CN107850103B - 一种带有应变片的螺钉，用于测量螺钉承受的拉伸和/或剪切应力 - Google Patents

一种带有应变片的螺钉，用于测量螺钉承受的拉伸和/或剪切应力 Download PDF

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Abstract

一种螺钉(1)，包括螺帽(2)和圆柱形螺纹体(3)，所述螺帽(2)配备有应变计(8)，应变计设定为变形的，以便测量螺钉(1)内的应力；所述应变计(8)连接或能够连接到电源和测量工具，以从所述应变计(8)的变形来确定至少一个内应力的值，其特征在于，螺帽(2)在其上表面(2a)上，具有一圆锥形孔(10)，圆锥形孔具有一旋转轴，旋转轴与圆柱形体(3)的旋转轴对齐，并且所述应变计(8)被设于圆锥形孔(10)的壁上，从而随着圆锥形孔(10)的变形而变形，应变计(8)是定向的，以便测得拉伸和剪切应力中所选的至少一种应力。

Description

一种带有应变片的螺钉，用于测量螺钉承受的拉伸和/或剪切 应力
技术领域
本发明涉及拧紧螺钉领域，尤其涉及一种在拧紧期间和/或拧紧后具有能够了解其应力的方式的螺钉。
背景技术
在拧紧螺钉的操作过程中，有需要准确地了解螺钉内应力的情况。
其同样有利于维护由螺钉制成的零件，因其需要确保随着时间的推移螺钉仍然保持良好的松紧度。
事实上，拧得太紧会损害螺钉或用螺钉拧紧的部件；拧得太松会导致螺钉从所述部件中分离。松紧首先是在螺钉的纵向方向上施加张力的结果，由此施加拉伸应力在螺钉内部以其外延的结果。
再者，螺钉可以承受拧入螺钉部件的剪切应力，例如螺钉未对准拧入所述螺钉部件中孔或者仅仅是所述部件在操作中需要承受的作用力。这种剪切在螺钉内部产生剪切应力，剪切应力会使螺钉松散，或在最差的情况下可能导致螺钉破裂。
用于测量拧紧扭矩的传统装置，即包括测力计的紧固工具，可以通过在螺钉上施加到精确已知的扭矩来紧固螺钉。但是，应用到所述螺钉上的所述扭矩不一定与所获得的紧固相对应，特别是由于所述紧固取决于摩擦、物质材料等。因此，这些装置无法确保拧紧。
因此，为了确保拧紧，人们与寻求其拧紧扭矩，还不如寻求测量在螺钉内部的内部拉伸应力。事实上，两个部件之间的互相夹紧直接对应于施加到螺钉上的拉伸应力，从而对应于螺钉的拉伸。
应力测量装置与螺钉一体的使用是众所周知的。特别地，他们能够允许通过使用特殊技术例如超声波技术或控制条技术，得到所述螺钉的拉伸值。
然而，这些技术有一点或几点如下所述的缺点：
-需要实施的设备复杂；
-使用控制条技术的情况下，所述螺钉钻入螺纹部分产生脆裂；
-测量取决于螺钉的长度，并且应力必须根据每种螺钉的类型来计算；
-所述技术只适用于拥有较大尺寸的螺钉，并且只能测量拉伸应力。
为解决上述问题，台湾专利TW 1310810发表了一种螺钉100，如图1所示，包括一种圆柱形螺纹体101和一螺帽102，具有一应变计103，在所述螺帽的侧壁104，所述应变计103通过导线105连接于处理和显示工具106，工具106安装于螺帽102的上表面107上。
因此，终端客户可以定期地检查紧固应力随着时间的推移是否足够。
用这样一种螺钉100，在拧紧过程中，应变计103有可能会被拧紧工具例如扳手损坏。此外，还必须要在螺钉上打一个孔以便导线105从中穿过，并且检测到的变形很小，因此难以精确地评估。
为解决上述问题，美国专利US2014251027公开了一种螺钉200，如图2所示，由一圆柱形螺纹体201和一螺帽202组成，包括至少一种应变计203，配备于螺帽202下表面205形成的一环形槽204中，并且毗邻于圆柱形体201。
一个或多个应变计203可以将所测得的数据传到一位于螺钉外部的显示装置，或者通过穿过螺帽202中钻出的孔进行导线连接，或者无线地连接，在这种情况下，每个应变计203将电子器件与无线传输装置结合在一起。
然而，这种螺钉有几个缺点：
-在应变计与所述外部显示装置之间的无线沟通是困难的，因为应变计凹陷于螺钉和用螺钉拧紧的部件之间，应变计通常用金属制造，因此会阻碍传送；
-在拧紧过程中，应变计只会轻微变形，因此，为了获得可测量的信号，必须对螺帽进行强烈变形；
-应变计设置于螺帽下部，螺帽下部正是施受拧紧压力的区域，因此很容易被损坏；
-一旦拧紧完成，应变计就无法接触；
-为了确定拧紧应力，寄生的应力，例如剪切力可以导致应变计的变形，以致实际实施的拧紧应力不能正确测量，紧固应力与应变计的变形相对应，这仅仅是由于拉伸应力在螺钉内部沿着螺钉纵向方向。
发明内容
本发明旨在解决上述带有应变计的螺钉具有的问题，并且因此提出一种螺钉，使其内应力的测量更加可靠、更加简单，以提供一种能够长期对螺钉执行的紧固的更好的控制，并且其应变计不易于损坏。
本发明涉及一种螺钉，包括一螺帽和一圆柱形螺纹体，所述螺帽具备有应变计，其设计成能够和所述螺帽的变形一起变形，以便测量螺钉内的应力，所述应变计连接或能够连接到电源以及测定工具，用于根据所述应变计的变形来确定螺钉内的至少一个应力的值；其特征在于，螺帽，在其上端面，具有一圆锥形孔，孔具有一旋转轴，与所述螺钉的圆柱形体旋转轴相对应，所述应变计被设于圆锥形孔侧壁上，从而可以和圆锥形孔的变形而变形，所述应变计被定向为以便测得螺钉内拉伸和剪切应力中所选的至少一种应力，从而确定圆柱形体内的应力。
根据本发明所述解决方案，当螺钉受到应力时，允许放大应变计的变形，以便在没有任何寄生测量的情况下，使剪切和/或拉伸应力的测量更可靠，并且还能够所述应变计不受损害。
根据第一个特定的实施例，所述螺帽具备四个应变计，即所谓张力计，其中，两个应变计分别被对齐其主要测量方向，主要测量方向对齐所述圆锥形孔的母线，两条母线直线上对置，并且两个其他应变计被分别设置于其主要测量方向上，主要测量方向位于由所述圆锥形孔的壁和与所述螺帽的上表面平行的假想平面的交点处形成的圆上，并且在所述圆周上彼此等距分布，优选地每个应变计分别设置于所述两条母线中的一条，所述四个应变计通过惠斯登电桥连接或能够连接到电源和测量工具，所述应变计能够测量当剪切力没有应用于所述螺帽时的内部张力。
根据第二个实施例，所述螺帽具备四个第一应变计，即所谓张力计，和四个第二应变计,也即所谓张力计，其中，所述第一应变计的每个被设置于其主要测量方向，与所述圆锥形孔的母线对齐，并分布成彼此之间均匀的角度，以及所述第二应变计，每个被设置于其主要测量方向，位于所述圆锥孔壁与一个平行与所述螺帽的上表面一假想平面的交叉处形成一个圆上，并且在所述圆周上彼此等距离分布；所述第一应变计形成两组应变计，每组包含两个第一应变计,第一应变计彼此之间相邻及串联连接；所述第二应变计形成应变计的两个其他组，每组包含两个第二应变计，第二应变计彼此之间相邻及串联连接；四组应变计通过惠斯登电桥连接或能够连接到电源以及测量工具，所述第一和第二应变计允许测量螺帽内的内部张力，从而得知圆柱形体的应力。
优选地，所述螺帽是一种六角螺帽以及所述第一应变计的各个主要测量方向相对于母线形成一在10-30度之间的角度，优选地为15度；母线连接所述圆锥形孔的顶端至所述圆锥形孔产生的圆与一线段的交叉点，线段连接六角形两个相对的顶端，六角形定义所述螺帽的上表面的轮廊。
每个第二应变计可以位于两个相邻第一应变计的主要测量方向之间。
优选地，每个第二应变计位于第一应变计的一个对应的应变计的主要测量方向的中心。“中心”的意思是第一应变计的主要测量方向穿过第二应变计的中心，位于后者的主要测量方向上。
进一步地，每个第二应变计以双向应变片从的形式，与相应的第一应变计形成一个整体。
根据第三个特定的实施例，所述螺帽配备有四个应变计，即所谓的剪切应变计，所述第一个和第三个被设置成平行于两条母线，两条母线在所述圆锥形孔的一个主要母线的任一边呈45度角；其他两个应变计被设置成平行于两条母线，两条母线在所述圆锥形孔的另一个主要母线的任一边呈45度角，其中另一个主要母线与所述圆锥形孔的所述主要母线直径的对置，所述四个应变计通过惠斯登电桥连接或能够连接到电源和测量工具，所述应变计允许测量位于螺帽内部的内剪切应力，以得知圆柱形体内的应力。
优选地，所述圆锥形孔的高度低于或等于所述螺帽的高度。
优选地，圆锥顶端的角度在70-150度之间，优选地在75-120度之间，更优选地为90度。
四个测剪切应力的应变计可以和四个测拉伸应力的应变计设置在一起，也可以不和测拉伸应力的应变计设置在一起。
优选地，在所述螺帽的下表面形成有一凹槽，并与所述圆柱形螺纹体同轴或相邻。
所述应变计连接或能够通过导线连接连接到电源和测量工具。
所述应变计以一种无线的方式连接或能够连接到电源及测量工具，所述应变计连接到第一近场通信(NFC)型无线收发装置，并且电源和测量工具连接到第二近场通信(NFC)型无线收发装置，所述第一和第二收发装置之间能够无线传输电力和信息。
为了更好地解释本发明所述主题，以下将叙述几个特定的实施形态，以下所述附图仅用于说明，不作为本发明的限定。以下，将附图与实施例相结合，对本发明进行说明。
附图说明
图1和图2分别代表根据现有技术带有应力测试计螺钉的透视图和垂直截面图。
图3a为根据本发明所述螺钉连接两个部分，并通过导线连接到电源和测量工具的示意图。
图3b为根据本发明所述螺钉无线连接到电源及测量工具的示意图；
图4为根据本发明所述螺钉在垂直横截面上的布局示意图；
图5为根据本发明第一实施例所述螺钉的所述应变计的分布俯视图；
图6为根据本发明惠斯登电桥电气图，惠斯登电桥连接螺钉的应变计；
图7为根据本发明所述第一实施例在垂直横截面的布局示意图，螺钉遭受由于拧紧力矩而产生的张力。
图8为根据第一实施例螺钉的校准曲线。
图9为根据本发明第二实施例所述螺钉的应变计的设置的示意俯视图；
图10为根据本发明第二实施例所述螺钉的顶层示意图，附带应变计的配线，为便于描述，应变计被显示成水平位置；
图11为根据本发明第三实施例所述螺钉的布局示意侧视图和部份横截面图，其配备测试剪切应力的应变计。
图12为根据本发明第三实施例所述螺钉的布局示意俯视图。
图13为根据本发明第三实施例所述螺钉的布局示意侧视图和部分截面图，其遭受剪切应力。
具体实施方式
如图3a所示为根据本发明所述螺钉1的布局示意图。包括螺帽2和圆柱形螺纹体3，第一部分4和第二部分6，所述第一部分4带有一通孔5，所述第二部分6带有盲螺纹孔7，所述盲螺纹孔7的攻丝与所述螺纹体3的螺纹相对应。
所述螺钉1会受到沿着箭头T方向产生的拉伸应力，和沿着双向箭头C方向产生的剪切应力，或者同时遭受这两种应力。
所述螺钉1包括一应变计组件8，所述应变计组件8连接到电源及测量一种或多种内应力(未显示)的工具。
在这里所述的测量一种或多种内应力的工具是一电压表，能够在惠斯登电桥的终端测量电压，此点后面会详细说明。
所述应变计组件8既可以通过有线连接9也可以通过无线连接连接到所述电源和所述测量工具，所述有线连接如图3a所示，所述无线连接如图3b所示。在无线连接的情况下，所述应变计组件8连接到一个第一(近场通信)NFC型无线接收发装置8a，电源8b和所述测量工具8c连接到一个第二NFC型无线收发装置8d，所述第一收发装置8a和第二收发装置8b能够相互之间无线传输电源和信息。
更确切地说，所述第一无线收发装置8a包括放大器8e，NFC芯片8f和圆形天线8g，所述圆形天线8g围绕所述放大器8e,上述元件整合在所述应变计组件8中，并构成所述应变计组件8的上部。所述第二无线收发装置8d包括类似的元件(未显示)。
上所述无线通信的优点在于：其允许在所述螺钉1使用寿命期间，在任何时间在所述螺钉1附近配备所述第二收发装置8b，以读取所述螺钉1的应力值，以便于检查所述螺钉1是否被正确拧紧，否则，就要进行重新拧紧。
如图4所示，可以看到所述应变计组件8包含应变计，其安装于圆锥形孔10中,所述圆锥形孔10位于所述螺帽2的上表面2a，所述圆锥形孔10的旋转轴对齐所述圆柱形体3的旋转轴，使得孔10置于螺帽2的中间。
所述应变计通过压焊附接在所述圆锥形孔10中。压焊应以精确的方式进行，以使应变计的变形能够尽可能地反应工件的变形。
所述圆锥形孔10的高度大体上与所述螺帽2的高度相同，但是其也可以低于后者的高度。在这里，所述圆锥形孔10的顶端的角度是90度。可以看到，所述圆锥形孔10的尺寸是不受限制的，这里只是作为一个例子举出，并且所述附图是非限制性示意图。
当所述螺帽2受到应力时，所述圆锥形孔10允许放大所述应变计受到的变形。
事实上在现有技术中，所述应变计设置于螺帽的侧面，或者在螺帽的下表面形成的凹槽中。
在拉伸的情况下，因为所述侧面的底部承受螺钉被拧紧的支撑物的支撑，螺帽在这个位置非常轻微地碰撞，所以位于螺帽侧面的应变计会受到很小的收缩，以及即使是在强烈应力的情况下，位于凹槽中的应变计也只是受到轻微变形，在这一位置，这部分螺钉受到微小的变形。
设置于圆锥形孔10中的应变计比现有技术螺钉中的应变计会更容易变形，因为圆锥形孔10的底部在受到向下张力的情况下将被向下拉，因此，圆锥形孔10的母线将比螺帽的侧面或凹槽延伸地更加明显。
此外，在圆锥形孔10中应变计的布置允许在必要时能够以简单快速的方式检查圆锥形孔，这一点在现有技术中的螺钉是做不到的。
进一步地，在圆锥形孔10中应变计的布置能够保护应变计。事实上，与现有技术相反，应变计不会被工具损坏或过度拧紧。
在这种情况下，所述第一收发装置能够附着在所述圆锥形孔10的壁上，例如，通过压焊将NFC芯片的边缘附着在所述侧壁上，或者相反，压焊于所述螺帽2上表面2a上，在螺钉较小的情况下覆盖圆锥形孔10。
在所述螺帽2的下表面2b上设置有凹槽11，凹槽相邻于所述圆柱形螺纹体3。
所述凹槽11能够确保螺帽2的承载不会太靠近圆柱螺纹体3，并且螺帽2的变形不会依赖其安装位置。事实上，螺钉通过的所述支撑物4中的孔5，通常略宽于螺钉，以帮助螺钉从中通过。因此，在所述螺钉和所述孔之间有空隙，并且螺钉可以以偏移的方式在所述孔中定位，使所述孔的整个周围上的空隙不相同。所述螺帽的承载面取决于所述空隙，如果承载面减小，则应力将变得更加重要并且变形将更加强烈。
由此可以看出变形取决于承载在支撑物4上的所述螺帽2的表面。
不管螺钉1在孔5中的位置如何，凹槽11都能够确保相同的承载表面11a将承载在支承物4上。
在图4中，所述螺钉1位于中间位置，可以理解，不管其往左还是往右偏移，承载表面11a都是相同的。因此，应变计的变形不取决于所述螺钉1在孔5中的位置。
第一实施例
如图5和图6所示，可以知道应变计，特别地四个应变计12a-12d附着在所述圆锥形孔10中。
每个应变计12a-12d都有一主要测量方向，其通过在图4或图5中形成每个应变计12a-12d代表线段的方向来表示。在这里，应变计的主要测量方向是指所述应变计的纵向方向，应变计沿着纵向方向延伸或缩短。
两个第一应变计12a、12c每个均被设置成其主要测量方向，与所述圆锥形孔10的母线对齐，所述母线直径的对置。
两个第二应变计12b-12d每个均被设置成其主要测量方向，在所述圆锥形孔10的壁与平行于所述螺帽2的上表面2a的假想平面相交处的圆上，所述两个应变计直径的对置。
所述四个应变计12a-12d，更普遍地所述应变计组件8的应变计，通过惠斯登电桥13进行电连接，通过两点13a和13b处的电源供电，惠斯登电桥13进一步地连接于测量内应力的工具，在这里为一在两点13c和13d处的电压表。
为了简化阅读，术语R1-R4用于定义所述应变计12a-12d的电阻值。因此提供以下等式1的方程组：
R1＝R(12a)；R2＝R(12b)；
R3＝R(12c)；和R4＝R(12d)。
等式(2)将电阻值R1-R4与输入和输出电压相关连，所述输入和输出电压分别为惠斯登电桥13的Ve(在13a和13b之间施加的电压)和Vs(在13c和13d之间测量的电压)。
(2)Vs＝[Ve.(R1.R3–R2.R4)]/[(R2+R1).(R3+R4)]
在初始状态下，当没有应力施加到所述螺钉1上时，所述应变计12a-12d有相同的电阻值。
因此，通常来说以及在下面的描述中，每个应变计在初始状态均有相同的电阻值R。
在此例中，R1＝R2＝R3＝R4＝R。
通过代入到等式(2)中，得到：
Vs＝[Ve.(R2–R2)]/[(2R).(2R)].
可以知道，因为R2-R2＝0，不管Ve多少,Vs＝0。因此电桥在初始状态下是平衡的。
相反，可以知道，当等式(3)满足：
(3)R1.R3–R2.R4＝0时，
电桥是平衡的。
以下将对在不同拉伸应力的情况下应变计的行为及相关的测量进行测试。
只受到拉伸应力的情况
如图7所示，可以注意到，当拉伸应力T施加于所述螺钉1上时，特别是在拧紧所述螺钉的过程中，所述螺帽2变形然后其上表面2a变成凹面。在如上所述情况下，当第二应变计12b、12d缩短时，第一应变计12a、12c延伸。
所述应变计的电阻值与其长度成正比，并且当应变计延伸时增加，并且当应变计缩短时减少。
然后，第一应变计12a、12c的电阻值增加指定值，如例A，以及第二应变计12b、12d的电阻值减少指定值，如例-B。
通过在等式(1)中的方程组中进行替代，得到:R1＝R3＝R+A，而R2＝R4＝R–B。
然后，通过在等式(3)中进行替代，得到：
R1.R3–R2.R4＝(R+A)2-(R-B)2
＝A2-B2+2RA+2RB≠0。
即使在第一应变计延伸程度等同于第二应变计的缩短程度的情况下，即A＝B，以及通过在等式(3)中用A替代B，得到(3)：＝4RA≠0。
等式(3)不被满足，并且测得非零电压Vs。
已经通过实验证明拉伸应力与电压Vs有数学线性相关关系。换句话说，拉伸应力与测得的电压力成正比。
图8为压力/应力校准直线的一例。为了建立它，在螺钉1上施加不同的已知的拉伸应力，并且测量每个在惠斯登电桥13上的电压。由此，通过在电桥13上测得的已知电压，拉伸应力能够被知晓。
对每种类型的螺钉建立一个这样的校准直线是有必要的，因为每个螺钉的比例系数，即直线的斜率是不同的。事实上，它取决于螺钉1的具体形状，其长度，螺帽2的尺寸和应变计的具体位置。
因此，在实践中，所述螺钉和相关的校准直线会被提供给终端客户，以使客户能够从由用于测定内部应力的工具提供的电压值中知道所述拉伸应力的值。
只受到剪切应力的情况
当只施加剪切应力于螺钉1上时，所述螺帽2会在剪切应力方向上缩短并且在垂直于剪切应力方向上延伸。在此种情况下，第一应变计12a、12c只是轻微变形，并且第二应变计12b、12d根据剪切应力的方向延伸或缩短。
尤其地，当受到沿着穿过应变计12a和12c的轴线的剪切应力时，应变计12b和12d缩短。
因此，应变计12a、12c的电阻值不会改变，或者可忽略地改变，并且第二应变计12b、12d的电阻值会减少相应的值-C。
因此得到R2＝R4＝R-C；和R1＝R3＝R。代入等式(3)中，得到：
(3)＝R2-(R-C)2
＝R2-R2-C2+2RC
＝-C2+2RC≠0。
不满足等式(3)，测量非零电压Vs，由此测量剪切应力。
相似地，面向相同方向的剪切应力会使应变计12b和12c延伸。
由此，得到R2＝R4＝R+C和(3)＝C2-2RC≠0。然后，得到一电压值，所述电压值能够翻译成所述螺钉所承受的剪切应力。然而，这种测量是一个寄生的测量，并且这不是根据本发明第一实施例所述螺钉的目的。
同时受到拉伸应力和剪切应力的情况
在拉伸应力与剪切应力同时被施加的情况下，例如：沿着穿过应变计12a和12c的轴线施加剪切应力，观察到如下应变计的行为：
-在受到拉伸作用下应变计12a和12c延伸，剪切应力会使之产生变形，所述变形非常小并且可以忽略不计；
-在拉伸作用下应变计12b和12d缩短，并且在剪切应力的作用下会进一步缩短。
由此得到：
R1＝R3＝R+A,和
R2＝R4＝R-B-C。
通过等式(3)，可以得到：
(3)＝(R+A)2-(R-B-C)2
＝R2+A2+2RA–R2-B2-C2+2RB+2RC-2BC
在这种情况下，在拉伸应力作用下第一应变计延伸的幅度等于第二应变计短缩的幅度,即A＝B，并且用A取代B代入等式(3)中，仍然得到(3)＝4RA+-C2+2RC-2AC≠0。
可以注意到，测量了由于拉伸应力和剪切应力混合引起的组件中的电阻值。
因此，根据第一实施例的所述螺钉，允许用一种精确的方式测量拉伸应力，只要不存在剪切应力即可。
事实上，能够施加两种应力，即使是在两种应力同时施加的情况下，第二和第三实施例也允许分别测量拉伸应力和剪切应力。
第二实施例
如图9和10所示，可以注意到，根据本发明所述第二实施例，所述螺帽2有8个应变计14a-14h，所述应变计14a-14h附着于圆锥形孔10中。每个应变计14a-14h均有一主要测量方向，如图9所示，形成每个应变计14a-14h的代表线段的指向表示每个应变计的主要测量方向。
四个第一应变计14a-14d的每个被设置于其主要测量方向，与所述圆锥形孔10的一个母线相对齐，并分布成彼此之间角度一致。换一句话说，如图9所示，当螺钉1处于俯视图中，应变计14a-14d中的一个测量方向与其相邻的应变计14a-14d中的两个成直角方向。
四个第二应变计14e-14h的每个被设置于其主要测量方向，在所述圆锥孔10壁与一个平行于所述螺帽2的上表面2a假想平面的交叉处形成的一个圆上，并且在所述圆的圆周上彼此等距离分布。换句话说，应变计14e-14h两两相对，并且应变计14e-14h中的一个与应变计14e-14h中相邻的两个间隔四分之一圆。
进一步地，第二应变计垂直地附着于所述母线，并且位于所述母线中间。换句话说，每条母线穿过第二应变计，垂直地并且在其中间。
在图9和10中，可以注意到，所述螺帽2是六角形帽，并且在所述第一应变计14a-14d中的每个的主测量方向与一母线形成15度角，母线连接所述圆锥形孔10的顶端与一交点，所述交点为圆锥形孔10生成圆与一线段交叉产生，线段连接六角形的两个相对的顶端，六角形定义所述螺帽2的上表面2a外轮廊。换句话说，以圆锥形孔10的顶端作为旋转的中心点，所述第一应变计14a-14d中的一个的主要测量方向相对于一条穿过六角形的两个相对的顶端的直线旋转15度，其中六角形形成螺钉1的螺帽2。因为每个所述第一应变计14a-14d相对于其相邻的两个应变计成90度，所以每个所述应变计14a-14d相对于穿过形成螺帽2的六角形的两个相对的顶端的直线成15度。
类似地，每个所述第二应变计14e-14h均被设置在一个与其他区域有相同惯性的区域。所述第二应变计14e-14h既可以被设置在离所述第一应变计14a-14d较近的区域(如图9所示)，也可以设置成与所述第一应变计14a-14d成一体(如图10所示)，图10中使用了四个双向应变片从。
定位成15度允许在拧紧时对每个应变计14a-14gh提供相同的惯性。事实上，螺帽2是一个六角形的事实使得，在其被拧紧过程中，依据测量位置产生不同强度的应力。
特别地，在一条连接形成螺帽2的六角形的两相对的顶端的轴线上，要移动的材料数量更加重要，因此，相比螺帽2相对的两边的垂直平分线，施加的转动惯性显得更加重要。
因此，通过一个设置于所述轴上的应变计测得的应力会比那些通过设置于所述垂直平分线上的应变计测得的应力低。
定位成15度能够对每个所述应变计14a-14h提供相同的转动惯性。
装置8还可以包括一温度感应器14t，所述温度感应器14t能够测量所述螺帽2的温度变化。
事实上，温度变化能够引起形成螺帽2的材料的膨胀或者收缩，从而拉伸或缩短所述应变计12a-12h，并且温度变化会引起形成螺钉1的材料的伸缩性变化。
进一步地，在没有应力的情况下，应变计的敏感性取决于温度以及应变计的电阻与温度一起增加的零点漂移。因此在测量时将温度考虑进去是有必要的。
根据温度对电阻值的补偿可以在无线测量的情况下，在放大器8e中进行，或者在有线测量的情况下，在测量工具中进行。在两种情况下，温度的补偿均遵循一个规则，规则通过经验或学习建立。
补偿本质上就是一种改正零点漂移和应变计敏感性的众所周知的技术。
在图10中，显示了应变计14a-14h的布局以及惠斯登电桥13的布线。
同样显示了应变计14a-14h的连接布线，应变计14a-14h两两相串联，以使其电阻值相加并形成多组通过惠斯登电桥13相连的应变计。
这样一个装置8可以在，例如，根据ISO4017标准在M4大小的螺钉上实现，即在形成螺帽的六角形的两个相对边之间的距离为7mm的螺钉上实现。
通过等式(1)方程组，可以得到：
R1＝R(14a)+R(14b)；R2＝R(14e)+R(14f)；
R3＝R(14c)+R(14d)；和R4＝R(14g)+R(14h)。
只受到拉伸应力的情况
与第一实施例的应变计12a-12d相类似，当一拉伸力T施加于螺钉1上时，第一应变计14a-14d延伸而第二应变计14e-14h缩短。
因此，第一应变计14a-14d的电阻值增加值D，第二应变计14e-14h的电阻值减少值-E。
代入等式(1)方程组中，得到：R1＝R3＝2R+2D，R2＝R4＝2R–2E。
然后，再代入等式(3)中，得到：
(3)＝(2R+2D)2-(2R-2E)2
＝4D2-4E2+8RD+8RE≠0。
即使在第一应变计延伸的程度和第二应变计缩短的程度一样的情况下，即D＝E，仍然得到(3)＝16RD≠0。
等式(3)不满足，测得非零电压Vs,由此能够导出拉伸应力。
同样，通过实验获得校准直线，校准直线将测得的电压与螺钉的拉伸应力相匹配，最终将拉伸应力及相应的螺钉提供给客户。
只受到剪切应力的情况
当对螺钉1只施加剪切应力时，螺帽2在剪切应力的方向缩短并在与剪切应力垂直的方向上延伸。在这种情况下，第一应变计14a-14d只是轻微地变形并且第二应变计14e-14h根据剪切应力的方向延伸或缩短。
具体地，当一剪切应力沿着穿过应变计14e和14g的轴线被施加时，应变计14e和14g延伸，应变计14f和14h缩短。因此，第一应变计14a-14d的电阻值不变，应变计14e和14g的电阻值增加，应变计14f和14h的电阻值减少。
更具体地，因为第二应变计14e-14h两两相对，应变计14e和14g的电阻值同样的增加值F，并且第二应变计14g和14h的电阻值同样的减少值-G。
因此得到：R2＝R4＝R+F+R-G＝2R+F-G；和
R1＝R3＝2R。
代入等式(3)，得到：
(3)＝(2R)2-(2R+F-G)2
＝-4RF+4RG+2FG-F2-G2
认为所述剪切应力是完美的或接近完美的，所述应变计14e和14g的延伸程度和应变计14f和14h减少的程度是一样的，即F＝G。
在这样一个情况中，满足等式(3),测不到电压。
更普遍地，不管剪切应力的方向和数量，都满足等式(3),并且根据第一实施例，所述螺钉1能够防止在螺帽2中所述拉伸应力的寄生测量，在下面将详细说明。
同时受到拉伸应力和剪切应力的情况
在拉伸应力和剪切应力被同时施加的情况下，例如，一剪切应力沿着穿过应变计12e和12g的轴线被施加，会观察到以下应变计的行为：
-在受到拉伸应力的影响下，应变计14a-14d延伸值D，剪切应力对其没有影响；
-在受到拉伸应力的影响下，应变计14e和14g缩短值E，在受到剪切应力的影响下，应变计14e和14g延伸值F；
-在受到拉伸应力的影响下，应变计14f和14h缩短值E，在受到剪切应力的影响下，应变计14f和14g缩短值G；
因此，得到：
R1＝R3＝2R+2D，和
R2＝R4＝R-E+F+R-E-G＝2R-2E+F-G。
代入等式(3)，得到：(3)
＝(2R+2D)2-(2R-2E+F-G)2
＝4R2+8RD+4D2–4R2+8RE-4RFC+4RG+4EF-4EG+2FG-4E2-F2-G2
明显得，如果考虑剪切应力是完美的或者近乎完美的，那么，应变计14e和14g延伸程度和应变计14f和14h缩短程度是一样的，即F＝G。
那么，得到：(3)＝8RD+4D2+8RE-4E2≠0。可以知道，在剪切应力的影响下，不干预应变计的变形。
即使是在第一应变计延伸程度和第二应变计缩短程度一样的情况下，即D＝E，仍然得到(3)＝16RD≠0。
根据本发明所述第二实施例，使用螺钉1只测到拉伸应力，被测得的值16Rd与只受到拉伸应力的情况下是一样的。
第三实施例
如图11和12所示为本发明第三实施例，螺帽2包括应变计，即用于剪切应力的应变计,特别是四个应变计15a-15d附着于所述圆锥形孔10中。
螺钉1使用螺母16来拧紧，所述螺母16在带有通孔5的第一板4和带有通孔18的第二板17之间。
每个应变计15a-15d均有一主要测量方向，如图11-13所示，形成每个应变计15a-15d的代表性线段的指向，表示了主要测量方向。
第一应变计15a和第二应变计15b设置成使得其主要测量方向在所述圆锥形孔10的第一母线的任一侧上为45度，并且第三应变计15c和第四应变计15d以同样的方式，在与所述圆锥形孔10的第一母线直径对置的另一母线的任一侧上设置成45度。
四个应变计15a-15d通过惠斯登电桥13进行电连接。
通过等式(1)，得到：
(4)R1＝R(15a)；R2＝R(15c)；
R3＝R(15b)；和R4＝R(15d)。
只受到拉伸应力的情况
当一拉伸力T施加于所述螺钉1时，特别是在拧紧的过程中，螺帽2变形所以其上表面2a变得凹陷。在这种情况下，应变计15a-15d会延伸相同值。
因此，第一应变计15a-15d的电阻值增加一固定值H以使R1＝R2＝R3＝R4＝R+H。
代入等式(3)，得到：
(3)(R+H)2-(R+H)2＝0。
等式(3)是满足的，并测得一零电压Vs。因此，根据本发明第三实施例所述螺钉无法测得单独的拉伸应力。
只受到剪切应力的情况
如图13所示，可以知道，当对螺钉1施加一剪切应力时，应变计15a-15d根据剪切应力方向延伸或缩短。
具体地，在由板17沿方向19运动引起的剪切期间，应变计15a和15b延伸，应变计15c和15d缩短。
因此，应变计15a和15d的电阻值增加，增加的值为值I，第二应变计15c和15d的电阻值减少，减少的值为值J，值I与值J相等。
因此，得到：R1＝R3＝R+I和R2＝R4＝R-J。
代入等式(3)中，得到：
(3)＝(R+I)2-(R-J)2
＝I2-J2+2RI+2RJ
即使是在剪切应力被认为是完美的情况中，应变计15a和15d延伸的程度和应变计15c和15d缩短的程度是一样的，即I＝J，并且用I代入J在等式3中，仍然得到：(3)＝4RI≠0。
现在考虑到在由板17沿方向20运动引起的剪切应力，则应变计15a和15c延伸，应变计15b和15d缩短。
因此，应变计15a和15c的电阻值增加为值I，第二应变计15b和15d的电阻值减少为值J，I＝J。
由此，得到：R1＝R2＝R+I和R3＝R4＝R-J。
代入等式(3)，得到：
(3)＝(R+I).(R-J)-(R+I).(R-J)
＝0
在这样一个情况中，满足等式(3)，测得零输出电压Vs，无法测得剪切应力。
根据第三实施例所述螺钉1能够在事先知道其方向时测得其剪切，以便测量施加于螺帽2上的应力。
在同时受到拉伸和剪切的情况下，通过使用与第二实施例相同的逻辑，可以理解只能测得剪切应力。
同样，每种螺钉都能建立校准曲线。
根据一特殊实施例，螺钉1可以同时包括测拉伸应力的12a-12d或14a-14h应变计，和测剪切应力的15a-15d应变计，每个均与如上所述一惠斯登电桥13相连。
因此，这样的一个螺钉既能够测得螺帽2中的拉伸应力，也能够测得螺帽2中已知方向上的剪切应力。
当然，以上所述本发明实施例仅作说明用，并不作为限制本发明的目的，并且在不脱离本发明保护范围的情况下，可以作出相应的改变。

Claims (11)

1.一种螺钉，包括一螺帽(2)和一圆柱形螺纹体(3)，所述螺帽(2)配备有应变计(12a-12d；14a-14h；15a-15d)，应变计设定成随所述螺帽(2)变形而变形，以便测量所述螺钉(1)内的应力；所述应变计(12a-12d；14a-14h；15a-15d)连接或能够连接到电源和测量工具，测量工具用以从所述应变计(12a-12d；14a-14h；15a-15d)的变形来确定螺钉内的至少一个应力的值；其特征在于，螺帽(2)在其上表面(2a)上，具有一圆锥形孔(10)，圆锥形孔具有一旋转轴，旋转轴与所述螺钉(1)的圆柱形螺纹体(3)的旋转轴对齐，并且所述应变计(12a-12d；14a-14h；15a-15d)被设于圆锥形孔(10)的壁上，从而随着圆锥形孔(10)的变形而变形，所述应变计(12a-12d；14a-14h；15a-15d)是定向的，以便测得螺钉(1)内拉伸和剪切应力中所选的至少一种应力，从而确定圆柱形螺纹体(3)内的应力。
2.根据权利要求1所述的螺钉(1)，其特征在于：所述螺帽具备四个第一应变计(14a-14d)，即所谓张力计，和四个第二应变计(14e-14h),也即所谓张力计，其中，所述第一应变计(14a-14d)的每个被设置于其主要测量方向，主要测量方向与所述圆锥形孔(10)的一母线相对齐，并分布成彼此之间均匀的角度，以及所述第二应变计(14e-14h)的每个被设置于其主要测量方向，主要测量方向在所述圆锥孔(10)的壁与一个平行于所述螺帽(2)的上表面(2a)的假想平面交叉处形成一个圆的上面，并且在所述圆的圆周上彼此等距离分布；所述第一应变计(14a-14d)形成两组应变计，每组包含两个第一应变计(14a-14d),两个第一应变计彼此之间相邻及串联连接；所述第二应变计(14e-14h)形成其它两组应变计，每组包含两个第二应变计(14 e-14 h)，两个第二应变计彼此之间相邻及串联连接；这四组应变计通过第一惠斯登电桥(13)连接，或能够连接到电源以及测量工具，所述第一应变计和第二应变计(14a-14h)允许测量螺帽(2)内的内部张力，从而得知所述圆柱形螺纹体(3)内的应力。
3.根据权利要求2所述的螺钉(1)，其特征在于：所述螺帽(2)是一种六角螺帽以及所述第一应变计(14a-14d)中每个的主要测量方向相对于一母线形成一15度的角度，母线连接所述圆锥形孔(10)的顶端到一交点，所述交点为圆锥形孔(10)生成圆与一线段构成，所述线段连接六角形的两个相对的顶端，其中六角形形成所述螺帽(2)的上表面(2a)的外轮廊。
4.根据权利要求2或3所述的螺钉(1)，其特征在于：每个第二应变计(14e-14h)位于所述第一应变计(14a-14d)的相应一个的主要测量方向的中心。
5.根据所述权利要求4所述的螺钉(1)，其特征在于：每个第二应变计(14e-14h)以一双向应变片从的形式，与对应的第一应变计(14a-14d)形成整体。
6.根据权利要求1所述的螺钉(1)，其特征在于：所述螺帽(2)配备有四个应变计(15a-15d)，即所谓的剪切应变计，其中两个应变计(15a,15c)在所述圆锥形孔(10)的一主要母线的任一边被设置成以45度角平行于两条母线，并且两个其他应变计(15b,15d)在所述圆锥形孔(10)的另一主要母线的任一边被设置成以45度角平行于两条母线，并且另一主要母线与所述圆锥形孔(10)的所述一主要母线直径的对置，所述四个应变计(15a-15d)通过第二惠斯登电桥(18)连接或能够连接到电源和测量工具，所述应变计(15a-15d)允许在所述螺帽(2)内测量内部剪切力以便得知圆柱形螺纹体(3)内的应力。
7.根据权利要求1所述的螺钉(1)，其特征在于：所述螺帽配备有四个应变计(12a-12d)，即所谓的张力计，其中，两个应变计(12a，12c)被分别设置于其主要测量方向上，主要测量方向与所述圆锥形孔(10)的一母线对齐，两条母线直径的对置，并且两个其他应变计(12b，12d)的每个被设置于其主要测量方向上，主要测量方向位于由所述圆锥形孔(10)的壁和与所述螺钉(2)的上表面(2a)平行的假想平面的交点处形成的圆上，并且在所述圆的圆周上彼此等距分布，每个应变计设置于所述两条母线中相应的一条的中心，所述四个应变计(12a-12d)通过第一惠斯登桥(13)连接，或能够连接到电源和测量工具，所述应变计(12a-12d)允许在剪切力没有应用于所述螺帽(2)时，测量内部张力。
8.根据权利要求1所述的螺钉(1)，其特征在于：所述圆锥形孔(10)的高度低于或等于螺帽(2)的高度。
9.根据权利要求1所述的螺钉(1)，其特征在于：锥形顶端的角度在70-150度之间。
10.根据权利要求1所述的螺钉(1)，其特征在于：螺帽(2)的下表面形成有一凹槽(11)，与所述圆柱形螺纹体(3)同轴或邻接。
11.根据权利要求1所述的螺钉(1)，其特征在于：所述应变计(12a-12d；14a-14h；15a-15d)以一种无线的方式连接，或能够连接到电源及测量工具；所述应变计(12a-12d；14a-14h；15a-15d)连接到第一近场通信(NFC)型无线收发装置，电源，以及测量工具，测量工具连接到第二近场通信(NFC)型无线收发装置，所述第一近场通信(NFC)型无线收发装置和所述第二近场通信(NFC)型无线收发装置之间能够无线传输电力和信息。
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