CN104791351A - 紧固件预紧力的光学测量 - Google Patents

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Abstract

本发明提供紧固件预紧力的光学测量。该紧固件包括：头部；杆，其具有外表面和在所述外表面中轴向延伸的通道。光学透射的应变敏感材料填充所述通道。

Description

紧固件预紧力的光学测量
技术领域
本发明涉及紧固件、紧固件的安装方法、相关机器及紧固件预紧力的光学测量方法。
背景技术
商用飞机可包括数千个夹住不同组件的螺纹紧固件。可在预定扭矩下安装螺纹紧固件。
然而，预定扭矩未必会产生预定预紧力(例如，由于紧固件和螺母之间的摩擦)。为了确保实现预定预紧力，使紧固件的尺寸过大并且超扭。
过大尺寸的紧固件不是理想的。对于具有数千个紧固件的商用飞机，使用过大尺寸的紧固件使飞机重量增加，因此，增加了燃料成本和其它操作成本。
发明内容
根据本文的实施方式，一种紧固件包括：头部；杆，其具有外表面和在所述外表面中轴向延伸的通道。光学透射的应变敏感材料填充所述通道。
根据本文的另一个实施方式，一种方法包括：安装紧固件，所述紧固件包括一杆，该杆具有被应变敏感光学材料填充的通道；在测量紧固件预紧力的同时，端接所述紧固件；当测得的预紧力达到目标值时，停止端接所述紧固件。测量预紧力的步骤包括将光耦合到所述通道的输入口中，测量被填充的通道的输出口处光的频率，根据测得的频率确定所述预紧力。
这些特征和功能可独立地在各种实施方式中实现或者可在其它实施方式中组合。可参照下面的描述和附图，发现实施方式的其它细节。
附图说明
图1是包括轴杆和被填充的通道的紧固件的图示，被填充的通道在轴杆的外表面中。
图2是被填充的通道的一部分的横截面的图示。
图3是图1的紧固件的头部的图示。
图4是确定图1的紧固件中的预紧力的方法的图示。
图5至图10是包括具有不同几何形状的被填充的通道的紧固件的图示。
图11是用于确定紧固件上的预紧力的机器的图示。
图12是将紧固件安装在飞机中的方法的图示。
图13是制造包括轴杆、轴杆外表面中的通道和通道中的光学材料的紧固件的方法的图示。
具体实施方式
紧固件包括头部和杆。通道沿着杆的外表面径向延伸。光学透射的应变敏感材料填充该通道。如本文使用的，“被填充的通道”是指被填充有光学透射的应变敏感材料的通道。被填充的通道可用作波导或谐振器。可通过将光耦合到被填充的通道的输入来确定杆的应变。这将表现为填充通道的谐振变化或被填充的通道中的反射之间的干涉。根据被填充的通道的输出处光的频率变化，确定应变。可根据该应变确定紧固件上的预紧力。
可在正安装紧固件时确定预紧力。安装期间预紧力的准确确定允许实现预定预紧力。有利地，紧固件不用不得不通过尺寸过大和/或超扭来确保已经实现了预定预紧力。
如将根据随后的描述清楚的，被填充的通道不限于任何特定的几何形式。被填充的通道的一些几何形式包括单个笔直部分，而其它构造更复杂并且具有为不同形状的多个部分。这些几何形式被特别设计以测量不同参数。
参照图1，图1示出包括头120和杆130的紧固件110，杆130具有螺纹部分132和非螺纹部分134。杆130在轴向方向(用箭头A表示)上从头部120延伸。
紧固件110还在非螺纹部分134的外表面中具有被填充的通道140。图1的被填充的通道140具有U形几何形状。被填充的通道140的第一部分142在杆130的非螺纹部分134上沿轴向向下方向从头部120延伸。被填充的通道140的第二部分144从第一部分142周向延伸。被填充的通道140的第三部分146沿轴向方向从第二部分144延伸并且终止于头部120。图1中的被填充的通道140的宽度不一定成比例，而是被夸大以便可见到。实际上，被填充的通道140的各部分142-146可具有不超过100微米的宽度和深度。填充这些部分142-146的光学透射材料可以是均质的。
目前，考虑被填充的通道140的第一部分142。在图2中示出第一部分142的横截面。光学透射材料150填充第一部分142。光学透射材料150可包括光学芯152和在杆130和光学芯152之间的覆层154。
光学芯152和覆层154中的材料在激发光的波长下具有不同的折射率。光学芯152中的折射率大于覆层154中的折射率。光学芯152和覆层154的示例包括但不限于(1)诸如用于光学芯152的Dow OE-4140和用于覆层154的OE-4141的硅树脂型材料；(2)诸如用于光学芯152的Dow OE-6636和用于覆层154的OE-6370的硅氧烷聚合物材料；(3)用于光学芯152和覆层154的诸如UV可固化聚合物的丙烯酸/环氧树脂；和(4)用于覆层154的透明含氟聚合物(例如，CYTOP)。
光学透明材料150被附着于杆130。例如，用于使光学芯152的材料“流”入通道140中，并且附着到覆层154和/或杆130。
参照图3。紧固件110可具有位于头部120中的输入口322和输出口324。可通过在头部120中钻出小开口来形成输入口322和输出口324。这些开口不需要形成通道140的一部分，因为它们只允许访问通道140。(在其它构造中，输入口和输出口可位于螺纹端)。
现在，参照图4。可如下地确定紧固件110上的预紧力。在框410中，在向紧固件110施加预紧力之前，输入光被耦合到输入口322中，并且在输出口324被接收。测量输出口324处光的频率。这个测量将用作基准测量。由于被填充的通道140用作波导，因此测量被填充的通道140中反射之间的干涉。
在框420中，当向紧固件110施加扭矩时，开始安装紧固件110。例如，紧固件110被插入构件堆叠中并且用螺母端接。将螺母扭转到杆130上使杆130处于拉伸下，造成杆130在轴向方向(A)上变形。这个应变转变成被填充的通道140中的小机械变形。这个机械变形将光的频率从输入口322变到输出口324。
在正在施加扭矩时，光被耦合到输入口322中。测量输出口324处光的频率。
在框430中，得到应变。确定测得频率和基准频率之差。从频率差推导出应变。杆130中的轴向应力的简单计算可被计算为测得的应变乘以杆的弹性模量。(更复杂的计算可包括额外的项，诸如，泊松比。)紧固件110上的预紧力可被计算为应力和杆130的横截面面积的乘积。
在框440中，接着，将计算出的预紧力与目标值进行比较。连续重复框420和430中的功能，直到测得的预紧力达到目标值。
相比于金属丝应变计，被填充的通道140提供更高的准确度和更低的噪声敏感性。还具有更精确的曲率半径。被填充的通道140提供比贯穿紧固件的中心孔并且胶合于紧固件的中心孔的光学丝更好的应变耦合。
通常，相比于贯穿紧固件的中心孔的光纤，杆表面上的被填充的通道可由更多样的几何形状构成。这些几何形状中的一些也可用于确定紧固件的切变和/或弯曲。
现在，参照图5，图5示出包括通道540的紧固件510，通道540具有沿轴向向下方向在杆530的非螺纹部分534上延伸的第一部分542、球根状的第二部分544和沿轴向向上方向返回的第三部分546。在轴向方向上延伸的第一部分542和第三部分546被构造为耦合部分，这些耦合部分透射光并且对应变造成的变形不太敏感。
现在，参照图6，图6示出紧固件610，紧固件610包括用于测量轴向应变的第一通道640和用于测量切变的第二通道645。第二通道645包括被构造为耦合部分的第一轴向延伸部分646和第二轴向延伸部分647。在这两个部分646和647之间的是相对于轴向方向成角度(α)延伸的一个或多个“指状件”648。剪切力可具有横向分量和轴向分量二者。为了测量这些分量的合成而非各个分量，指状件648以角度(α)取向。角度(α)的最佳值对应于剪切力的分量的预期相对大小。例如，如果预期分量是相等的，则角度可以是α＝45度。
本文中的紧固件可具有不止一个相同类型的通道。当轴向应变或切变没有在杆的横截面上均匀分布时可使用相同类型的多个通道。例如，图5的紧固件510包括多个通道540，用于测量在杆530的横截面上没有均匀分布的弯曲。
现在，参照图7，图7示出紧固件710，紧固件710包括用于测量横截面上的轴向应变的多个第一通道720。第一通道720具有不同轴向长度，用于测量在轴向尺寸上的多个位置的轴向应变。
紧固件710还包括用于测量横截面上的切变的多个第二通道730。第二通道730的耦合部分具有不同轴向长度，用于测量在轴向尺寸上的多个位置的切变。
使用多个通道还能够在负载为零时对通道进行基准校准。相同类型的所有通道应该提供相同的测量值。不同测量值之间的偏差可指示不合格的紧固件。
图8和图9示出具有用于测量轴向应变的嵌套通道820和920的紧固件810和910。图8的通道820横过杆830的不同弦延伸。随着与紧固件头部840的距离越大，弦长越大。图9的通道920也在杆930的不同弦上延伸。与紧固件头部940的距离越大，弦长越小。
现在，参照图10，图10示出包括具有单个笔直部分的通道1020的紧固件1010。光被耦合到单个端口中并且被接收于单个端口。通道1020中的光学芯具有渐变的折射率，使得光学透射材料用作布拉格光栅(Bragg grating)。耦合到光学材料中并且被布拉格光栅反射的光的波长基本上与光学材料的折射率的两个变化之间的距离成比例。可通过测量被反射光的波长来检测由应变造成的这个距离的任何变化。
现在，参照图11，图11示出机器1110，机器1110用于确定这里的紧固件上的预紧力。机器1110可被构造成将光学输入信号耦合到被填充的通道中并且测量来自被填充的通道的输出信号的频率。机器1110可被进一步构造成根据测得的频率确定紧固件的杆中的预紧力。例如，机器1110可包括光源1120、检测器1130和用于耦合输入光学信号并且测量输出光学信号的频率的相关驱动器和接口电子器件1140。这些组件1120-1140可被微型化成小型电子模块，可与板上处理器1150或远程处理器(例如，健康监控节点、中央计算机、手持读取仪器)通信。
在一些构造中，机器1110还可包括承载电子模块的扭矩扳手。板上处理器1150或远程处理器可确定扭矩扳手施加的预紧力。
在其它构造中，电子模块可被嵌入张贴件中，张贴件被附着于紧固件头部在输入口和输出口上方。张贴件无线地接收功率，接着将信号无线发送到远程计算装置。
在再其它构造中，机器1110包括具有用于安装紧固件的末端执行器的机器人。可以人工地或者用机器人端接紧固件。末端执行器承载电子模块，板上处理器1150或远程处理器确定紧固件端接期间的预紧力并且当预紧力等于目标值时停止端接紧固件。
机器人可被构造成将紧固件安装在飞机中。机器人的一些构造可用于确定紧固件安装期间的预紧力。一些构造可用于在紧固件安装之后确定预紧力。作为后者的示例，可在飞机的健康监控期间确定预紧力。
现在，参照图12，图12示出将紧固件安装在飞机中的方法。在框1210中，紧固件被插入材料堆叠中。作为仅一个示例，在蒙皮和下方的强化基板中钻出孔，将紧固件插入孔中。
在框1220中，在测量紧固件预紧力的同时端接紧固件。例如，将螺母旋在紧固件的螺纹端上，拧紧螺母以夹紧堆叠。在拧紧螺母的同时，光被耦合到被填充的通道的输入口中，测量被填充的通道的输出口处接收的光的频率。根据测得频率确定预紧力。
在框1230中，当预紧力达到目标值时停止端接紧固件。由于在紧固件端接结束时确定预紧力，因此不需要随后的质量来保证检查紧固件上的扭矩。
此外，由于测量的是预紧力而非扭矩，因此质量保证更准确。扭矩测量会受到诸如紧固件和螺母之间的摩擦之类的摩擦变化影响。
在紧固件安装期间准确测量预紧力使得在安装期间能够实现预定预紧力。有利地，紧固件不用不得不通过尺寸过大和/或超扭来确保实现预定预紧力。因此，紧固件重量减轻。单个紧固件的重量减轻好像是微不足道的。然而，由于飞机上有大量紧固件，累积的重量减轻会导致大大节省燃料成本和其它飞机操作成本。
现在，参照图13，图13示出制造本文的紧固件的方法。该方法从机加工或锻造具有滚丝的螺栓开始(框1310)。
在框1320中，接着，在紧固件的杆的外表面中形成至少一个通道(框1320)。可例如通过微加工、激光切割或化学蚀刻来形成各通道。
在框1330中，在通道中形成光学材料。可通过诸如气溶胶喷射沉积之类的3D印刷来形成覆层和光学芯。
在框1340中，可在光学芯的外表面上形成另外的覆层。该另外的覆层提供对抗机械损伤的保护。

Claims (20)

1.一种紧固件，该紧固件包括：
头部；
杆，该杆具有外表面和在所述外表面中轴向延伸的通道；以及
光学透射的应变敏感材料，其填充所述通道。
2.根据权利要求1所述的紧固件，其中，所述杆包括螺纹部分和非螺纹部分；并且其中，被填充的通道只在所述非螺纹部分上轴向延伸。
3.根据权利要求1所述的紧固件，其中，被填充的通道的宽度小于100微米。
4.根据权利要求1所述的紧固件，其中，所述光学透射的应变敏感材料附着于所述杆。
5.根据权利要求4所述的紧固件，其中，所述光学透射的应变敏感材料包括光学芯和在所述杆和所述光学芯之间的覆层。
6.根据权利要求5所述的紧固件，其中，所述光学透射的应变敏感材料还包括在所述光学芯的外表面上的覆层。
7.根据权利要求1所述的紧固件，其中，被填充的通道形成波导。
8.根据权利要求1所述的紧固件，其中，被填充的通道是U形的，用于测量轴向应变。
9.根据权利要求1所述的紧固件，其中，被填充的通道包括被构造为耦合部分的多个轴向延伸部分和在这些轴向延伸部分之间附着至所述杆的至少一个部分。
10.根据权利要求1所述的紧固件，其中，被填充的通道包括第一轴向延伸部分、第二球根状部分和第三轴向延伸部分。
11.根据权利要求1所述的紧固件，其中，被填充的通道还包括用于测量切变的成角度部分。
12.根据权利要求1所述的紧固件，所述紧固件还包括所述杆的外表面中的至少一个另外的被填充的通道，其中，这些被填充的通道是分隔开的。
13.根据权利要求1所述的紧固件，所述紧固件还包括所述杆的外表面中的至少一个另外的被填充的通道，其中，这些被填充的通道具有不同的轴向长度。
14.根据权利要求1所述的紧固件，其中，被填充的通道包括具有渐变的折射率使得所述被填充的通道用作布拉格光栅。
15.一种安装根据权利要求1所述的紧固件的方法，所述方法包括在将光发送到被填充的通道的输入口的同时对所述紧固件施加扭矩，测量被填充的通道的输出口处的光的频率，根据测得频率确定所述紧固件上的预紧力。
16.根据权利要求15所述的方法，所述方法还包括对所述紧固件施加扭矩，直到所述预紧力达到目标值。
17.一种与根据权利要求1所述的紧固件相结合的机器，所述机器包括：光源，其用于将光学输入信号耦合到被填充的通道中；检测器，其用于从所述通道接收输出信号；处理器，其用于根据所述检测器的输出确定所述杆中的预紧力。
18.一种方法，该方法包括：
安装紧固件，所述紧固件包括一杆，该杆具有被应变敏感光学材料填充的通道；
在测量紧固件预紧力的同时，端接所述紧固件；并且
当测得的预紧力达到目标值时，停止端接所述紧固件，
其中，测量预紧力的步骤包括将光耦合到所述通道的输入口中，测量被填充的通道的输出口处光的频率，根据测得的频率确定预紧力。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，在安装在飞机中期间确定所述紧固件的预紧力。
20.根据权利要求18所述的方法，其中，在飞机的健康监控期间确定所述紧固件的预紧力。
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