧固件的帽，以及天线和用于发射数据到读取器的帽中的无线发射器。读取器可以包括用于将信号无线发射到器件中每个的发射器。器件中的每个可以进一步包括用于从读取器接收信号的在帽中的无线接收器以及用于将信号转换为能量并存储能量的装置。该器件可以包括用于将存储的能量转换为用于激活传感器的脉冲的在帽中的装置。接收器可以包括红外信号接收器、射频信号接收器和声信号接收器中的一个。

根据另一个实施例，提供了用于从多个紧固件采集数据的设备，其中每个包括用于测量紧固件上应力的传感器。该设备包括用于沿着相对窄路径无线发射第一信号到紧固件的读取器以及用于接收第一信号的在紧固件上的装置（means）。该设备进一步包括在紧固件上用于无线发射包括与由传感器测量的应力相关的数据的第二信号到读取器的装置。读取器可以包括用于将第一信号形成为相对窄光束的发射天线，在紧固件上的接收装置可以包括用于沿着窄路径接收第一信号的定向天线。

根据另一个公开的实施例，提供了从多个紧固件采集数据的方法。该方法包括从读取器沿着窄路径无线发射第一信号到紧固件，以及在紧固件接收第一信号。该方法还包括在紧固件感测至少一个参数，以及从紧固件无线发射与该参数有关的第二信号到读取器。第一信号从读取器的无线发射可以利用定向天线或能量束完成。能量束可以包括射频电能、光能和声能。

根据进一步实施例，提供了用于从多个紧固件采集数据的设备，其中每个包括用于测量紧固件上应力的传感器。该设备包括适于附着于紧固件中的每个的用于感测紧固件温度且用于无线发射与测量应力和感测温度有关的数据的器件。该设备还包括用于读取由器件发射的数据的读取器。该器件可以包括可附着于紧固件的帽、在帽中的温度传感器以及在帽中用于发射数据到读取器的无线发射器。

根据进一步实施例，提供了采集与紧固件上应力有关的数据的方法。该方法包括感测紧固件上与紧固件应力有关的、紧固件上的至少一个随温度改变的参数的步骤，感测紧固件温度的步骤以及基于感测温度调整参数的步骤。利用紧固件的传感器完成感测温度。

根据另一个实施例，提供了用于从安装于结构上的多个紧固件采集数据的设备，其中每个紧固件均包括用于测量紧固件上应力的传感器。该设备包括在紧固件中的每个上耦合于传感器的器件，其用于穿过结构无线发射代表测量应力的声信号。该设备还包括用于读取声信号的读取器。该器件可以包括可附着于紧固件的帽，以及帽中的用于穿过结构发射声信号的换能器。该器件可以包括适用于结构以便将声信号从换能器耦合到结构的声耦合器。该读取器可以包括用于将声信号转换为电能的声换能器，以及用于将换能器声音耦合到结构的声耦合器。

根据另一个实施例，提供了从结构上的紧固件采集数据的方法。该方法包括感测在紧固件上至少一个参数，以及穿过结构发射包括从紧固件感测的参数的声信号。该方法进一步包括读取声信号。可以通过导引信号沿着相对窄路径穿过结构来完成发射信号。该方法还可以还包括至少部分基于结构的特征来选择用于声信号的频率。

公开的实施例提供了方法和相关设备，其用于从安装于结构上的紧固件远程和无线采集数据，其允许监控处于难以存取的结构区域内的紧固件而且可以减少人工接触劳力。

附图说明

图1示出用于从安装于结构上的紧固件无线采集数据的设备的功能框图。

图2示出紧固件的示图和对解释与紧固件上的预加载有关的正时测量有用的正时绘图。

图3示出具有安装于其上的帽的紧固件的俯视图。

图4示出采用图3中线4-4截取的横截面视图。

图5示出包含在图3和图4所示紧固件帽内的电子电路的功能框图。

图6示出利用在图3-5所示的帽器件来无线采集紧固件数据的方法的流程图。

图7示出采集紧固件数据的可替代方法的流程图。

图8示出从安装于飞行器上的紧固件采集数据的组合块和图表视图。

图9示出利用沿着相对窄路径发送定向信号而从紧固件采集数据的方法和设备。

图10示出使用激光束来辅助瞄准读取器上的定向天线。

图11示出和图10相似但是示出在读取器已经被瞄准后，向紧固件的射频质询信号的发射。

图12示出用于沿着相对窄路径发射射频信号到紧固件的碟形天线的使用。

图13示出将红外能量聚焦成用于质询紧固件的光束的透镜的使用。

图14示出会聚由二极管产生的红外能量的碟形反射器的使用。

图15示出瞄准形成为读取器一部分的红外发射器的激光的使用。

图16示出和图15相似但是示出瞄准在读取器上的红外发射器的可见光源的使用。

图17示出包括手枪式握把和用于朝向紧固件瞄准读取器的光学瞄准具的侧视图。

图18示出包括温度传感器的读取器，该温度传感器用于远程感测紧固件或紧固件周围的结构的温度。

图19示出读取器的透视图，其具有非接触温度传感器和辅助瞄准读取器的手枪式握把。

图20示出采集紧固件数据的方法的流程图，其包括基于紧固件的感测温度的调节。

图21示出包括远程温度传感器的读取器的组件的功能框图。

图22示出采用声信号来质询紧固件的读取器的组合块和图表视图。

图23示出和图22示出相似但是示出利用聚焦声信号来质询紧固件的声读取器。

图24示出声读取器以及配备声换能器紧固件的功能框图。

图25示出利用声能量通信来采集紧固件数据的方法。

图26示出飞行器生产和使用方法的流程图。

图27示出飞行器的框图。

具体实施方式

首先参考图1，公开的实施例涉及器件36，其可以附着于紧固件30以便使得紧固件30适于和远程读取器38无线通信。紧固件30可以安装于结构34上，且可以由用于将两个或多于两个构件机械连结、固定或夹持在一起的广泛的硬件器件中的任意器件组成。例如，紧固件30可以包括但不限于，螺栓、螺钉、大头钉、夹子或别针，仅列出其中一部分。紧固件30包括测量与紧固件30状态或状况有关的一个或多于一个参数的传感器32。例如，传感器32可以包括测量与紧固件30上的应力且因而与其上的预加载有关的参数的换能器。

在一个实施例中，器件36可以被编程以便定期发射测量的参数到读取器38，以便可以监控紧固件30的状态。在另一个实施例中，通过定期发射无线信号（后文中有时候称为“质询信号”）到器件36从而导致传感器32的激活来测量期望参数，读取器38可以质询紧固件30。测量的参数通过器件36被无线发射到读取器38，在这里参数可以被读取或可以用于计算以确定紧固件30的状态，例如紧固件30上的应力。在其他实施例中，确定应力值的计算可以由器件36完成，接着无线发射应力值到读取器38。读取器38可以给用户提供视觉和/或听觉信号来指示特定读周期是否已经被成功实现。

现关注示出紧固件30和器件36更多细节的图2、图3和图4。正如最好在图4所示，紧固件30被描绘成具有头部56和柄44的螺栓，其中该柄44穿过包括一对板34a、34b的结构34。柄44的下端45具有接纳螺母62的外螺纹（未示出）。头部56包括肩部60，当头部56和/或螺母62被拧紧时该肩部60将垫圈74夹抵于板34a以便施加将板34a、34b保持在一起的夹紧力。

在紧固件30上的预加载且因而其上应力是至少部分由紧固件30施加于结构34的夹紧力的函数。器件36包括由合适硬质材料例如金属形成的帽66，不过在某些应用中，也有可能由复合或其他高强度材料形成帽66。在示出的例子中帽66包括是大体圆形的头部68，不过其他外形也是可能的。例如，头部68可以包括形成为六边形或八边形外形的扳手面（未示出），其适合由在将器件36安装于紧固件30上时所用的扳手（未示出）接合。

帽66进一步包括围绕紧固件30头部56的斜面70并且包括可以接合结构34的环形底部78。帽66包括在其内的圆周凹缝72，其靠近底部78，且互补地接纳在垫圈74外周上的上翘法兰76。这样，通过将帽66保留在紧固件30头部56上的法兰76，帽66附着于紧固件30。

器件36还可以包括被容纳在帽66内的电子电路86。在一个实施例中，连接电路86的天线88可以被集成到帽66的头部68内，而在另一实施例中，天线88a可以被集成到帽66的斜面70内。在另一个实施例中，天线88和88a二者均可以被集成到帽66内。

紧固件30的头部56包括中央凹缝64，其包含会在下面更详细讨论的传感器32。传感器32测量反映紧固件30状态的至少一个参数，其或者被直接发射到读取器38（图1），或者用于由电路86实现的计算以确定紧固件30的状态。借助于可压缩O形环80，帽66围绕凹缝64的周界被密封到紧固件30的头部56，从而密封凹缝64以防止湿气和/或外来颗粒。器件36进一步包括一对电触头82、84，当帽66安装于紧固件30上时，其与电路86耦合并且相应地接触传感器32和紧固件头部56。装设在帽66上的可选温度传感器90与电子电路86耦合，并且接触紧固件头部56以便测量紧固件30的或恰环绕紧固件30的结构34的温度。

正如前面所指示的，垫圈74使得帽66适于附着于紧固件30的头部56。不过，将器件36附着于紧固件30的其他部分，或者利用不需要使用垫圈76的其他附接技术附着于螺母62也是可能的。在一个实施例中，帽66和垫圈76可以经配置提供卡口型装设（未示出），以便帽66通过扭紧的动作而附着于紧固件30。可替代地，在帽66和紧固件30之间和/或帽66和垫圈74之间可以提供使得帽66适于被螺纹拧到紧固件30和/或垫圈74上的螺纹（未示出）。由此，应当理解通过安装垫圈74，然后利用扭紧的动作将帽66附着于垫圈74，可以使用器件36来翻新现存的紧固件30。在某些实施例中，为了允许修复或更换帽66，可以以反向拧开动作从紧固件30移除帽66。

现详细参考图2，传感器32可以包括适合测量反映紧固件30状态的一个或多于一个参数的、利用各种技术的各种传感器或换能器中的任意传感器或换能器，包括但不限于可以用于确定紧固件30中的应力或预加载40的那些传感器或换能器。在一个实施例中，传感器32可以使用超声波技术来测量与紧固件30上的预加载40直接相关的“渡越时间（time-of-flight）”。在42处施加于传感器32的电压脉冲作为超声波46穿过柄44传播，其在紧固件30端部48被反射并沿着返回路径50返回到传感器32。超声波46作为回波52返回，该回波52由传感器32记录并具有和紧固件30的预加载直接成比例的渡越时间54（time-of-flight）。涉及零负载渡越时间的评估渡越时间54的变化，允许直接测量预加载40。在拧紧期间，紧固件30随着加载而伸长，而超声波46的速度随着紧固件应力的增加而降低，从而导致总渡越时间的增加和预加载40直接成比例。正如之前提到的，虽然已经示出超声波型传感器32，不过利用其它类型技术的其它传感器和换能器是可能的。

现关注示出装纳在帽66内（图4）的并且与传感器32和天线88耦合的电子电路86更多细节的图5。在这个实施例中，电路86包括可以被合并为单个电路从而形成收发器（未示出）的射频（RF）接收器90和RF发射器92。代表紧固件质询的、从读取器38（图1）发射的RF信号由接收器90传递到将接收的RF信号转换为可以存储在电能存储器件96中例如电容或其他存储介质（未示出）中的电功率的电子转换器94。RF质询信号可以包括被连续存储直到存储在存储器件96中的能量足以启动读取周期的一系列脉冲。电路86还可以由一个或多于一个可替代动力源/电源98例如电池、能源收集器或其他发电机（未示出）提供动力。例如，可替代动力源98可以包括在帽66内的、收集环境能量（例如由紧固件30的温度波动所产生的热能）的能量收集器件。这种形式的能量收集器件可以采用相变材料作为抵抗紧固件30的温度波动的散热器/热沉，在飞行器爬升/下降（climb/decent）期间这种温度波动会是明显的。可以采用使用其他技术的能量收集器件，包括但不限于收集那些在飞行器爬升/下降期间由大气压变化产生的振动能量的能量收集器件。

由于帽66安装在紧固件30上，所以电触头82、84与紧固件30和传感器32接合，从而导致开关106关闭。开关106的关闭使得电路86准备待用。在随后将帽66从紧固件30移除从而导致电触头82、84从紧固件30脱离接合的情形下，开关106打开并导致在数据存储102中的唯一数字标识（ID）号104被擦除/删除。此特征可以确保特定ID是永久且可靠地仅仅与一个特定紧固件30相关联。

存储在能量存储器件96中的能量用于启动/点火（fire）脉冲发生器110，其导致传感器32产生穿过紧固件30传播的超声波46（图2），如之前所描述的。脉冲检测电路112感测返回脉冲并将返回脉冲传递到测量脉冲渡越时间的脉冲测量电路114。测量的渡越时间代表与紧固件30上应力相关的参数并且被传递到将渡越时间测量和其他数据一起结合为数据包的数据打包电路116。例如，存储在电路86中的数据存储102中的唯一数字ID号104可以和渡越时间信息结合为数据包。数据包通过RF发射器92和天线88被发射返回到读取器38（图1）。在某些实施例中，电路86可以包括控制电路86的各种组件和/或执行计算的微处理器100。例如，微处理器100可以将被包括在从读取器38接收的RF信号中的紧固件ID和在数据存储102中的数字ID 104作比较以核实质询是否针对接收质询信号的特定紧固件30。一旦确认这两个ID之间匹配，则可以由电路86执行测量和发射功能。

现关注大体示出从一个或多于一个紧固件30无线采集数据的方法的步骤，该数据例如是紧固件预加载。在118开始，给多个帽66中的每个分配唯一ID。这个唯一ID可以是随机的ID，或可以是与结构中的具体螺栓位置相关的，或可以是其他方式分配的。在120，帽66安装于紧固件30中的每个上。在步骤122，激活信号随数字ID一起从读取器38发射到帽66。在124，数字ID被存储在帽66中，从而使得帽66准备待用。

数据采集过程开始于步骤126，其中质询或读取信号从读取器38发射到紧固件30中的一个或多于一个上的帽66。在128，质询信号在帽66处被接收并在帽66内转换为存储的电能。假设被包含在质询信号中的ID（代表待读取的紧固件30）匹配于接收该质询信号的紧固件30上的帽66中的存储ID，则开始测量和发射功能，从而利用存储在128的能量，在130生成激励脉冲。在132检测返回脉冲，而在134测量其渡越时间。在136，形成数据包，其包括测量的渡越时间和其他信息，例如但不限于紧固件ID、紧固件温度、时间/日期印记等。在步骤138，数据包以射频（RF）信号的形式从帽66发射到读取器38，并在步骤140读取器38接收和处理数据包。

图7示出从紧固件30采集数据的可替代方法的步骤。开始于步骤144，质询信号从读取器38无线发射到帽66。在146，生成激励脉冲，其被传输通过紧固件30。在148，引入固定的处理时间延时以允许可靠地检测返回超声波脉冲。在150检测返回脉冲，在152检测信息从帽66发射到读取器38。在读取器38处接收返回脉冲，如在步骤154所示，随后读取器38测量RF开始脉冲和RF结束脉冲之间的时间，并且之后减去固定的处理时间延时并计算超声波渡越时间作为在156所示的这两个脉冲之间的差异。因为帽66不再做出正时测量，所以这个实施例可以减少和简化在帽66中的电路（electronics）86。

现参考图8，利用移动读取器160或位于远离紧固件30的固定读取器162，可以从安装于结构上的紧固件30远程采集数据，该结构例如是飞行器158。例如，可以由维护技师或在飞行器158上或在地面上使用移动读取器160来监控紧固件30的状态，包括紧固件预加载。可替代地，在飞行器158上固定位置的读取器162可以通过采集被存储用于未来使用或发送到机载服务器（未示出）以用于分析的紧固件数据，从而定期监控紧固件状态。类似地，固定的基于地面的监控系统166可以从紧固件30无线采集数据，之后在本地由计算机168处理并且在170存储为维护记录的一部分，和/或由接收器/发射器172无线发射到其他站点。

公开的方法和设备还可以有利使用在装配或维修例如飞行器158的结构的工厂生产设置或维护设施设置。固定的或移动读取器174可以安装在装配飞行器158的工厂的顶棚176上或嵌入其地板内/下面或工装夹具/站台/脚手架（全部未示出）内。当飞行器158正在装配时，读取器174可以从紧固件30采集例如预加载的数据以核实紧固件30是否被恰当地安装和/或扭转到规格。

在某些应用中，期望的是，通过沿着相对窄路径定向的无线发射，在读取器38和紧固件30之间传输信号，而不是全方位无线发射。因为发射信号的能量的较大部分到达其预期目的地，即紧固件30或读取器38，所以定向发射会比全方位发射更有效。这个技术可以提高电池寿命并且改善质询每个紧固件30所需的时间。

现参考图9，合适的射频读取器180可以被打包成由维护技师使用的手持式设备，以便在难以获取/通达紧固件30的地方读取紧固件数据，像飞行器158尾部178的情形下。在这个实施例中，读取器180包括手枪式握把182，其允许用户朝向期望紧固件30定向并且瞄准读取器180。读取器180包括定向天线184，其包括用于发射质询信号以及从紧固件30接收包括数据包的响应RF信号的、被安排成相控阵列的偶极子。在这个实施例中，操作员首先物理定位待测量的紧固件30，然后将紧固件指向读取器180以便测量。读取器180可以进一步包括瞄准器件，例如激光器186，其导引激光束188朝向紧固件30中的特定一个。激光束188与定向天线184的取向对齐以便通过将激光束188指向特定紧固件30，天线184的发射路径自动朝向紧固件30对齐。这个实施例可以进一步改善系统的能量效率，延长电池寿命和/或减少测量给定紧固件30组的应力所需的劳动力时间。

图10示出已经指向特定紧固件30的激光束188。天线184沿紧固件30的方向对齐，则RF信号沿着相对窄路径194（图11）从天线184发射到紧固件30（图11）。可以采用其他技术沿着相对窄路径会聚RF信号。例如，如图12所示的，可以采用天线碟196（图12）来沿着相对窄路径194朝向紧固件30会聚或聚焦RF信号。在某些应用中，为了减少可能的射频干扰（RFI）并/或减少发射信号所需的功率，定向天线相比全向性天线是优选的。被装纳在帽66中的天线88（图4）可以类似地配置为定向天线的形式以减少发送数据包到读取器180的功率消耗。

根据公开的实施例，可以采用其他形式的通信技术，包括声音（声波）能量和在可见频域和近可见频域范围内的电磁能，有时候称为光能，来采集紧固件数据。例如，如图13所示，可以采用红外光脉冲发射质询信号到紧固件30，其中红外二极管200产生由合适透镜204聚焦成窄脉冲束206的红外光202脉冲。透镜204和读取器38被瞄准到紧固件30，以便红外脉冲束206照射到所期望的紧固件30上以启动读取周期。图14示出使用反射碟208来将由红外二极管200产生的光会聚为会聚的脉冲束210。由可以装设在读取器38上的碟208的取向来控制光束210朝向所期望紧固件30的瞄准。在“嘈杂”RF环境，例如工厂或机场中，使用红外信号是理想的。在上述的红外通信系统中，较短波长可以允许较高增益系数并且在某些应用中会是更加有利的。

图15示出结合红外发射器212使用激光瞄准器186以定位和质询期望的紧固件30。激光瞄准器186产生可被用户使用来定位和瞄准/对准（aim）红外发射器212的可见激光束188。一旦恰当地瞄准了发射器212，则红外质询信号195被发送到紧固件30，从而启动读取周期。

图16示出使用传统可见光源214，例如装设在红外发射器212上的闪光灯。光源214产生用于照亮紧固件30的可见光束216。可以在紧固件30上放置反光材料218以辅助反射来自光源214的光，以便紧固件30对技师是更为可见的。光束216瞄准到紧固件30会自动地对齐红外发射器212以便RF信号指向紧固件30。

在另一个实施例中，如图17所示，在读取器38产生定向质询信号的应用中，读取器38可以采用手枪式握把182和光学瞄准具220以用于使读取器38朝向所期望的紧固件30瞄准。

正如之前关于图4所讨论的，理想的是，感测紧固件30的温度以调节渡越时间信息并改进预加载测量的精度。在图4所示实施例的情形中，用于这个目的的温度传感器90被结合到帽66中。不过可以采用其他技术感测紧固件30的温度，或恰环绕紧固件30的结构34的温度，其通常具有和紧固件30基本一样的温度。例如，如图18所示，非接触温度传感器224可以被结合到读取器38内以远程感测紧固件30的温度。温度传感器224可以包括各种已知非接触温度感测器件中的任意器件，例如但不限于高温计、红外热成像摄像机、线测量温度计、点辐射计和红外辐射温度计。典型的红外辐射温度计测量在至少两个波段中的红外放射，计算这两个波段的强度的比，并且使用该比来估计放射表面的温度。

图19示出结合了红外辐射温度计228和激光束188来辅助瞄准读取器38的手持枪式读取器38。读取器38可以包括显示屏230和合适控制件234，所述控制件234用于激活/致动激光束188、读取紧固件温度以及启动与感测温度自动关联的质询信号。显示屏230与存储在读取器38中的一个或多于一个程序（未示出）一起用于向用户示出每个紧固件30位于什么位置以辅助瞄准读取器38。

现关注图20，其示出采集紧固件数据的方法的步骤，其包括针对紧固件30温度变化而调节紧固件的参数测量。在236，在读取器38接收包括渡越时间信息的数据包，随后在238提取渡越时间数据。在240紧固件30的温度被远程感测，并在242与特定紧固件30相关联。在244，与紧固件相关联的温度用于调节渡越时间数据，如在244所示，随后在246计算感兴趣的参数，例如紧固件应力。

图21示出采用远程温度传感器224的读取器38的基本组件。读取器38包括和远程温度传感器224一起用于从紧固件30接收数据包的接收器248、处理器250和紧固件ID存储/存储器254。处理器250使得在存储器254中的紧固件ID和由远程温度传感器224感测的紧固件30的温度相关联。处理器250可以执行包括对渡越时间数据的调节的计算并且计算感兴趣的参数，例如紧固件30上的预加载。

图22示出利用声音信号通信从安装于结构34上的多个紧固件30采集数据的声读取器256的使用。在这个实施例中，使得声读取器256和结构34物理接合，并且声信号260从读取器256通过结构34发射到紧固件30中的每个。这样，结构34用作在读取器256和紧固件30之间携带声能信号的传递介质。在紧固件30位于由例如对电磁辐射信号是不透过的复合材料的材料组成的封闭式结构内时，使用声读取器256是特别有利的。穿过大多数结构时，长波段声信号通常比短波段信号可以传播得更远，不过，长波段信号的数据率（data rate）会小于短波段的数据率。这样，给用户提供选择两个或多于两个通信波段的选项是有利的。

图23示出设备的另一个实施例，其中采用定向声读取器256来导引声质询信号260a沿着相对窄路径通过结构34到达特定紧固件30。在沿着相对窄路径聚焦能量以便到达特定紧固件30的某些应用中这个实施例会是有利的。

图24示出利用声信号采集紧固件数据的设备的整体组件。声读取器256大致包括由波段选择器263控制来产生具有期望波长的声信号的声换能器262。可以选择声信号的波长以便最佳地适合其上装设有紧固件30的特定结构34的特征。读取器256进一步包括声耦合器264，其被置于接触结构34并且用于将来自换能器262的声信号耦合到结构34中。在某些实施例中，读取器256可以包括声功率计265，其允许用户优化地调节定向光束260a的方向，这将优化地调节耦合器264的方向取向。

由虚线260指示的声信号在特定紧固件30上的帽66处被接收。帽66包括声耦合器266，其将接收的声信号耦合到帽66中的换能器267。换能器267转换声信号为电功率，其可以被存储在能量存储器272中并被用于驱动发送脉冲到紧固件30上以用于测量预加载的传感器（未示出）的脉冲发生器270。类似于较早描述的帽66，帽66可以包括用于存储紧固件ID的存储器268，以及温度传感器274。虽然图24未具体示出，不过帽66可以进一步包括处理器和/或用于通过结构34发射数据包到读取器256的发射器。

现关注图25，其示出利用声信号采集紧固件数据的方法的步骤。开始于276，选择期望的、最适合其上装设有紧固件30的特定结构34的通信波长。在278，选择待质询的特定紧固件30。在280，使得声读取器256物理接触包括待质询紧固件30的结构34。下一步，在282，以一个或多于一个声脉冲的形式生成一个或多于一个声信号，以及在284，待质询紧固件的ID被编码到脉冲内。在286，利用声耦合器264（图24），被编码的脉冲被发射到结构34。在288，在被质询的紧固件30处接收声脉冲，随后在紧固件30处做检查以核实接收的ID编码是否匹配于被质询紧固件的ID，如在步骤290所示。

在292，声能脉冲被存储并且用于生成和发射内部脉冲到紧固件30内。在294，测量内部发射的脉冲的渡越时间。可选地，在296，测量被质询紧固件的温度。在步骤298，渡越时间和温度及其他数据一起被加载到数据包内，在300该数据包以声脉冲的形式被发射，其通过结构34传播到读取器256。在步骤302，来自紧固件30的声脉冲在读取器256被接收并被处理以确定紧固件30上的应力。

本公开的实施例可以发现被用于各种潜在应用，尤其是运输行业，包括例如航空航天、轮船以及机动车等应用。这样，现参考图26和图27，本公开的实施例可以应用在如图26所示的飞行器制造和使用方法320以及如图27所示的飞行器322的背景下。在预生产期间，示范性方法320可以包括飞行器322的规格和设计324以及材料采购326，其中公开的实施例可以指定用于安装和/或监控飞行器322中的紧固件。在生产期间，进行飞行器322的组件和子组件制造328以及系统整合330。公开的实施例可以用于安装和监控用于所述组件和子组件的紧固件。因此，飞行器322可以通过认证和交付332以投入使用334。在由客户使用时，飞行器322按计划例行维护和维修336（其也包括修改、重整、翻新等等）。公开的方法可用于在认证332期间和/或维护和维修336期间检查或监控紧固件的预加载。

可以由系统集成商、第三方和/或操作员（例如，用户）完成或实施方法320的过程中的每个。为了这个描述的目的，系统集成商可以包括但不限于任何数量的飞行器制造商和主要系统转包商；第三方可以包括但不限于任何数量的卖家、转包商以及供应商；以及操作员可以是航线、租赁公司、军事机构、服务机构等等。

如图27所示，通过示范性方法320生产的飞行器322可以包括具有多个系统340的机身338和内部342。高级系统340的例子包括推进系统344、电气系统346、液压系统348以及环境系统350中的一个或多于一个。可以包括任何数量的其他系统。公开的实施例可以用于安装和/或监控形成机身338一部分的接头内的或在形成推进系统344或液压系统348的一部分的组件上的紧固件。虽然示出航空的例子，不过本公开的原则可以适应于其他行业，例如轮船、重型装备、发电、精炼厂以及汽车行业。

可以采用公开的实施例在生产和使用方法320的任意一个或多于一个阶段期间测量被安装在飞行器322上的紧固件的预加载。例如，对应生产过程328的组件或子组件可以包括需要精确测量预加载的紧固件。而且，在生产阶段328和330，可以使用一个或多于一个方法实施例或者其结合，例如借此加快装配或降低飞行器322的成本。

虽然本公开已经描述了关于某些示范性实施例的实施例，应当理解具体的实施例用于说明目的而不是起限制作用，因为本领域的技术人员还可以做出其他变化。

Claims (60)

1.从多个紧固件采集数据的设备，其中每个紧固件均包括用于测量在该紧固件上的应力的传感器，该设备包括：

适于附着于每个所述紧固件以用于无线发射与测量的应力相关的数据的器件；以及

用于无线读取由所述器件发射的所述数据的读取器。

2.根据权利要求1所述的设备，其中所述器件包括：

可附着于所述紧固件的帽，

在所述帽中的天线，以及

在所述帽中的且与所述天线耦合以用于发射所述数据到所述读取器的无线发射器。

3.根据权利要求2所述的设备，其中：

所述读取器包括用于无线发射信号到所述器件中的每个器件的发射器，以及

所述器件中的每个器件进一步包括在所述帽中的用于从所述读取器接收所述信号的无线接收器以及用于将所述信号转换为能量并存储所述能量的装置。

4.根据权利要求1所述的设备，其中所述器件中的每个器件包括：

用于将环境能量转换为电能的装置，以及

用于存储所述电能并将存储的能量转换为用于激活所述传感器的脉冲的装置。

5.根据权利要求2所述的设备，其中所述帽包括一组电触头，当所述器件附着于所述紧固件时使得所述一组电触头接触所述传感器和所述紧固件。

6.根据权利要求3所述的设备，其中所述接收器是下列中的一个：

光信号接收器，

射频信号接收器，以及

声信号接收器。

7.根据权利要求2所述的设备，其中所述器件进一步包括在所述帽上用于感测所述紧固件的温度的温度传感器。

8.一种从多个紧固件采集数据的方法，其包括：

将帽附着于所述紧固件中的每一个；

从读取器无线发射质询信号到所述紧固件中的一个；

在所述帽内的接收器处无线接收所述质询信号；

利用在该紧固件上的传感器测量该紧固件上的应力；以及

利用在所述帽中的无线发射器无线发射测量的应力到所述读取器。

9.根据权利要求8所述的方法，其中附着所述帽包括在所述帽中使得一组电触头与该传感器和该紧固件接合。

10.根据权利要求8所述的方法，其中附着所述帽是通过将所述帽拧到所述紧固件的头部而完成的。

11.根据权利要求8所述的方法，其进一步包括：

将接收的质询信号转换为电能；

将所述电能存储在所述帽中；以及

利用存储的能量来激活所述传感器。

12.根据权利要求8所述的方法，其进一步包括：

将环境能量转换为电能；

将所述电能存储在所述帽中；以及

当被激活时利用存储的能量给所述传感器提供动力。

13.根据权利要求8所述的方法，其进一步包括：

使得所述读取器瞄准待质询紧固件，其包括将光束从所述读取器导引到该紧固件以辅助所述读取器的瞄准。

14.根据权利要求8所述的方法，其中无线发射所述质询信号是利用下列之一而完成的：

电能发射，

光能发射，以及

声能发射。

15.根据权利要求8所述的方法，其中将所述帽附着于所述紧固件包括：

固定法兰到该紧固件，以及

利用该法兰将所述帽保持在该紧固件上。

16.从多个紧固件采集数据的设备，其中每个所述紧固件均包括用于测量紧固件上的应力的传感器，该设备包括：

用于沿着相对窄路径无线发射第一信号到该紧固件的读取器；

在该紧固件上用于接收该第一信号的装置；以及

在该紧固件上用于无线发射包括与由该传感器测量的应力有关的数据的第二信号到该读取器的装置。

17.根据权利要求16所述的设备，其中所述读取器包括用于将该第一信号形成为相对窄光束的发射天线。

18.根据权利要求17所述的设备，其中所述天线是定向偶极子天线。

19.根据权利要求17所述的设备，其中所述天线是碟形天线。

20.根据权利要求16所述的设备，其中：

所述读取器包括射频发射器，所述第一信号是射频信号，以及

在所述紧固件上的所述接收装置是射频接收器。

21.根据权利要求16所述的设备，其中：

所述读取器包括红外光束发射器，

所述第一信号是红外光束，以及

在所述紧固件上的所述接收装置是红外接收器。

22.根据权利要求21所述的设备，其中所述红外光束发射器包括：

用于产生红外光的红外二极管，以及

用于将红外光会聚为所述红外光束的装置。

23.根据权利要求16所述的设备，其中：

所述读取器包括声能发射器，

所述第一信号是声信号，以及

在所述紧固件上的所述接收装置是声信号接收器。

24.根据权利要求16所述的设备，其中在所述紧固件上的所述接收装置包括用于沿着所述窄路径接收所述第一信号的定向天线。

25.根据权利要求16所述的设备，其进一步包括：

可附着于所述紧固件的用于装纳所述接收装置和用于发射所述第二信号的装置的帽。

26.一种从多个紧固件采集数据的方法，其包括：

从读取器沿着相对窄路径无线发射第一信号到所述紧固件；

在所述紧固件处接收第一信号；

在该紧固件处感测至少一个参数；以及

从该紧固件无线发射与所述参数有关的第二信号到该读取器。

27.根据权利要求26所述的方法，其中从所述读取器无线发射所述第一信号是利用定向天线完成的。

28.根据权利要求26所述的方法，其中从所述读取器无线发射所述第一信号是利用能量束完成的。

29.根据权利要求28所述的方法，其中所述能量束是下列中的一种：

射频能量，

光能，以及

声能。

30.根据权利要求26所述的方法，其中无线发射所述第二信号是利用定向天线完成的。

31.从多个紧固件采集数据的设备，其中每个所述紧固件均包括用于测量紧固件上的应力的传感器，该设备包括：

适于附着于所述紧固件中的每个紧固件的用于感测该紧固件的温度并无线发射与测量的应力和感测的温度有关的数据的器件；以及

用于读取由所述器件发射的所述数据的读取器。

32.根据权利要求31所述的设备，其中所述器件包括：

可附着于该紧固件的帽，

在该帽中的温度传感器，以及

在该帽中的用于发射所述数据到所述读取器的无线发射器。

33.根据权利要求32所述的设备，其中：

所述读取器包括用于将质询信号无线发射到所述器件中的每个的发射器，以及

所述器件中的每个均进一步包括在所述帽中用于接收该质询信号的无线接收器以及用于将该质询信号转换为能量并存储该能量的装置。

34.根据权利要求32所述的设备，其中所述器件中的每个均进一步包括在所述帽中用于将环境能量转换为电能并存储用于发射所述数据到所述读取器的能量的装置。

35.根据权利要求33所述的设备，其中所述器件中的每个均包括在所述帽中用于将存储的能量转换为用于激活所述传感器的脉冲的装置。

36.根据权利要求32所述的设备，其中所述帽包括一组电触头，当所述器件附着于所述紧固件时使得该组电触头与所述传感器和所述紧固件接触。

37.根据权利要求36所述的设备，其中所述温度传感器通过所述电触头中的至少一个耦合于所述紧固件。

38.根据权利要求32所述的设备，其中所述温度传感器接合所述紧固件。

39.一种采集与紧固件上的应力有关的数据的方法，其包括：

感测与所述紧固件的应力有关的、在所述紧固件上的至少一个温度改变参数；

感测所述紧固件的温度；以及

基于所感测的温度调整所述参数。

40.根据权利要求39所述的方法，其中感测所述温度是利用所述紧固件的区域中的传感器完成的。

41.根据权利要求39所述的方法，其进一步包括：

从所述紧固件无线发射所感测的参数和所感测的温度到读取器。

42.根据权利要求39所述的方法，其中调节所感测的参数是在所述读取器处完成的。

43.根据权利要求39所述的方法，其中调节所感测的参数是在所述紧固件处完成的。

44.根据权利要求39所述的方法，其进一步包括：

将帽附着于所述紧固件；

从所述帽无线发射所感测的参数和所感测的温度到读取器。

45.根据权利要求44所述的方法，其进一步包括：

在所述帽中生成包括所感测的参数和所感测的温度的数据包；

从所述帽无线发射所述数据包到读取器；

在所述读取器处接收所述数据包；以及

利用所感测的温度在所述读取器处调节所述参数。

46.从安装于结构上的多个紧固件采集数据的设备，其中所述紧固件中的每个均包括用于测量所述紧固件上的应力的传感器，该设备包括：

在所述紧固件中的每个上的且与所述传感器耦合以用于无线发射代表所测量的应力的声信号穿过所述结构的器件；以及

用于读取所述声信号的读取器。

47.根据权利要求46所述的设备，其中所述器件包括：

可附着于所述紧固件的帽，以及

在所述帽中用于发射所述声信号穿过所述结构的换能器。

48.根据权利要求47所述的设备，其中所述器件包括适于接合所述结构以用于将所述声信号从所述换能器耦合到所述结构的声耦合器。

49.根据权利要求46所述的设备，其中所述读取器包括：

用于将所述声信号转换为电能的声换能器，以及

用于将所述换能器声耦合于所述结构的声耦合器。

50.根据权利要求49所述的设备，其中所述声换能器是用于将所述声信号从所述读取器沿着相对窄路径导引到所述紧固件中的一个紧固件的定向换能器。

51.根据权利要求46所述的设备，其中：

所述读取器包括用于发射声信号来质询所述器件的声换能器，以及

所述器件中的每个器件均包括用于从所述读取器接收所述声信号并将所接收的信号转换为电能的声换能器。

52.根据权利要求51所述的设备，其中所述器件中的每个器件均包括用于存储所述电能并利用所存储的能量向所述传感器提供动力的装置。

53.根据权利要求51所述的设备，其中所述读取器包括用于选择被发射到所述紧固件的所述声信号的频率的装置。

54.一种从结构上的紧固件采集数据的方法，其包括：

感测在所述紧固件处的至少一个参数；

从所述紧固件发射包括所感测的参数的声信号通过所述结构；以及

读取所述声信号。

55.根据权利要求54所述的方法，其中发射所述信号是通过导引所述信号沿着相对窄路径通过所述结构而完成的。

56.根据权利要求54所述的方法，其进一步包括：

基于所述结构的特征来选择所述声信号的频率。

57.根据权利要求54所述的方法，其中所述读取通过下列完成：

将读取器声耦合于所述结构，

利用所述读取器从所述紧固件接收所述声信号，以及

将所接收的声信号转换为代表所感测的参数的值的电信号。

58.根据权利要求54所述的方法，其中读取所述声信号是通过读取器完成的，并且所述方法进一步包括：

通过从所述读取器发送声质询信号通过所述结构到所述紧固件来质询所述紧固件；以及

在所述紧固件处接收所述质询信号，

其中响应在所述紧固件处接收到所述质询信号而完成所述感测。

59.根据权利要求58所述的方法，其进一步包括：

在所述紧固件处将所接收的质询信号转换为电能；以及

在所述紧固件处存储所述电能。

60.根据权利要求59所述的方法，其中从所述紧固件发射所述声信号是利用被存储在所述紧固件处的所述电能而完成的。

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