CN104764548A - 一种基于压电时间反演的螺栓预紧力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于压电时间反演的螺栓预紧力传感器,包括上垫片，下垫片，第一压电材料，第一上电极，第一下电极，第二下电极，第二上电极，侧面定位销；所述螺栓预紧力传感器由上垫片和下垫片组成；所述在上垫片与下垫片相接触的一面沿圆周方向根据需要加工多个凸台体，凸台体顶面为圆弧面，在下垫片与上垫片相接触的一面沿圆周方向相应的加工多个曲面凹槽，安装时上垫片的凸台体圆弧顶面与下垫片的凹槽曲面相配合；所述在上垫片正面加工一个槽安装压电材料；本发明通用性强、结构简单、使用寿命延长、低成本的用于螺栓联接状态监测的螺栓预紧力传感器。

Description

一种基于压电时间反演的螺栓预紧力传感器

技术领域

本发明属于智能材料结构健康监测技术领域。具体涉及应用于螺栓联接状态健康监测的一种基于压电时间反演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、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，另一方面在很多情况下也用于传递零部件间的载荷，其联接状态(表现为轴向预紧力)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大小，电阻应变片电测法测量螺栓轴向力，扭矩扳手法由于螺母和结构之间以及螺纹间摩擦力的存在、摩擦力的不确定性，很难精确测量、控制螺栓的轴向作用力，电阻应变片电测法采用标准电阻应变片，将其安装在螺栓螺杆上，通过测量螺栓应变进而获得螺栓的轴向力，具有较高的测量精度，但受到螺栓安装形式及使用工况条件的限制，很多场合难以实现。

发明内容

 本发明的目的在于提供一种基于压电时间反演的螺栓预紧力传感器，它通用性强、结构简单、使用寿命延长、低成本的用于螺栓联接状态监测的螺栓预紧力传感器。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于压电时间反演的螺栓预紧力传感器,包括上垫片、下垫片、第一压电材料、第一上电极、第一下电极、第二下电极、第二上电极、侧面定位销；所述螺栓预紧力传感器由上垫片和下垫片组成；所述在上垫片与下垫片相接触的一面沿圆周方向根据需要加工多个凸台体，凸台体顶面为圆弧面，在下垫片与上垫片相接触的一面沿圆周方向相应的加工多个曲面凹槽，安装时上垫片的凸台体圆弧顶面与下垫片的凹槽曲面相配合；所述在上垫片正面加工一个槽，将铜箔制作的第一上电极和第一下电极通过导电胶紧密粘贴在第一压电材料两侧，第一上电极包住整个第一压电材料，同时作为屏蔽层；所述在上垫片槽底刷一层绝缘胶，将粘接有第一上电极与第一下电极的第一压电材料粘贴在上垫片槽底第二绝缘胶层上，并用第一绝缘胶层和第二绝缘胶层作为第一压电材料的保护层，第一下电极通过第一绝缘胶层与第一上电极做绝缘处理；所述铜箔第一上电极和第一下电极引出形成接线口；所述下垫片中第二压电材料的安装结构与上垫片结构相同；所述通过侧面定位销与凸台、凹槽结构将上垫片与下垫片组合，形成一个组合垫片。

    进一步，所述将上垫片中与下垫片相接触的面沿圆周方向加工出多个顶面为圆弧面的凸台体，将下垫片中与上垫片相接触的面沿圆周方向相应的加工出多个凹槽曲面，曲面凹槽曲率半径大于上垫片凸台体顶面圆弧曲面的曲率半径。

进一步，所述上垫片中的第一压电材料作为激发器，下垫片中的第二压电材料作为传感器；也可将下垫片中的第二压电材料作为激发器，上垫片中的第一压电材料作为传感器；上垫片、下垫片可以互换使用。

    进一步，所述上垫片、下垫片的结构尺寸根据所用螺栓尺寸，内径根据所选用螺栓与GB/T 95-2002中平垫圈内径相同，外径为国家GB/T 95-2002中响应平垫圈外径的2倍，上垫片、下垫片的厚度及上垫片、下垫片中凸台体、凸台体顶面圆弧曲面曲率半径、凹槽曲面曲率半径由螺栓的最大额定轴向载荷确定，保证在相应的螺栓的整个额定载荷范围内，上垫片、下垫片中凸台体曲面与凹槽曲面的接触面积随螺栓轴向载荷持续变化；所述螺栓预紧力传感器使用过程中安装在被联接件与螺母垫圈之间。

进一步，所述将上垫片中的第一压电材料作为激发器，通过对其供给50~150KHz高斯调制脉冲电压信号产生超声波脉冲；第一压电材料产生的超声波通过上垫片与下垫片之间的接触界面后，传递给下垫片中的第二压电材料，下垫片中的第二压电材料作为传感器接收超声响应信号并存储；对响应信号进行时域上的反演后，再输送给上垫片中的第一压电材料激发产生反演后的超声波信号，该信号通过上垫片与下垫片之间的接触界面后，再次由下垫片中的第二压电材料接收该时间反演聚焦信号。

进一步，所述对作为激发器的第一压电材料作用50~150KHz高斯调制脉冲信号，通过分析作为传感器的第二压电材料的响应信号能量或聚焦信号幅值，建立接收信号幅值、能量等信号特征量与作用在组合垫片上螺栓预紧力之间的关系，实现对螺栓轴向预紧力及联接健康状态的监测。

 与现有技术相比，本发明的有益效果是：一种基于压电时间反演的螺栓预紧力传感器，它通用性强、结构简单、使用寿命延长、低成本的用于螺栓联接状态监测的螺栓预紧力传感器。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图中：1、上垫片，2、第一压电材料，3、第一上电极，4、第一下电极，5、第一绝缘胶层，6、第二绝缘胶层，7、第三绝缘胶层，8、第四绝缘胶层，9、第二下电极,10、第二上电极，11、第二压电材料，12、下垫片，13、侧面定位销。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明提供一种技术方案：一种基于压电时间反演的螺栓预紧力传感器,包括上垫片1、下垫片12、第一压电材料2、第一上电极3、第一下电极4、第二下电极9、第二上电极10、侧面定位销13；所述螺栓预紧力传感器由上垫片1和下垫片12组成；所述在上垫片1与下垫片12相接触的一面沿圆周方向根据需要加工多个凸台体，凸台体顶面为圆弧面，在下垫片12与上垫片1相接触的一面沿圆周方向相应的加工多个曲面凹槽，安装时上垫片1的凸台体圆弧顶面与下垫片12的凹槽曲面相配合；所述在上垫片1正面加工一个槽，将铜箔制作的第一上电极3和第一下电极4通过导电胶紧密粘贴在第一压电材料两侧，第一上电极3包住整个第一压电材料2，同时作为屏蔽层；所述在上垫片1槽底刷一层绝缘胶，将粘接有第一上电极3与第一下电极4的第一压电材料2粘贴在上垫片1槽底第二绝缘胶层6上，并用第一绝缘胶层2和第二绝缘胶层6作为第一压电材料2的保护层，第一下电极4通过第一绝缘胶层2与第一上电极3做绝缘处理；所述铜箔第一上电极3和第一下电极4引出形成接线口；所述下垫片12中第二压电材料11的安装结构与上垫片1结构相同；所述通过侧面定位销13与凸台、凹槽结构将上垫片1与下垫片12组合，形成一个组合垫片。所述螺栓预紧力传感器使用过程中安装在被联接件与螺母垫圈之间

    进一步，所述将上垫片1中与下垫片12相接触的面沿圆周方向加工出多个顶面为圆弧面的凸台体，将下垫片12中与上垫片1相接触的面沿圆周方向相应的加工出多个凹槽曲面，曲面凹槽曲率半径大于上垫片1凸台体顶面圆弧曲面的曲率半径。

进一步，所述上垫片1中的第一压电材料2作为激发器，下垫片12中的第二压电材料11作为传感器；也可将下垫片12中的第二压电材料11作为激发器，上垫片1中的第一压电材料2作为传感器；上垫片1、下垫片12可以互换使用。

    进一步，所述上垫片1、下垫片12的结构尺寸根据所用螺栓尺寸，内径根据所选用螺栓与GB/T 95-2002中平垫圈内径相同，外径为国家GB/T 95-2002中响应平垫圈外径的2倍，上垫片1、下垫片12的厚度及上垫片1、下垫片12中凸台体、凸台体顶面圆弧曲面曲率半径、凹槽曲面曲率半径由螺栓的最大额定轴向载荷确定，保证在相应的螺栓的整个额定载荷范围内，上垫片1、下垫片12中凸台体曲面与凹槽曲面的接触面积随螺栓轴向载荷持续变化。

进一步，所述将上垫片1中的第一压电材料2作为激发器，通过对其供给50~150KHz高斯调制脉冲电压信号产生超声波脉冲；第一压电材料2产生的超声波通过上垫片1与下垫片12之间的接触界面后，传递给下垫片12中的第二压电材料11，下垫片12中的第二压电材料11作为传感器接收超声响应信号并存储；对响应信号进行时域上的反演后，再输送给上垫片1中的第一压电材料2激发产生反演后的超声波信号，该信号通过上垫片1与下垫片12之间的接触界面后，再次由下垫片12中的第二压电材料11接收该时间反演聚焦信号。

进一步，所述对作为激发器的第一压电材料2作用50~150KHz高斯调制脉冲信号，通过分析作为传感器的第二压电材料11的响应信号能量或聚焦信号幅值，建立接收信号幅值、能量等信号特征量与作用在组合垫片上螺栓预紧力之间的关系，实现对螺栓轴向预紧力及联接健康状态的监测。

本发明在使用时上垫片1、下垫片12的内径与GB/T 95-2002中相应规格平垫圈内径相同，外径为GB/T 95-2002相应平垫圈外径的2倍，上垫片1、下垫片12的厚度根据所选螺栓尺寸及其轴向额定最大载荷设计确定，上垫片1中与下垫片12相接触的一面制作带有圆弧面的带凸台体，相应的下垫片12中与上垫片1相接触的一面制作带有凹槽的曲面，上垫片1凸台面与下垫片12凹槽面相贴合形成一个组合垫片，上垫片1与下垫片12通过侧面定位销13保持圆周方向相对位置，通过凸台面与凹槽的配合保持径向相对位置，上垫片1与下垫片12内分别集成有第一压电材料2、第二压电材料11，第一压电材料2通过第一上电极3与第二下电极9形成引线接线端子，第二压电材料11通过第二上电极10与第二下电极9形成引线接线端子，其中，第一上电极3和第二上电极10做成屏蔽层包住整个第一压电材料2、第二压电材料11，起屏蔽噪声干扰、提高信噪比的作用，根据所针对的螺栓型号选择对应尺寸的预紧力传感器，按照通用垫片的方式与螺栓进行安装，上垫片1内集成的压电材料2作为超声波激发器产生超声波，接外部信号发生器或通过多功能数据采集器的模拟输出端，下垫片12内的压电材料11作为传感器接收超声波信号，对上垫片1内压电材料2施加中心频率50~150kHz左右的高斯调制电压脉冲信号产生相应的脉冲超声波，超声波通过上垫片1与下垫片12的联接界面后，由下垫片12内的压电材料11接收后转换为电压信号存储，然后将接收的电压信号在时域内进行时间反演后再次送入上垫片1内压电材料2进行激发，再由下垫片12内的压电材料11接收时间反演聚焦信号，将接收的聚焦信号进行存储、分析，当螺栓联接状态(预紧力)发生变化时，上垫片1与下垫片12联接界面的凸台体和凹槽面的实际接触面积会发生变化，通过上垫片1与下垫片12联接界面的超声波聚焦信号的幅值、响应信号的能量等信号特征量会发生相应的变化，通过事先标定的信号特征值与螺栓联接状态(预紧力)之间的关系，可确定螺栓联接结构的健康状态，实现对螺栓连接状态的健康监测，通过针对不同信号的螺栓，合理设计上垫片1凸台体曲面曲率半径及下垫片12的凹槽曲面的曲率半径，保证在螺栓整个预紧力范围内，两者的实际接触面积发生连续的变化，便可实现对整个螺栓额定载荷范围内预紧力的监测。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (3)

1.一种基于压电时间反演的螺栓预紧力传感器,包括上垫片（1）、下垫片（12）、第一压电材料（2）、第一上电极（3）、第一下电极（4）、第二下电极（9）、第二上电极（10）、侧面定位销（13）；其特征在于：所述螺栓预紧力传感器由上垫片（1）和下垫片（12）组成；所述在上垫片（1）与下垫片（12）相接触的一面沿圆周方向根据需要加工多个凸台体，凸台体顶面为圆弧面，在下垫片（12）与上垫片（1）相接触的一面沿圆周方向相应的加工多个曲面凹槽，安装时上垫片（1）的凸台体圆弧顶面与下垫片（12）的凹槽曲面相配合；所述在上垫片（1）正面加工一个槽，将铜箔制作的第一上电极（3）和第一下电极（4）通过导电胶紧密粘贴在第一压电材料（2）两侧，第一上电极（3）包住整个第一压电材料（2），同时作为屏蔽层；所述在上垫片（1）槽底刷一层绝缘胶，将粘接有第一上电极（3）与第一下电极（4）的第一压电材料（2）粘贴在上垫片（1）槽底第二绝缘胶层（6）上，并用第一绝缘胶层（5）和第二绝缘胶层（6）作为第一压电材料（2）的保护层，第一下电极（4）通过第一绝缘胶层（5）与第一上电极（3）做绝缘处理；所述铜箔第一上电极（3）和第一下电极（4）引出形成接线口；所述下垫片（12）中第二压电材料（11）的安装结构与上垫片（1）结构相同；所述通过侧面定位销（13）与凸台、凹槽结构将上垫片（1）与下垫片（12）组合，形成一个组合垫片。

2.  根据权利要求1所述的一种基于压电时间反演的螺栓预紧力传感器,其特征在于：所述将上垫片中与下垫片相接触的面沿圆周方向加工出多个顶面为圆弧面的凸台体，将下垫片中与上垫片相接触的面沿圆周方向相应的加工出多个凹槽曲面，曲面凹槽曲率半径大于上垫片凸台体顶面圆弧曲面的曲率半径。

3.根据权利要求1所述的一种基于压电时间反演的螺栓预紧力传感器,其特征在于：所述上垫片中的第一压电材料作为激发器，下垫片中的第二压电材料作为传感器；也可将下垫片中的第二压电材料作为激发器，上垫片中的第一压电材料作为传感器。