CN103644997B - 一种基于压电智能材料的螺栓预紧力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于压电智能材料的螺栓预紧力传感器，其技术方案是：螺栓预紧力传感器的上垫片(1)和下垫片(7)通过左定位销(13)和右定位销(14)背对背地固定在一起。上垫片(1)的正面同中心地开有第一环形槽，上垫片(1)的圆周面和第一环形槽间加工有一个引线孔；第一环形槽的底部刷有第一绝缘层(2)，在第一环形压电陶瓷(4)的上平面和下平面对应地粘贴有第一上电极(5)和第一下电极(6)，制成第一环形压电陶瓷组件，粘贴在第一环形槽底部的第一绝缘层(2)上，第一环形压电陶瓷组件与第一环形槽间填有第一绝缘密封胶(3)，在第一环形压电陶瓷组件的上平面涂覆有第一绝缘密封胶(3)。本具体实施方式具有通用性强、结构简单、寿命长和成本低的特点。

Description

一种基于压电智能材料的螺栓预紧力传感器

技术领域

本发明属于螺栓预紧力传感器技术领域。具体涉及一种基于压电智能材料的螺栓预紧力传感器。

背景技术

螺栓联接广泛应用于机械、化工、交通、电力、航空和土木等行业的各类设备和结构中，一方面用于联接可拆卸部件，另一方面用于传递零部件间的载荷，联接状态表现为轴向预紧，其预紧力的大小直接关系到整个设备或结构工作的可靠性和安全性。

工程中常采用扭矩扳手法控制螺栓紧固力的大小，用电阻应变片电测法测量螺栓轴向力。扭矩扳手法由于螺母与部件以及螺纹间存在的摩擦力的不确定性，很难精确测量和控制螺栓的轴向力；电阻应变片电测法采用标准电阻应变片，将电阻应变片粘贴在螺栓上，通过测量螺栓轴向应变获得螺栓的轴向力，该方法虽具有较高的测量精度，但受到螺栓安装形式及使用工况的限制，在很多螺栓使用场所难以得到应用。

发明内容

本发明旨在克服已有技术缺陷，目的是提供一种通用性强、结构简单、寿命长和成本低的基于压电智能材料的螺栓预紧力传感器。

为了完成上述任务，本发明采用的技术方案是：所述螺栓预紧力传感器由上垫片和下垫片组成，上垫片和下垫片通过左定位销和右定位销背对背地固定在一起。

在上垫片的正面同中心地开有第一环形槽，第一环形槽的截面为矩形，上垫片的圆周面和第一环形槽间加工有一个引线孔。第一环形槽的底部刷有第一绝缘层，在第一环形压电陶瓷的上平面和下平面通过导电胶对应地粘贴有第一上电极和第一下电极，制成第一环形压电陶瓷组件。再将第一环形压电陶瓷组件粘贴在第一环形槽底部的第一绝缘层上，第一环形压电陶瓷组件与第一环形槽间填有第一绝缘密封胶，在第一环形压电陶瓷组件的上平面涂覆有第一绝缘密封胶。第一上电极和第一下电极通过各自的引线从引线孔引出。

下垫片与上垫片相同。在下垫片的正面同中心地开有第二环形槽，第二环形槽的截面为矩形，下垫片的圆周面和第二环形槽间加工有一个引线孔。第二环形槽的底部刷有第二绝缘层，在第二环形压电陶瓷的上平面和下平面通过导电胶对应地粘贴有第二上电极和第二下电极，制成第二环形压电陶瓷组件。再将第二环形压电陶瓷组件粘贴在第二环形槽底部的第二绝缘层上，第二环形压电陶瓷组件与第二环形槽间填有第二绝缘密封胶，在第二环形压电陶瓷组件的上平面涂覆有第二绝缘密封胶。第二上电极和第二下电极通过各自的引线从引线孔引出。

所述第一上电极、第一下电极、第二上电极和第二下电极的材质均为铜箔。

本发明根据所监测的螺栓规格，选择合适尺寸的螺栓预紧力传感器，将螺栓预紧力传感器按通用螺栓垫片安装在待测螺栓上。将上垫片中的第一环形压电陶瓷作为激发器，通过对第一环形压电陶瓷提供中心频率为100KHz左右的电压脉冲信号以产生超声波信号，第一环形压电陶瓷产生的超声波信号通过上垫片与下垫片之间的界面传递给下垫片中的第二环形压电陶瓷，下垫片中的第二环形压电陶瓷作为接收器接收第一环形压电陶瓷传递来的超声波信号，并将接收到的超声波信号转换为电压信号，转换后的电压信号通过第二上电极、第二下电极的引线接入外部的数据采集系统进行处理并显示当前预紧力。

当螺栓的预紧力发生变化时，上垫片与下垫片联接界面的特性将会发生变化，第二环形压电陶瓷接收到的超声波信号的特征参数（主要指超声波信号的幅值和能量）也将发生变化，最终由与本发明连接的数据采集系统显示的预紧力也将发生相应变化。

本发明能根据螺栓规格制作相应尺寸的螺栓预紧力传感器；本发明由几个简单部件组装而成，且结构完全对称，便于安装；本发明的核心部件压电陶瓷性能稳定，不易损坏且价格低廉。

因此，本发明具有通用性强、结构简单、寿命长和成本低的特点。

附图说明

图1是本发明的一种结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步描述，并非对其保护范围的限制：

实施例1

一种基于压电智能材料的螺栓预紧力传感器。所述螺栓预紧力传感器如图1所示，由上垫片1和下垫片7组成，上垫片1和下垫片7通过左定位销13和右定位销14背对背地固定在一起。

在上垫片1的正面同中心地开有第一环形槽，第一环形槽的截面为矩形，上垫片1的圆周面和第一环形槽间加工有一个引线孔。第一环形槽的底部刷有第一绝缘层2，在第一环形压电陶瓷4的上平面和下平面通过导电胶对应地粘贴有第一上电极5和第一下电极6，制成第一环形压电陶瓷组件。再将第一环形压电陶瓷组件粘贴在第一环形槽底部的第一绝缘层2上，第一环形压电陶瓷组件与第一环形槽间填有第一绝缘密封胶3，在第一环形压电陶瓷组件的上平面涂覆有第一绝缘密封胶3。第一上电极5和第一下电极6通过各自的引线从引线孔引出。

下垫片7与上垫片1相同。在下垫片7的正面同中心地开有第二环形槽，第二环形槽的截面为矩形，下垫片7的圆周面和第二环形槽间加工有一个引线孔。第二环形槽的底部刷有第二绝缘层8，在第二环形压电陶瓷11的上平面和下平面通过导电胶对应地粘贴有第二上电极10和第二下电极12，制成第二环形压电陶瓷组件。再将第二环形压电陶瓷组件粘贴在第二环形槽底部的第二绝缘层8上，第二环形压电陶瓷组件与第二环形槽间填有第二绝缘密封胶9，在第二环形压电陶瓷组件的上平面涂覆有第二绝缘密封胶9。第二上电极10和第二下电极12通过各自的引线从引线孔引出。

所述第一上电极5、第一下电极6、第二上电极10和第二下电极12的材质均为铜箔。

本具体实施方式根据所监测的螺栓规格，选择合适尺寸的螺栓预紧力传感器，将螺栓预紧力传感器按通用螺栓垫片安装在待测螺栓上。将上垫片1中的第一环形压电陶瓷4作为激发器，通过对第一环形压电陶瓷4提供中心频率为100KHz左右的电压脉冲信号以产生超声波信号，第一环形压电陶瓷4产生的超声波信号通过上垫片1与下垫片7之间的界面传递给下垫片7中的第二环形压电陶瓷11，下垫片7中的第二环形压电陶瓷11作为接收器接第一收环形压电陶瓷4传递来的超声波信号，并将接收到的超声波信号转换为电压信号，转换后的电压信号通过第二上电极10、第二下电极12的引线接入外部的数据采集系统进行处理并显示当前预紧力。

当螺栓的预紧力发生变化时，上垫片1与下垫片7联接界面的特性将会发生变化，环形压电陶瓷11接收到的超声波信号的特征参数（主要指超声波信号的幅值和能量）也将发生变化，最终由与本具体实施方式连接的数据采集系统显示的预紧力也将发生相应变化。

本具体实施方式能根据螺栓规格制作相应尺寸的螺栓预紧力传感器；本具体实施方式由几个简单部件组装而成，且结构完全对称，便于安装；本具体实施方式的核心部件压电陶瓷性能稳定，不易损坏且价格低廉。

因此，本具体实施方式具有通用性强、结构简单、寿命长和成本低的特点。

Claims (2)

1.一种基于压电智能材料的螺栓预紧力传感器，其特征在于所述螺栓预紧力传感器包括上垫片(1)和下垫片(7)，上垫片(1)和下垫片(7)通过左定位销(13)和右定位销(14)背对背地固定在一起；

在上垫片(1)的正面同中心地开有第一环形槽，第一环形槽的截面为矩形，上垫片(1)的圆周面和第一环形槽间加工有一个引线孔；第一环形槽的底部刷有第一绝缘层(2)，在第一环形压电陶瓷(4)的上平面和下平面通过导电胶对应地粘贴有第一上电极(5)和第一下电极(6)，制成第一环形压电陶瓷组件；再将第一环形压电陶瓷组件粘贴在第一环形槽底部的第一绝缘层(2)上，第一环形压电陶瓷组件与第一环形槽间填有第一绝缘密封胶(3)，在第一环形压电陶瓷组件的上平面涂覆有第一绝缘密封胶(3)；第一上电极(5)和第一下电极(6)通过各自的引线从引线孔引出；

下垫片(7)与上垫片(1)相同；在下垫片(7)的正面同中心地开有第二环形槽，第二环形槽的截面为矩形，下垫片(7)的圆周面和第二环形槽间加工有一个引线孔；第二环形槽的底部刷有第二绝缘层(8)；在第二环形压电陶瓷(11)的上平面和下平面通过导电胶对应地粘贴有第二上电极(10)和第二下电极(12)，制成第二环形压电陶瓷组件；再将第二环形压电陶瓷组件粘贴在第二环形槽底部的第二绝缘层(8)上，第二环形压电陶瓷组件与第二环形槽间填有第二绝缘密封胶(9)，在第二环形压电陶瓷组件的上平面涂覆有第二绝缘密封胶(9)；第二上电极(10)和第二下电极(12)通过各自的引线从引线孔引出。

2.根据权利要求1所述的基于压电智能材料的螺栓预紧力传感器，其特征在于所述第一上电极(5)、第一下电极(6)、第二上电极(10)和第二下电极(12)的材质均为铜箔。