CN109563866B - 智能螺栓及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

智能螺栓(10)包括头部区域(40)和螺纹区域(20)。头部区域包括螺栓腔(60)。头部区域与腔的底端之间的距离在操作中根据施加在螺纹区域与头部区域之间的纵向应力而变化，以及螺栓包括用于测量该距离的变化的传感器装置(100)。传感器装置的远端设置成邻近于底端，其中，底端相对于远端的空间位置的变化根据施加至螺栓的应力的变化而发生，从而限定其尺寸根据应力变化的间隙(G)。在操作中经由间隙从源到装置的相应辐射传感器的查询辐射传输生成应力测量信号，处理该应力测量信号以进行无线通信。

Description

智能螺栓及其使用方法
技术领域
本公开涉及具有内置感测功能以测量在操作中对智能螺栓施加的应变的智能螺栓；智能螺栓可操作成用作智能紧固件。此外，本公开涉及测量在操作中施加至上述智能螺栓的应变的方法。此外，本公开涉及制造上述智能螺栓的方法。
背景技术
已经采用铆钉和螺栓连接将部件连接在一起超过一个世纪。然而，与铆钉相比，螺栓连接提供的优点在于：它们可比铆钉更加迅速地应用，当将部件连接在一起时它们比铆钉需要更少的施加到部件上的应力，并且易于随后的移除。然而，螺栓连接需要对其施加预载荷，即导致相应的静态应变的静态应力，以避免例如由于螺栓连接暴露于振动而导致的螺栓连接在操作中变得松动。当螺栓连接由于工作松动而失效时，如果需要通过螺栓连接固定在一起的相应部件变得相互分离，则可能出现潜在的危险情形。
如上所述，在拧紧给定螺栓期间，向给定螺栓施加被称为“预载荷”的轴向力。换言之，“预载荷”是使给定螺栓保持连接至其相应的螺母或螺纹孔的力。如果预载荷的大小不足，则给定螺栓及其相应的非螺纹孔或螺纹孔将松动，并且其紧固功能将失去，即给定螺栓将在操作中失效。
这种预载荷的损失是螺栓连接经常遇到的现象。预载荷的永久性损失的原因包括由于给定螺栓与其相应的螺母或螺纹孔的接触表面之间的沉淀物导致的松劲，由给定螺栓及其相应的螺母或螺纹孔夹紧的部件的材料松弛，当给定螺栓及其相应的螺母或螺纹孔在升高的温度下操作时出现的材料蠕变。预载荷的永久性损失的另一原因可包括例如由于振动和/或动态载荷引起的自松动，这导致给定螺栓及其相应的螺母或螺纹孔在非拧紧的旋转方向上相对于彼此旋转。热膨胀和收缩也是上述预载荷变化的原因，但通常不是永久性的，例如当给定螺栓及其相应的螺母恢复其通常的操作温度时。
由于上述原因，在许多现代工业中通常的做法是定期检查包括螺栓和螺母、或螺栓和相应的螺纹孔的紧固件，以确保它们没有松动。此外，采用次要特征也是已知的，例如施加至螺栓螺纹或尼龙套环的聚合物胶，以防止螺母或相应的螺纹孔与其相应的螺栓变得完全分离，但是这种方法不能令人满意地确保由螺栓及其螺母或螺纹孔夹紧的部分不再紧紧地夹在一起，特别是在聚合物胶或尼龙套环在高温下熔化或分解的情况。
解决检查螺栓连接以检测预载荷的任何损失的问题的现代方法并不令人满意。有两种已知的方法用于检查给定的螺栓连接。第一种方法包括执行扭矩检查，其中，扭矩扳手用于在拧紧的旋转方向上旋转给定螺栓连接的螺栓和/或螺母。然而，关于如何执行这种扭矩检查没有标准或书面接受的做法。此外，扭矩与预载荷之间的关系取决于螺栓螺纹中的摩擦系数以及螺栓头部下方的表面与螺母或螺纹孔的摩擦系数。在安装给定的螺栓连接之后，上述摩擦系数实际上是未知的，因此不可能以任何精度确定螺栓预载荷。第二种方法包括锤击螺栓，并且通过监听相应的声音反馈，试图确定螺栓连接是否松动，例如通过对相应的声音反馈执行傅里叶光谱分析并与傅里叶光谱模板进行比较。
因而，螺栓连接中的预载荷的损失是众所周知的问题，并且目前在大多数行业中通过执行定期检查该问题来解决。这些定期检查通常很昂贵，有导致停机的潜在危险，并且不易生成可量化的检查结果。此外，由于需要专业工具来实施这种检查，因此必须将专业人员和仪器运送到检查地点。
在第WO 2015/150544 A2号公开中，描述了一种智能螺栓，该智能螺栓中包括螺栓腔，其中，附接在智能螺栓的头部附近的激光器用于查询远离智能螺栓的头部的螺栓腔的底端，其中，螺栓腔的底端与螺栓的头部之间的距离的变化随着螺栓因施加至智能螺栓的纵向应力而受到应变而变化，以及其中，测量距离的变化以提供预载荷的相应测量，即通过测量激光探针与螺栓腔的底端之间的距离的变化来确定预载荷。
尽管上述智能螺栓的作用是测量预载荷，并且随着时间的推移也会改变预载荷，但是智能螺栓的结构相对复杂，因此制造成本相对较高。例如，这种复杂性来自于智能螺栓的激光器安装在螺栓的顶端处，即基本上位于智能螺栓的头部，并且光纤束用于将在操作中由激光器生成的激光束向下输送至空腔的底端；需要手动组装工作以将光纤束的各个光纤连接至智能螺栓顶部的控制单元。此外，当修改标准实心螺栓以为智能螺栓提供空腔时，需要大量的加工工作，当实心螺栓由例如不锈钢、Hastelloy-
Figure BDA0001966370630000031
或类似材料的硬质材料制成时，这可能是耗时的。
因此，从前述内容将理解，需要一种改进的智能螺栓来解决已知类型的紧固件的上述缺点。
发明内容
本公开旨在提供改进的智能螺栓，该智能螺栓包括头部区域，头部区域例如经由无螺纹的或有螺纹的颈部区域联接至螺纹区域。
此外，本公开旨在提供一种使用智能螺栓的方法，该智能螺栓包括头部区域，头部区域例如经由无螺纹的或有螺纹的颈部区域联接至螺纹区域。
此外，本公开旨在提供一种包括存储有计算机可读指令的非暂时性计算机可读存储介质的计算机程序产品，计算机可读指令可由包括处理硬件的计算机化设备执行，以执行使用智能螺栓的方法，其中，该智能螺栓包括头部区域，头部区域例如经由无螺纹的或有螺纹的颈部区域联接至螺纹区域。
根据第一方面，提供了一种智能螺栓，该智能螺栓包括联接至螺纹区域的头部区域，其中，该头部区域包括螺栓腔，其中，头部区域与螺栓腔的底端之间的距离在操作中根据施加在螺纹区域与头部区域之间的纵向应力而变化，以及其中，该智能螺栓包括用于测量头部区域与螺栓腔的底端之间的距离的变化的传感器装置，其特征在于：
传感器装置安装在头部区域中，使得传感器装置在空间上以头部区域为参照；以及
传感器装置的远端设置成邻近螺栓腔的底端，以限定位于它们之间的间隙(G)，使得间隙(G)的尺寸根据施加至智能螺栓的纵向应力的变化而响应于螺栓腔的底端相对于传感器装置的远端的空间位置的变化而变化，其中，在操作中经由间隙(G)从传感器装置的查询辐射源到传感器装置的相应辐射传感器的查询辐射传输从辐射传感器生成应力测量信号，该应力测量信号在传感器装置内处理，以用于从智能螺栓进行无线通信。
智能螺栓的优点在于，通过采用经由间隙(G)在操作中发生的辐射传输的测量来测量施加至智能螺栓的应力使得智能螺栓的制造能够更简单且更经济。
可选地，螺栓腔从头部区域延伸至螺纹区域。
可选地，传感器装置安装在凹部内，该凹部形成在头部区域中，以及螺栓腔从凹部的底表面延伸至智能螺栓中。
可选地，螺栓腔沿着智能螺栓的长型中心轴对称地(即，居中地)形成。可替代地，螺栓腔不对称地(即，偏心地)形成，以及螺栓腔的长型轴基本上平行于智能螺栓的长型中心轴。这种布置能够测量在操作时施加至小螺栓的预载荷的不对称性。
可选地，传感器装置包括电源装置和数据处理装置，其中，在操作中向数据处理装置提供来自电源装置的电力，以及其中，数据处理装置可操作成在至少“睡眠状态”和“活动状态”中起作用，其中，数据处理装置可操作成当处于“活动状态”时处理应力测量信号以生成相应的测量数据并从智能螺栓无线地传输测量数据，以及当处于“睡眠状态”时通过停止从智能螺栓发送无线传输来保存电力。
可选地，传感器装置可操作成以循环方式在“睡眠状态”与“活动状态”之间切换，以提供从智能螺栓无线传输的应力测量数据的时间序列。
可选地，传感器装置处于初始休眠状态，并且可切换以用于“睡眠状态”和/或“活动状态”。
可选地，传感器装置在“睡眠状态”下的消耗小于传感器装置在“活动状态”下消耗的电力的1％。
可选地，传感器装置在“睡眠状态”下的消耗小于传感器装置在“活动状态”下消耗的电力的0.1％。
可选地，传感器装置可操作成相对于“活动状态”在时间上超过其操作时间的99％处于“睡眠状态”。
可选地，传感器装置包括用于限定所采用的“活动状态”的重复之间的周期的数字时钟。
可选地，传感器装置包括电源装置，电源装置包括电池。
可选地，电源装置还包括用于从外部环境向智能螺栓收集能量的功率收集装置，其中，功率收集装置包括以下中的至少一个：太阳能收集器、共振感应充电器、包括升压变压器装置的无线能量充电器。
可选地，传感器装置包括天线装置，当传感器装置安装在头部区域内时，该天线装置设置在传感器装置的上暴露表面处。
可选地，传感器装置实施为整体部件，其通过将传感器装置的至少一部分插入螺栓腔中进行安装。
可选地，传感器装置可操作成以对等(P2P)方式实现经处理的应力测量信号的无线通信，并且传感器装置可操作成用作用于中继对等(P2P)传输的对等(P2P)通信节点。
可选地，智能螺栓的头部区域及其螺纹区域由以下中的至少一种制成：金属、金属合金、烧结金属粉末材料、陶瓷材料、塑料材料、聚合物材料、非晶材料。
可选地，智能螺栓布置成可在水生环境中操作，以及使用其处理的测量信号从传感器装置到智能螺栓外部的导电通信路径的电容耦合来经由导电通信路径传输其处理的测量信号。
可选地，传感器装置封装在聚合塑料材料中，并使用粘合剂固定在智能螺栓内。
可选地，传感器装置还包括：
查询辐射源，用于照亮螺栓腔的底端；
辐射传感器，用于接收从螺栓腔的底端返回的辐射，以测量智能螺栓的伸长度；
数据处理装置，用于从辐射传感器接收测量信号，其中，该数据处理装置通过采用具有内置无线通信功能的低功率微控制器而提供有无线通信功能；以及
电源装置，用于为数据处理装置和查询辐射源提供操作电源，该电源装置还包括以下中的至少一个：用于向智能螺栓提供电力的多个电容器、多个不可充电电池、多个可充电电池、多个太阳能电池、多个共振感应功率耦合装置。
可选地，内置无线通信功能通过使用Blue
Figure BDA0001966370630000061
来提供。
可选地，查询辐射源(200A)还包括固态激光器、发光二极管和纳米线辐射源中的至少一个。
可选地，数据处理装置配置成：
通过使用利用第一元件和第二元件进行的对来自查询辐射源(200A)的辐射的差分测量来处理测量信号，其中，第一元件提供对来自查询辐射源(200A)的辐射的大小的测量，以及第二元件提供对来自查询辐射源(200A)的、经由间隙(G)传输的辐射的测量；以及
通过使用样条算法中的至少一种使测量结果线性化来处理测量信号。
可选地，智能螺栓经由通信网络可通信地联接至至少一个远程设备，以及其中，智能螺栓可操作成将与其有关的数据传输至至少一个远程设备，其中，与智能螺栓有关的数据包括以下中的至少一个：(i)应力测量信号，(ii)经处理的应力测量信号，(ii)智能螺栓的操作状态，另外，其中，至少一个远程设备可操作成处理与智能螺栓有关的数据，以监控和/或控制智能螺栓。
可选地，至少一个远程设备可操作成存储与智能螺栓有关的数据。
可选地，至少一个远程设备从包括以下的组中选取：计算设备、服务器、数据库、物联网(IoT)设备、可编程逻辑控制器(PLC)单元。
可选地，传感器装置可安装在智能螺栓的螺栓腔中，该智能螺栓包括联接至螺纹区域的头部区域，其中，头部区域与螺栓腔的底端之间的距离在操作中根据施加在螺纹区域与头部区域之间的纵向应力而变化，以及其中，传感器装置可操作成测量头部区域与螺栓腔的底端之间的距离的变化，其中：
传感器装置可安装在头部区域中，使得传感器装置在空间上以头部区域为参照；以及
传感器装置可安装成使得传感器装置的远端设置成邻近螺栓腔的底端，使得螺栓腔的底端相对于传感器装置的远端的空间位置的变化根据施加至智能螺栓的纵向应力的变化而发生，从而限定其尺寸根据纵向应力的变化而变化的间隙，其中，传感器装置可操作成在操作中提供经由间隙(G)从传感器装置的查询辐射源到传感器装置的相应辐射传感器的查询辐射传输，以从辐射传感器生成应力测量信号，该应力测量信号可在传感器装置内处理，以用于从智能螺栓进行无线通信。
根据第二方面，提供了一种使用智能螺栓的方法，该智能螺栓包括联接至螺纹区域的头部区域，其中，该头部区域包括螺栓腔，其中，头部区域与螺栓腔的底端之间的距离在操作中根据施加在螺纹区域与头部区域之间的纵向应力而变化，以及其中，该智能螺栓包括用于测量头部区域与螺栓腔的底端之间的距离的变化的传感器装置，其特征在于，该方法包括：
将传感器装置布置成安装在头部区域中，使得传感器装置在空间上以头部区域为参照；以及
将传感器装置的远端布置成邻近螺栓腔的底端设置，以限定位于它们之间的间隙(G)，使得间隙(G)的尺寸响应于根据施加至智能螺栓的纵向应力的变化而发生的螺栓腔的底端相对于传感器装置的远端的空间位置的变化而变化，其中，在操作中经由间隙(G)从传感器装置的查询辐射源到传感器装置的相应辐射传感器的查询辐射传输从辐射传感器生成应力测量信号，该应力测量信号在传感器装置内处理，以用于从智能螺栓进行无线通信。
根据第三方面，提供了一种包括存储有计算机可读指令的非暂时性计算机可读存储介质的计算机程序产品，计算机可读指令可由包括处理硬件的计算机化设备执行，以执行使用智能螺栓的方法，如上文中公开的，该智能螺栓包括联接至螺纹区域的头部区域。
应理解，在不背离如所附权利要求所限定的本发明的范围的情况下，容易将发明的特征以各种组合进行组合。
本公开的实施方式基本上消除或至少部分地解决了现有技术中的上述问题，并且能够自动检查和报告其操作状态，特别是对智能螺栓的预载荷的测量。
附图说明
当结合附图进行阅读时，会更好地理解上述发明内容以及下列说明性实施方式的详细描述。为了对本公开进行说明，在附图中示出了本公开的示例性结构。然而，本公开并不局限于本文中公开的具体方法和机构。此外，本领域技术人员应理解附图不是按比例绘制的。只要可能，由相同的标号指示相同的元件。
现在将仅以示例的方式参照附图描述本公开的实施方式，在附图中：
图1是根据本公开的实施方式的智能螺栓的图示；
图2是根据本公开的实施方式的智能螺栓的传感器装置的图示；
图3是根据本公开的实施方式的在插入到托架中之前的印刷电路板的图示；
图4示出根据本公开的实施方式的用于可滑动地插入托架的上方和端部的靶的侧视图；
图5和图6示出根据本公开的实施方式的智能螺栓的操作；
图7是根据本公开的实施方式的智能螺栓以及智能螺栓的传感器装置的不同部分的图示；
图8是根据本公开的实施方式的示例性通信系统，该示例性通信系统包括空间上布置在螺栓组件附近的一个或多个路由器；
图9是本公开的另一实施方式可操作以起作用的示例性环境；
图10是本公开的又一实施方式可操作以起作用的示例性环境；
图11是本公开的再一实施方式可操作以起作用的示例性环境；以及
图12、图13和图14示出根据本公开的各种实施方式的与至少一个远程设备通信的智能螺栓的示例性实施例。
在附图中，采用下划线标号来表示下划线标号所在的项或与下划线标号相邻的项。在附图中，未加下划线的标号是指由将未加下划线的标号链接到项的线标识的项。当标号未加下划线且附有相关联的箭头时，未加下划线的标号用于标识箭头指向的常规项。
具体实施方式
以下详细描述示出了本公开的实施方式和可实现它们的方式。尽管已公开了执行本公开的一些模式，但是本领域技术人员应认识到还可能有用于执行或实践本公开的其它实施方式。
在一个方面，提供了一种智能螺栓，该智能螺栓包括联接至螺纹区域的头部区域，其中，头部区域包括螺栓腔，其中，头部区域与螺栓腔的底端之间的距离在操作中根据施加在螺纹区域与头部区域之间的纵向应力而改变，以及其中，该智能螺栓包括用于测量头部区域与螺栓腔的底端之间的距离的变化的传感器装置，其特征在于：
传感器装置安装在头部区域中，使得传感器装置对于头部区域在空间上被参照；以及
传感器装置的远端设置成邻近螺栓腔的底端，以限定在它们之间的间隙(G)，使得间隙(G)的尺寸响应于根据施加至智能螺栓的纵向应力的变化而发生的螺栓腔的底端相对于传感器装置的远端的空间位置的变化而变化，其中，在操作中经由间隙(G)从传感器装置的查询辐射源到传感器装置的相应辐射传感器的查询辐射传输从辐射传感器生成应力测量信号，该应力测量信号在传感器装置内处理，以从智能螺栓进行无线通信。
智能螺栓的优点在于，通过采用经由间隙(G)测量在操作中发生的辐射传输来测量施加至智能螺栓的应力使得智能螺栓的制造能够更简单且更经济。
可选地，对于智能螺栓，螺栓腔从头部区域延伸至螺纹区域中。
可选地，对于智能螺栓，传感器装置安装在头部区域的凹部内，以及螺栓腔从凹部的底表面延伸至智能螺栓中。
可选地，对于智能螺栓，传感器装置包括电源装置和数据处理装置，其中，在操作中向数据处理装置提供来自电源装置的电力，以及其中，数据处理装置可操作成在至少“睡眠状态”和“活动状态”时起作用，其中，数据处理装置可操作成当处于“活动状态”时处理应力测量信号以生成相应的测量数据并从智能螺栓无线地传输测量数据，并且当处于“睡眠状态”时通过停止从智能螺栓发送无线传输来节省电力。
更可选地，对于智能螺栓，传感器装置可操作成以循环方式在“睡眠状态”与“活动状态”之间切换，以提供从智能螺栓无线传输的应力测量数据的时间序列。
更可选地，对于智能螺栓，传感器装置处于初始休眠状态，并且可切换以用于“睡眠状态”和/或“活动状态”。
更可选地，对于智能螺栓，传感器装置在“睡眠状态”下消耗的电力小于传感器装置在“活动状态”下消耗的电力的1％。
更可选地，对于智能螺栓，传感器装置在“睡眠状态”下消耗的电力小于传感器装置在“活动状态”下消耗的电力的0.1％。
更可选地，对于智能螺栓，传感器装置可操作成相对于“活动状态”在时间上超过其操作时间的99％处于“睡眠状态”。
更可选地，对于智能螺栓，传感器装置包括数字时钟，以用于限定所采用的“活动状态”的重复之间的周期。
可选地，对于智能螺栓，传感器装置包括电源装置，该电源装置包括电池。
更可选地，对于智能螺栓，电源装置还包括用于将能量从外部环境收集到智能螺栓的功率收集装置，其中，功率收集装置包括以下中的至少一个：太阳能收集器、共振感应充电器、包括升压变压器装置的无线能量充电器。
可选地，对于智能螺栓，传感器装置包括天线装置，当传感器装置安装在头部区域内时，该天线装置设置在传感器装置的上暴露表面处。
可选地，对于智能螺栓，传感器装置实施为整体部件，其通过将传感器装置的至少一部分插入螺栓腔中进行安装。
可选地，对于智能螺栓，传感器装置可操作成以对等(P2P)方式实现经处理的应力测量信号的无线通信，并且传感器装置可操作成用作用于中继对等(P2P)传输的对等(P2P)通信节点。
可选地，智能螺栓的头部区域及其螺纹区域由以下中的至少一种制成：金属、金属合金、烧结金属粉末材料、陶瓷材料、塑料材料、聚合物材料、无定形材料。
可选地，智能螺栓布置成可在水生环境中操作，以及使用其处理的测量信号的从传感器装置到智能螺栓外部的导电通信路径的电容耦合来经由导电通信路径传输其处理的测量信号。
可选地，对于智能螺栓，传感器装置封装在聚合塑料材料中，并使用粘合剂固定在智能螺栓内。
可选地，对于智能螺栓，传感器装置还包括：
查询辐射源，用于照亮螺栓腔的底端；
辐射传感器，用于接收从螺栓腔的底端返回的辐射，其中，该辐射用于测量智能螺栓的伸长度；
数据处理装置，用于从辐射传感器接收测量信号，其中，该数据处理装置通过采用具有内置无线通信功能的低功率微控制器而提供有无线通信功能；以及
电源装置，用于为数据处理装置和查询辐射源提供操作电源，该电源装置还包括以下中的至少一个：用于向智能螺栓提供电力的多个电容器、多个不可充电电池、多个可充电电池、多个太阳能电池、多个共振感应功率耦合装置。
可选地，对于智能螺栓，通过利用近场无线通信协议，例如通过使用Blue
Figure BDA0001966370630000111
来提供内置无线通信功能。
可选地，对于智能螺栓，查询辐射源还包括固态激光器、发光二极管和纳米线辐射源中的至少一个。其它查询辐射源也是可行的，例如场致发光源、白炽光源等。
可选地，对于智能螺栓，数据处理装置配置成：
通过使用利用第一元件和第二元件进行的对来自查询辐射源的辐射的差分测量来处理测量信号，其中，第一元件提供对来自查询辐射源的辐射的大小的测量，以及第二元件提供对来自查询辐射源的、经由间隙(G)传输的辐射的测量；以及
通过使用多项式算法(例如，样条算法)使测量结果线性化来处理测量信号。
可选地，智能螺栓可经由通信网络通信地联接至至少一个远程设备，以及其中，智能螺栓可操作成将与其有关的数据传输至至少一个远程设备，其中，与智能螺栓有关的数据包括以下中的至少一个：(i)应力测量信号，(ii)经处理的应力测量信号，(ii)智能螺栓的操作状态，另外，其中，至少一个远程设备可操作成处理与智能螺栓有关的数据，从而监控和/或控制智能螺栓。
可选地，至少一个远程设备可操作成存储与智能螺栓有关的数据。
可选地，至少一个远程设备从包括以下的组中选取：计算设备、服务器、数据库、物联网(IoT)设备、可编程逻辑控制器(PLC)单元。
在另一方面，提供了一种使用智能螺栓的方法，其中，该智能螺栓包括联接至螺纹区域的头部区域，其中，该头部区域包括螺栓腔，其中，头部区域与螺栓腔的底端之间的距离在操作中根据施加在螺纹区域与头部区域之间的纵向应力而变化，以及其中，该智能螺栓包括用于测量头部区域与螺栓腔的底端之间的距离的变化的传感器装置，其特征在于，该方法包括：
将传感器装置布置成安装在头部区域中，使得传感器装置在空间上参照头部区域；以及
将传感器装置的远端布置成邻近螺栓腔的底端设置，以限定它们之间的间隙(G)，使得间隙(G)的尺寸响应于根据施加至智能螺栓的纵向应力的变化而发生的螺栓腔的底端相对于传感器装置的远端的空间位置的变化而变化，其中，在操作中经由间隙(G)从传感器装置的查询辐射源到传感器装置的相应辐射传感器的查询辐射传输从辐射传感器生成应力测量信号，该应力测量信号在传感器装置内处理，以用于从智能螺栓进行无线通信。
在又一方面，提供了一种包括存储有计算机可读指令的非暂时性计算机可读存储介质的计算机程序产品，计算机可读指令可由包括处理硬件的计算机化设备执行，以执行上述方法。
本公开的实施方式旨在提供一种智能螺栓，该智能螺栓易于以相对较低的成本大批量制造，即作为在制造期间不需要高精度的“批量产品”。在实施方式中，术语“螺栓”或“螺杆”或其它相关术语可互换地使用，并且不是必然限制本公开的范围。
此外，智能螺栓包括联接至螺纹区域的头部区域。在一个实施方式中，智能螺栓的头部区域及其螺纹区域由以下中的至少一种制成：金属、金属合金、烧结金属粉末材料、陶瓷材料、聚合物材料(例如，PEEK)、非晶材料(例如，非晶玻璃状材料)。
头部区域包括智能螺栓的螺栓腔。在实施方式中，螺栓腔从头部区域延伸至螺纹区域中。此外，头部区域与螺栓腔的底端之间的距离在操作中可根据施加在智能螺栓的螺纹区域与头部区域之间的纵向应力而变化。在实施方式中，智能螺栓包括头部区域和螺纹区域，其中，头部区域例如具有六角形设置的接合表面以接收扭矩扳手。在头部区域中，提供了用于容纳上述传感器装置的凹部。此外，螺栓腔可从凹部的底部延伸至螺纹区域的大致中间。
此外，螺栓腔可沿着智能螺栓的中心长型轴设置，但不是必然如此；例如，螺栓腔可选地是轴偏移的，而不是在轴上，允许测量施加的预载荷的不对称性。例如，当智能螺栓具有相对大的尺寸，例如M24或更大时，智能螺栓包括多个螺栓腔，其中，每个腔均设置有其自己的用于测量应变的传感器装置；这样的多个螺栓腔使得能够测量预载荷的不对称性以及沿着智能螺栓的中心长型轴在中心测量。此外，使用多个螺栓腔(每个螺栓腔均具有其自己的用于测量应变的相应传感器装置)提供了高度的操作可靠性，因为在一个螺栓腔例如由于其传感器装置的故障而变得不起作用的情况下，如前所述，螺栓腔中的其它及其相关联的传感器装置将能够继续提供测量。可选地，在多个螺栓腔中的一个及其相关联的传感器装置失效的情况下，可通过计算多个螺栓腔的其它操作螺栓腔中的应力来推知与失效的螺栓腔相关联的应变。与具有与智能螺栓类似的材料但其中没有螺栓腔的相应传统螺栓相比，螺栓腔对智能螺栓的机械鲁棒性和强度具有相对小的影响。可选地，智能螺栓可以以不锈钢合金、烧结金属粉末材料或硬质陶瓷材料或者甚至诸如PEEK的聚合物材料实施为M10螺栓，或者比M10更大的尺寸。在示例中，螺栓腔可具有约12毫米的纵向长度和约5毫米的直径。有利地，凹部和螺栓腔可形成有倒角边缘，以避免提供任何应力升高点，应力升高点可能导致智能螺栓在操作中受到应力时过早断裂。
为了使螺栓腔的成型尽可能容易且成本有效，有利的是在制造智能螺栓时使用螺栓坯料的冷成型。然而，有利地，在当智能螺栓沿其长型轴受到纵向应力时出现应变的情况下，螺栓腔必须突出到智能螺栓的柄部中。智能螺栓的机械强度由螺纹部分决定。在示例性实施方式中，智能螺栓包括例如对应于智能螺栓的柄部的无螺纹部分的颈部区域；然而，对于某些螺栓，柄部也会设置有螺纹。在实施方式中，柄部仍然比螺纹部分更坚固。此外，智能螺栓的头部区域中的凹部可能基本上不影响头部区域的强度。
在一个实施方式中，当使用智能螺栓将部件夹持在一起时，螺纹区域可操作成与螺母或螺纹孔(例如，金属板中的螺纹孔)接合。本领域技术人员应理解，术语“螺母”或“螺纹孔”或其它相关术语可互换地使用，并且不限制本公开的范围。
此外，智能螺栓包括传感器装置，该传感器装置配置成测量头部区域与螺栓腔的底端之间的距离的变化。在实施方式中，传感器装置安装在头部区域中，使得传感器装置在空间上参照头部区域。在一个实施方式中，传感器装置的远端可设置成邻近于螺栓腔的底端，使得螺栓腔的底端相对于传感器装置的远端的空间位置的变化根据施加至智能螺栓的纵向纵向应力的变化而发生，从而限定其尺寸可根据纵向纵向应力的变化而变化的间隙“G”。
在实施方式中，传感器装置还包括查询辐射源和相应的辐射传感器。此外，在操作中经由间隙“G”从传感器装置的查询辐射源到传感器装置的相应辐射传感器的查询辐射传输可从辐射传感器生成应力测量信号，该应力测量信号在传感器装置内处理，以用于从智能螺栓进行无线通信。
在一个实施方式中，传感器装置可实施为单个单元，并且传感器装置可操作成查询预成形在智能螺栓中的螺栓腔。例如，当智能螺栓最初在制造期间锻造或加工时。在实施方式中，在制造期间将传感器装置推入螺栓腔中。此外，传感器装置有利地设计成能够应对螺栓腔的空间尺寸的相对大的变化，使得传感器装置的一种设计可以在智能螺栓的尺寸范围内(例如，从M8到M30大小)采用。
在一个实施方式中，传感器装置安装在智能螺栓的头部区域中，使得传感器装置在空间上参照智能螺栓。可替代地，传感器装置可安装在凹部内，该凹部形成在头部区域中，以及螺栓腔可从凹部的底表面延伸至智能螺栓中。
在一个实施方式中，传感器装置包括天线装置，当传感器装置安装在头部区域内时，该天线装置设置在传感器装置的上暴露表面处。
此外，传感器装置可实施为整体部件，其可通过将传感器装置的至少一部分插入螺栓腔中进行安装。此外，传感器装置配置成确定智能螺栓中的预载荷，以及用于将感测到的测量数据无线通信至数据库。数据库可在空间上远离智能螺栓，例如，可经由使用GSM、Wi-Fi或其它无线网络来完成将感测到的测量数据通信至数据库。此外，在实施方式中，数据库存在于计算设备中，诸如远离智能螺栓定位的计算机。可选地，当多个智能螺栓安装成空间上相互邻近时，智能螺栓可操作成将它们感测到的测量数据以对等(“P2P”)通信的形式从一个智能螺栓传输至另一个。可替代地或另外地，当多个智能螺栓安装成或布置成在空间上相互邻近时，则智能螺栓可操作成以以太网通信的形式传输其感测到的测量数据。可替代地，智能螺栓可在与其共用的通信信道中无线地传输它们的数据；可选地，在两个或更多个智能螺栓同时地传输它们感测到的测量数据的情况下，检测这种同时传输，然后在等待期之后进行一次或多次重新传输所感测到的测量数据的尝试。等待期可以是预定义的等待期，例如但不限于5秒、10秒、20秒、1分钟、30分钟等。以太网形式的通信与海底操作高度相关，其中，智能螺栓被密封以防止盐水进入，并且经由导体提供通信路径，例如柔性聚合物涂覆的配线或扁平导电轨道，该通信路径规划成非常接近智能螺栓中的每个的头部，以允许信号从智能螺栓的传感器装置到柔性聚合物涂覆的配线或扁平导电轨道的无线电容耦合，并且如果需要，反之亦然；柔性聚合物涂覆的配线或扁平导电轨道规划至数据接收器，该数据接收器可操作成从智能螺栓接收所感测到的测量数据并且将数据进一步中继或以其他方式通信至数据库。可选地，柔性聚合物涂覆的配线或扁平导电轨道布置成压力配合接合(例如，跨距-压力配合接合)到智能螺栓的头部上，以便能够例如通过潜水员在海底环境中(例如在海上石油和天然气勘探和/或生产设施中)操作来实现智能螺栓的快速安装。可选地，智能螺栓的操作功率或至少用于为智能螺栓的电池和/或电容器充电的操作功率也经由柔性聚合物涂覆的配线或扁平导电轨道经由电容(即，经由建立电场静电地)耦合的交流(AC)信号来提供，该信号具有与由智能螺栓发出的测量信号的频谱不同的频谱，其中，测量信号指示测量的应变，因此也指示测量的应力。还可替代地，柔性聚合物涂覆的配线或扁平导电轨道以交流(AC)信号周期性地激励，该交流(AC)信号对智能螺栓的电池和/或电容器充电。智能螺栓在不存在交流(AC)信号的“静止”周期中通信其应变测量数据。
在实施方式中，传感器装置旨在安装到形成在内部的螺栓腔中，例如，标准质量生产类型的螺栓/螺杆或柱螺栓。在一个实施方式中，传感器装置包括查询辐射源、传感器、数据处理装置和电源装置。
查询辐射源配置成采用查询辐射。查询辐射源的示例可包括但不限于固态激光器、发光二极管、有机发光二极管、(等离子体共振)纳米线辐射源(其中，当电流流过纳米线时，光可通过纳米线中的等离子体共振来发出，达到可接近50％的量子效率)等。此外，查询辐射可由用于照亮螺栓腔的底端的源采用。
在实施方式中，传感器装置的传感器配置成接收从螺栓腔的底端返回的辐射，以用于测量智能螺栓的伸长度。在实例中，从螺栓腔的底端返回的接收到的辐射的大小各不相同，因为智能螺栓可能由于向其施加的纵向应力而经受应变。
可选地，智能螺栓可经由通信网络通信地联接至至少一个远程设备，以及其中，智能螺栓可操作成将与其有关的数据传输至至少一个远程设备，其中，与智能螺栓有关的数据包括以下中的至少一个：(i)应力测量信号，(ii)经处理的应力测量信号，(ii)智能螺栓的操作状态，另外，其中，至少一个远程设备可操作成处理与智能螺栓有关的数据，以监控和/或控制智能螺栓。在这样的实例中，通信网络允许在智能螺栓与至少一个远程设备之间传输与智能螺栓有关的数据。
此外，可选地，至少一个远程设备可操作成存储与智能螺栓有关的数据。在这样的实例中，至少一个远程设备可将与智能螺栓有关的数据存储在与至少一个远程设备相关联的至少一个存储单元中。
可选地，通信网络是无线通信网络。可替代地，可选地，通信网络是有线通信网络。在实施方式中，用于可通信地联接智能螺栓和至少一个远程设备的通信网络包括但不限于因特网TCP/IP、Wi-Fi、蜂窝网络、无线电网络、Blue
Figure BDA0001966370630000171
LoRaTM、LoRaWANTM、控制器区域网(CAN)、本地互连网络(LIN)。应理解，为了促进它们之间的通信，智能螺栓和至少一个远程设备两者都包括彼此兼容同时还与通信网络兼容的通信模块。此外，可选地，通信网络是双向的。因此，通信网络允许从智能螺栓到至少一个远程设备的通信，以及从至少一个远程设备到智能螺栓的通信。
可选地，传感器装置包括智能螺栓的通信模块。在这样的实例中，智能螺栓的传感器装置可操作成将与智能螺栓有关的数据传输至至少一个远程设备。可选地，数据处理装置包括智能螺栓的通信模块。在这样的实例中，智能螺栓的数据处理装置可操作成将与智能螺栓有关的数据传输至至少一个远程设备。作为示例，数据处理装置可包括无线通信部件以实现智能螺栓的通信模块。
如先前所提及的，可选地，与智能螺栓有关的数据包括以下中的至少一个：(i)经处理的应力测量信号，(ii)智能螺栓的操作状态。可选地，就此而言，智能螺栓的操作状态包括以下中的至少一个：智能螺栓中的预载荷、智能螺栓的温度、智能螺栓的操作时间、智能螺栓的位置、智能螺栓的ID参考、智能螺栓类型、智能螺栓的电池状态、智能螺栓状态、智能螺栓的检查间隔。
此外，可选地，至少一个远程设备从包括以下的组中选取：计算设备、服务器、数据库、物联网(IoT)设备、可编程逻辑控制器(PLC)单元。
此外，可选地，智能螺栓可经由至少一个网络设备通信地联接至至少一个远程设备。这种网络设备的示例包括但不限于路由器、集线器卡、网关。在这样的实例中，与智能螺栓有关的数据传输至至少一个网络设备，从而这种数据传输至至少一个远程设备。可选地，与智能螺栓有关的数据由至少一个网络设备处理，此后再传输至至少一个远程设备。
此外，可选地，至少一个远程设备可通信地联接至与智能螺栓的最终用户相关联的设备。在这样的实例中，用户可利用设备访问至少一个远程设备，以便控制智能螺栓。这种与智能螺栓的最终用户相关联的设备还可称作“用户设备”。该设备的示例包括但不限于台式计算机、膝上型计算机、平板计算机和智能手机。
在示例性实施例中，智能螺栓可经由因特网通信地联接至服务器(例如，云服务器)。在这样的实例中，智能螺栓的传感器装置可操作成将应力测量信号传输至云服务器。此外，可选地，传感器装置可经由网络设备通信地联接至云服务器，其中，网络设备诸如为路由器和与路由器相关联的集线器卡。因此，在这种实施例中，传感器装置将应力测量信号传输至路由器，从而将应力测量信号传输至云服务器。在云服务器处，可处理、解译、可视化、记录和存储应力测量信号。因此，云服务器控制智能螺栓。此外，可选地，智能螺栓的最终用户可利用用于访问云服务器的用户设备(例如，台式计算机、膝上型计算机、智能手机等)来控制智能螺栓。
在另一示例性实施例中，智能螺栓可经由集线器卡通信地联接至可编程逻辑控制器(PLC)单元。在这样的实施例中，智能螺栓的传感器装置将与智能螺栓有关的数据传输至集线器卡。集线器卡可选地通过将应力测量信号转换成力测量来处理与智能螺栓有关的数据。此后，力测量通过集线器卡传输至可编程逻辑控制器(PLC)单元。
在又一示例性实施例中，智能螺栓可经由控制器区域网(CAN)或本地互联网络(LIN)系统通信地联接至多个计算设备。在这样的实施例中，智能螺栓可经由集线器卡通信地联接至多个计算设备。因此，作为示例，智能螺栓的传感器装置将与智能螺栓有关的数据传输至集线器卡，其中，这种数据包括应力测量信号和智能螺栓的操作状态。此外，集线器卡可操作成将应力测量信号转换成力测量。此后，力测量和智能螺栓的操作状态通过集线器卡传输至多个计算设备。在一个实施方式中，数据处理装置配置成从辐射传感器接收测量信号并用于激励查询辐射源。此外，数据处理装置可例如通过采用具有内置Blue
Figure BDA0001966370630000191
LoRaTM、LoRaWANTM或类似无线通信功能的低功率微控制器而提供有无线通信功能。LoRaTM是双路无线解决方案，其补充机器对机器(M2M)蜂窝基础设施。LoRaTM可将电池供电的移动设备连接至网络基础设施。LoRaTM还可将电池供电的移动设备连接至网络基础设施。LoRaWANTM是低功率广域网，旨在用于区域、国家和全球网络中的无线操作。网络架构通常以终端设备到网关到网络服务器的配置部署。LoRaTM对于诸如物联网和M2M的电池操作的传感器是理想的。
在一个实施方式中，柱螺栓是外螺纹无头紧固件。另外，由于伸长度取决于标距长度，因此难以通过柱螺栓中的伸长度来测量预载荷。对于柱螺栓，标距长度可根据螺母的位置而变化。在这种情况下，传感器和标距长度与柱螺栓的无螺纹部分隔离开。以这种方式，标距长度总是相同的并且螺母位置不影响伸长度。
在实施方式中，数据处理装置配置成通过使用利用第一元件和第二元件进行的光的差分测量来处理测量信号。在另一实施方式中，数据处理装置配置成通过使用合适的算法使测量结果线性化来处理测量信号，所述算法诸如但不限于多项式算法、样条算法、查找表转换。
在一个实施方式中，电源装置配置成为数据处理装置和查询辐射源提供操作电源。电源装置包括以下中的至少一个：电容器(例如，超级电容器)、不可充电电池、可充电电池，太阳能电池(例如，太阳能膜、太阳能收集器、半导体光伏太阳能电池、有机染料太阳能电池)、用于向智能螺栓提供电源的共振感应功率耦合装置、包括升压变压器装置的无线能量充电器、或任何其它能量收集装置以及这些的组合。可选地，电压升压变压器装置实施为例如由极化的锆钛酸铅制成的共振压电(PZT)设备。能量收集装置包括例如接收由天线截获的调制的环境电磁无线信号以生成相应的解调信号，该信号用于驱动共振压电共振升压变压器，对该共振压电共振升压变压器的输出进行整流以向智能螺栓提供操作功率(例如，几伏的电势)。
此外，传感器装置可有利地安装在托架内并且封装在耐用的保护性塑料材料中，该塑料材料可承受紫外线暴露、振动暴露、冲击、震动、腐蚀性物质、湿气和磁性。以这种方式，传感器装置有利地实施为整体部件，从物流的观点来看整体部件是实用的，并且在制造、翻新和/或修理期间易于安装。甚至智能螺栓的最终用户也可在接受适度培训后自行安装传感器装置。
在实施方式中，传感器装置还包括用于安装在螺栓腔的底部的靶，例如，该靶压力配合或粘合地保持在螺栓腔的底部处。此外，传感器装置可操作成在测量头部区域与螺栓腔的底端之间的距离时查询靶。
在实施方式中，传感器装置放置在上述托架内，该托架具有容纳在凹部中的上部和容纳在螺栓腔内的下部。上部可实施为具有圆形外围边缘的平面部件。此外，下部设置成其长型轴与上部的平面基本上正交，如图所示，并且在上部的大致中心处连接至上部。塑料材料托架的上部和下部有利地是集成塑料材料模制部件，例如尼龙、聚乙烯、聚丙烯或类似物；可选地，采用PEEK来制造用于高要求应用的塑料材料托架。高要求应用的示例包括但不限于智能螺栓需要在升高的温度或高温(例如，200摄氏度(200℃))下长时间起作用的情形。
在一个实施方式中，塑料材料托架的上部包括电池，例如该电池实施为圆形的盘状钮扣电池。可选地，在电池的上暴露表面上安装有太阳能膜或太阳能光伏电池，当电池实施为可充电电池时，该太阳膜或太阳能光伏电池可操作成将太阳光或类似的电磁辐射转换成用于对电池充电的充电电流。
在一个实施方式中，传感器装置包括围绕电池的至少一部分的贴片天线，以用于提供信号的无线传输，以及可选地无线传输信号。可选地，传感器装置封装在保护性塑料材料的层中，如前所述，塑料材料例如为基本上光学透明的树脂或基本上光学透明的柔性材料(诸如，硅橡胶)。硅橡胶的优点在于其可配制成长时间经受接近250摄氏度(200℃)的持续温度。
在一个实施方式中，对传感器装置进行远程编程。
在实施方式中，传感器装置还包括安装在电路板(诸如，塑料电路板)的端部、远离天线装置的传感器。传感器包括位于塑料材料托架的几何轴右侧的发射器。传感器还包括位于塑料材料托架的几何轴左侧的接收器。塑料材料托架还包括位于发射器上侧的参考/校准接收器。参考部件(即，参考接收器)用于测量在没有间隙的情况下的透射光，以用确定的时间间隔或在每个测量序列校准传感器。塑料电路板嵌入塑料材料托架中，使得传感器发射器和接收器基本上位于塑料材料托架的底表面中。
在一些实施方式中，提供用于电联接至传感器装置的一个或多个接入孔，例如用于以下目的中的一个或多个：用于测试目的、用于重新编程目的、用于传感器装置激活目的。
在一个实施方式中，电容器(例如，实施为薄膜超级电容器)可选地包括在电池的下表面上，即在与电池的暴露面相对的面上，其中，太阳能膜安装在电池的暴露面上。此外，电容器能够在操作时通过智能螺栓提供功率损耗的激增。例如，当传感器装置处于“活动状态”时，在无线地传输其感测到的测量数据时，电容器可提供功率消耗的激增。此外，电容器可将能量存储例如相对较长的周期，例如数天，甚至数周。
在实施方式中，传感器装置的下部包括数据处理装置，该数据处理装置包括诸如但不限于数据处理装置、数据存储器、无线通信部件和时钟。数据处理装置还可包括其它类型的传感器，例如温度传感器。数据处理装置可选地实施为定制设计的专用集成电路(ASIC)的部分，或使用标准数据处理器计算机；例如，可选地采用微功率处理器，具有内置Blue
Figure BDA0001966370630000221
功能、时钟功能、睡眠模式功能、模数(ADC)转换器和参考电压输出。如图所示，数据处理装置有利地使用长型印刷电路板来实现，该长型印刷电路板在传感器装置内的平面设置成基本上正交于电池的平面。可选地，当生产智能螺栓时，数据处理装置最初不提供在初始制造过程中加载到其数据处理装置中的软件，并且之后应用定制的专用软件，例如经由一个或多个接入孔和/或经由无线下载的定制专用软件。可选地，传感器装置使用碳化硅半导体电子部件来实现，以使智能螺栓能够在高辐射环境中起作用，例如在用于使核反应堆停止运作的装置中，用于在核事故发生之后的环境中操作的装置中等。
在传感器装置的远离上部的下部的远端处包括辐射传感器，该辐射传感器用于在操作时对智能螺栓施加应力时感测智能螺栓的应变伸长度。在辐射传感器中包括查询辐射源，例如如前所述，例如固态激光器光源、LED、OLED、等离子共振光源或类似物。查询辐射源可安装在安装构件(例如，电路板或类似物)的第一侧上。辐射传感器(诸如光检测器(例如，光电二极管光检测器))包括在安装构件的第二侧上。辐射传感器可包括两个传感器元件，即第一元件和第二元件，第一元件用于直接接收查询辐射的从辐射源发出的部分，以及第二元件用于接收查询辐射的从查询辐射源发出的部分，查询辐射的该部分到达安装构件的下端并经由形成在螺栓腔的底端表面处的安装构件的下端之间的间隙G传输。如上所述，间隙“G”根据智能螺栓在操作中经历的应变而变化，即如使用第二元件所测量的，而在第一元件处直接接收的部分提供对从查询辐射源输出的光的测量；这样的两个测量使得能够例如在智能螺栓的数据处理装置中应用校正，以补偿(例如由于查询辐射源的老化，或由于根据智能螺栓的工作温度其查询辐射输出中的变化)从照明源输出的辐射的时间变化。
此外，当智能螺栓处于操作中时，间隙“G”的尺寸根据施加至智能螺栓的应力而变化。在操作中，传感器装置的上部固定至智能螺栓的头部区域，以及下部的远端相对于螺栓腔的底端表面自由移动。此外，来自辐射传感器的第一元件和第二元件的输出信号的相对变化可使得能够确定间隙“G”的测量，以及确定由于辐射源的光输出特性的变化而导致的比例误差。
方程式1(Eq.1)限定间隙“G”的尺寸与来自第一元件的输出电压“VE1”和来自第二元件的输出电压“VE2”之间的近似关系，其中“VE0”是偏移常数，以及k是比例常数：
Figure BDA0001966370630000231
方程式2(Eq.2)限定间隙“G”的尺寸、施加至智能螺栓的应力SA和屈服应力“S0”之间的近似关系：
Figure BDA0001966370630000232
可选地，传感器装置的数据处理装置可操作成将线性化算法(例如多项式变换，诸如样条计算)应用于对应于信号“VE1”和信号“VE2”的数据，使得智能螺栓生成施加至智能螺栓的应变的精确表示。可替代地或另外地，这种线性化应用于数据库，其中，智能螺栓以无线方式将其测量数据通信至该数据库。在实施方式中，数据库存在于诸如移动电话、服务器、云计算设施等的计算设备中。有利地，智能螺栓以预先校准的状态提供给用户。
在实施方式中，已经发现，在智能螺栓的实际构造示例中，实现对间隙“G”进行几纳米(nm)分辨率的测量是可行的。
在一个实施方式中，传感器装置的底端可在被引入螺栓腔中之前设置有可滑动地联接的松配合杯状靶：杯状靶压力配合在螺栓腔的端部处或粘合地固定至螺栓腔的端部。当将部件向下推动时，激光传感器邻接靶的底部。在这种情况可能没有间隙。靶的外壁具有例如粘合剂，并且将固定在螺栓腔的端部中。另外，靶精确到地达腔的底端并不重要。螺栓上具有预负荷力时，靶在腔中向下移动并出现间隙“G”。因而，在传感器装置的示例性实施方式中，传感器包括塑料材料托架(如前所述)、设置有测量应变的所有部件的印刷电路板(PCB或ASIC)、以及以松配合安装在托架的端部上的靶(如前所述)。在一个实施方式中，电路板PCB在插入到螺栓腔中之前模制到托架中。PCB可以是扁平的电路板，该电路板在长型条带的底端处具有固态激光器(即，提供长型印刷电路板)以及在条带的端部处具有天线装置。此外，不同的部件可安装在激光器与支承电源装置(即，电池)的盘状部分之间的PCB的纵向部分上。激光器可配置成测量智能螺栓的伸长度。PCB是柔性的，例如由Kapton(即，腈塑料-材料膜)制造，Kapton中嵌入有一层或多层导电轨道，并且PCB上组装有表面安装电子部件，并且可弯曲以将盘状部分水平地定向在塑料托架的上部较宽的部分中。纵向部分在模制之前垂直定向在托架中，即相对于盘状部分正交定向。有利地选择使用具有相对低的温度膨胀系数的塑料材料，并且至少托架的底部必须是光学透明的，以允许激光器将光从托架发出至托架与靶之下的间隙“G”中。
此外，PCB可模制到塑料托架中。可选地，PCB使用专用集成电路(ASIC)来实现。如上所述，使用PCB的上部来实现天线，以及盘形中心部分支承电源，以及下部支承激光辐射源和其它部件，诸如数据处理装置、数据存储器和数字时钟。其它部件可操作与远程服务器等无线地通信，以传输智能螺栓的操作状态的信息，例如其预载荷、其应变以及可选地智能螺栓的操作温度。
此外，在将PCB模制到托架中的示例性过程期间，柔性PCB可弯曲以使其中心盘形区域水平地定向在托架中。天线围绕电池的边缘弯曲以暴露天线的端部，从而使其暴露于智能螺栓的周围。
在示例性实施方式中，塑料托架具有较宽的上部，该较宽的上部设计成在凹部内具有紧密配合并且使用粘合材料紧固在其上。在一个示例性实施方式中，传感器装置封装在聚合塑料材料中，并使用粘合剂固定在智能螺栓内。此外，托架具有外径略小于(例如，小至少0.1mm)螺栓腔的内径的下部，使得下部由于智能螺栓在操作中沿其纵向轴经受不同的施加的应力而能够相对于螺栓腔的内表面移动。
在一个实施方式中，靶由低摩擦塑料材料的套管形成，该套管滑动配合(即，可滑动地联接)到托架上。当传感器装置的下部插入螺栓腔时，将其向下推，直到托架的上部较宽部分装配在螺栓腔的较宽部分中。然后靶通过摩擦配合保持在螺栓腔中或粘合地保持。
在一个实施方式中，靶可以是低摩擦塑料的套管，如上所述，该套管可滑动配合(即，可滑动地联接)到托架上。当靶插入螺栓腔时，使用托架将其向下推，直到靶保持在螺栓腔的端部处。靶可通过摩擦紧固在螺栓腔中和/或粘合地保持在其中。
在实施方式中，靶位于传感器装置的封装传感器周围和之上。该靶具有将接收到的入射查询辐射(例如，具有190nm至3μm波长范围内的波长的光辐射)朝向传感器装置反射回去的操作功能。靶可操作成以直接或漫射的方式反射查询辐射。可选地，靶可由塑料材料制成，例如尼龙、聚乙烯、PEEK、聚碳酸酯或聚丙烯聚合物、玻璃填充的聚合物。
在实施方式中，塑料靶具有将来自激光发射器的光反射回传感器装置的光接收器装置的功能。如上所述，靶可进行反射或漫射。由于温度变化引起的靶的膨胀可选地在传感器装置的数据处理装置中补偿。有利地，当智能螺栓处于操作中时，靶粘合地固定在螺栓腔内，并且在操作中相对于传感器装置滑动，以通过智能螺栓所呈现的应变来测量纵向地施加至智能螺栓的应力。
可选地，PCB实施为若干电路板模块，该若干电路板模块联接在一起形成PCB。因而，电路板模块可设计成具有不同的功能，以及因此，PCB在制造期间通过选择要采用的电路板模块进行定制。
在操作中，除了在PCB的远端周围经由前述间隙“G”的传输之外，PCB妨碍从辐射源到光检测器的直接传输。可选地，出于参考目的，辐射源提供有辐射输出监测装置，如前所述，例如以补偿来自查询辐射源的输出根据时间和/或温度的变化。当智能螺栓由于在操作中对其施加纵向应力而受到应变时，间隙“G”发生变化。靶可确保以可预测的方式限定间隙“G”，因为可以不必精确地形成螺栓腔，而靶可以高精度注射模制成型且制造成本低。
在智能螺栓的非预载荷模式中，靶可保持与PCB的底部区域接触，使得间隙“G”基本上为零；在这种情况下，经由间隙“G”将可忽略的光从辐射源传输至光检测器。在智能螺栓的预载荷模式中，靶可与智能螺栓的柄部一起向下移动以生成间隙“G”；因此，如前所述，测量经由间隙“G”传输的光的强度，以确定智能螺栓中的应变。
此外，智能螺栓的“头部”的长度可根据其设计而显著变化。在一个实施方式中，传感器装置必须分成多个部分，其中，第一部分包括电源和天线，以及第二部分包括用于生成光的激光器以及光检测器。第一部分和第二部分通过配线装置或连接器装置相互连接。
在操作中，传感器装置通过从位于传感器装置的PCB的远端处的发射器发送激光束来测量施加至智能螺栓的预载荷。然后激光束由螺栓腔底部的靶反射回安装在PCB中的接收器，该接收器测量反射的光量。当智能螺栓被拧紧时，其会弹性地伸长，因此靶远离发射器移动，并且更多的光经由间隙“G”反射回接收器。接收器可将光量记录为模拟/数字值，该模拟/数字值通过预定义的转换算法进行转化，以提供表示以牛顿(N)力的数据。转换算法可通过参考称重传感器、计算、应力力学、VDI 2230计算方法或位移测试台获得。
在实施方式中，诸如例如预载荷、温度、时间、智能螺栓的位置、智能螺栓的ID参考、智能螺栓类型、电池状态、智能螺栓状态、检查间隔等的数据和信息无线地发送至接入点，该接入点经由例如GSM、Wi-Fi、因特网TCP/IP或其它通信网络连接至数据库并上传测量和/或状态数据/信息。数据库可存在于远离智能螺栓定位的计算设备中。智能螺栓中的无线通信可以是
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或其它类似方式。当来自给定智能螺栓的无线通信经由可操作以限定对等(P2P)网络的其它智能螺栓进行中继时，智能螺栓的位置可通过其在对等(P2P)网络内的位置来确定。换言之，智能螺栓可选地能够用作无线对等通信节点，并且提供其压力测量功能以及可选的温度感测功能。
在一个示例性实施方式中，智能螺栓布置成可在水生环境中操作，如前所述，以及智能螺栓使用其处理的测量信号从传感器装置到智能螺栓外部的导电通信路径的电容耦合来经由导电通信路径传输其处理的测量信号。例如，智能螺栓可用在水下的管道中，以及智能螺栓可经由智能螺栓外部的导电通信路径经由其处理的测量信号从传感器装置到导电通信路径的电容耦合来传输其处理的测量信号。
在一个实施方式中，传感器装置封装在聚合塑料材料中，并使用粘合剂固定在智能螺栓内。
在另一实施方式中，传感器装置可安装在智能螺栓的螺栓腔中，该智能螺栓包括连接至螺纹区域的头部区域；可选地，螺纹区域基本上延伸至头部区域。头部区域与螺栓腔的底端之间的距离在操作中可根据施加在螺纹区域与头部区域之间的纵向应力而改变。此外，传感器装置可配置成测量头部区域与螺栓腔的底端之间的距离的变化。
在一个实施方式中，传感器装置可安装在头部区域中，使得传感器装置在空间上参照头部区域。在另一实施方式中，传感器装置可安装成使得传感器装置的远端设置成邻近螺栓腔的底端，以使得螺栓腔的底端相对于传感器装置的远端的空间位置的变化根据施加至智能螺栓的纵向应力的变化而发生，以限定尺寸根据纵向应力的变化而变化的间隙“G”。传感器装置可操作成在操作中提供经由间隙“G”从传感器装置的查询辐射源到传感器装置的相应辐射传感器的查询辐射传输，以从辐射传感器生成应力测量信号，该应力测量信号可在传感器装置内处理，以用于从智能螺栓进行无线通信。
在一个实施方式中，传感器装置可操作成以对等(P2P)方式实现经处理的应力测量信号的无线通信，并且传感器装置可操作成用作用于中继对等传输的对等(P2P)通信节点。例如，传感器装置可与预定范围内存在的其它智能螺栓通信，并且可与其它智能螺栓通信测量信号和数据。在替代实施方式中，传感器装置可操作成将测量信号或数据无线地通信至其它计算设备。
在实施方式中，传感器装置包括一个或多个部件。传感器装置包括电源装置和数据处理装置。在一些实施方式中，传感器装置包括电源装置，该电源装置包括电池，例如不可充电电池(诸如，锂电池)。在另一实施方式中，电源装置包括用于从外部环境收集或产生能量到智能螺栓的功率收集装置。功率收集装置可包括以下中的至少一个：太阳能收集器、共振感应充电器、包括升压变换装置的无线能量充电器。在又一实施方式中，电源装置包括一个或多个电容器、超级电容器等。
此外，可在操作中向数据处理装置提供来自电源装置的电力。此外，数据处理装置可操作成在至少“睡眠状态”和“活动状态”中起作用。在替代实施方式中，数据处理装置配置成当处于“睡眠状态”时通过停止从智能螺栓发送无线传输(例如，测量数据)来节省电力。
另外，传感器装置的所有上述部件可位于支承托架中并模制到耐用的保护性塑料中，该塑料可承受紫外光、振动、冲击、震动、腐蚀性物质、湿气和磁性。
在实施方式中，智能螺栓的传感器装置有利地实施为提供比先前对已知类型的智能螺栓可行的更高程度的测量功能。例如，智能螺栓有利地实现成使得其传感器装置包括无线发射器，以例如以时间间隔(例如，以预定义的时间间隔)从智能螺栓传输测量数据。在实施方式中，传感器装置可操作成以循环方式在“睡眠状态”和“活动状态”之间切换，以提供可从智能螺栓无线传输的应力测量数据的时间序列。在一些实施方式中，应力测量数据传输至远程定位的计算设备。例如，传感器装置可操作成在至少两种状态(即，上述的“睡眠状态”和“活动状态”)中起作用。在“睡眠状态”下，传感器装置的电力消耗可降低到低水平，例如在1微瓦到1000微瓦(μW)的范围内；此外，传感器装置是不活动的，并且可能不从传感器装置无线地传输测量数据。在“活动状态”下，传感器装置可执行测量和/或从传感器装置传输测量数据。
此外，智能螺栓在操作时大部分处于“睡眠状态”，但偶尔可从“睡眠状态”切换至“活动状态”以进行测量和/或传输测量数据，如前所述。可选地，智能螺栓在其操作时间的仅1％或更少的时段内处于“活动状态”下，以及在其操作时间的99％或更多时间下处于“睡眠状态”。还更可选地，智能螺栓在其操作时间的仅0.1％或更少的时段内处于“活动状态”下，以及在其操作时间的99.9％或更多时间下处于“睡眠状态”。在实施方式中，传感器装置处于初始“休眠状态”，并且可切换以用于“睡眠状态”和/或“活动状态”。可选地，智能螺栓在安装成将部分紧固在一起之前处于“休眠状态”，在该状态，智能螺栓不会以周期循环方式周期性地从其“睡眠状态”切换至其“活动状态”并再次返回；例如，智能螺栓在存储时处于其“休眠状态”，然后如前所述，当用于以施加至智能螺栓的预载荷将各部分紧固在一起时被激活，以开始其在“睡眠状态”和其“活动状态”之间切换的例程。可选地，通过向智能螺栓施加无线信号、向智能螺栓施加磁脉冲等，智能螺栓从其“休眠状态”中进行切换。例如，智能螺栓可选地包括微型磁传感器，例如霍尔效应开关或簧片开关，该微型磁传感器用于将智能螺栓从其“休眠状态”切换至其“睡眠状态”或“活动状态”。
在实施方式中，传感器装置在“睡眠状态”下的消耗小于传感器装置在“活动状态”下消耗的电力的百分之一。在另一实施方式中，传感器装置在“睡眠状态”下的消耗小于传感器装置在“活动状态”下消耗的电力的0.1％。
在实施方式中，传感器装置可操作成相对于“活动状态”在时间上超过其操作时间的99％处于“睡眠状态”。
可选地，当处于“活动状态”时，传感器装置可执行多个时间测量，以在智能螺栓的数据存储器中提供一组相应的测量数据，然后将多个测量的相应测量数据连同指示何时进行多个测量的相应时间数据(即，使用时间标记)以一个消息一起进行传输。可替代地或另外地，在“活动状态”下，传感器装置可执行单次测量，以在智能单元的数据存储器中提供相应的测量数据，然后将单次测量的相应测量数据连同指示何时进行单次测量的相应时间数据以一个消息一起进行传输。可选地，智能螺栓可在操作中和/或在最初从其“休眠状态”激活时进行重新配置，以执行单次测量或多个测量，如前所述。可替代地，智能螺栓在已经操作的条件下供电，即在其“睡眠状态”和“活动状态”之间切换。
在实施方式中，本公开的智能螺栓还包括数字时钟，该数字时钟用于限定所采用的“活动状态”的重复之间的周期。数字时钟还可配置成提供用于测量的时间协调。
根据本公开，智能螺栓能够提供自动检查并报告其操作状态，具体地对智能螺栓的预载荷的测量。可选地，智能螺栓还可可操作成报告其内部电池的状态，例如不可充电电池(诸如锂电池)，例如报告不可充电电池已耗尽的程度，以便其用户可设计替换智能螺栓的例程。通过这种方法，可远程监控由于智能螺栓的腐蚀和/或断裂导致的松动或潜在的故障。可选地，可在智能螺栓中提供附加的感测功能，例如智能螺栓的温度测量，这也在测量其预载荷时执行；温度感测有利地使用容纳在传感器装置内的温度传感器来执行，例如通过使用固态温度传感器。智能螺栓易于用于以下情形中的螺栓连接，例如包括：铁路开关或轨道接合、机场跑道灯、石油钻井结构/设施、发电站、船舶、桥梁、存储罐等。
在示例性场景中，机场中的机场跑道灯使用螺栓栓接至给定跑道，并且必须定期检查和验证螺栓以检查螺栓的松动。如果给定的灯由于其螺栓变得松动而与跑道分离，则可导致飞机坠毁。通常根据严格的时间表采用扭矩检查来检查灯。在与这种扭矩检查相关联的检查时间期间，必须关闭跑道并且没有飞机可以起飞或降落。据估计，检查跑道灯上的螺栓的年度费用约为500k￡/年(约合100万美元，2016年汇率)，此外，关闭跑道具有停机时间成本，该成本可在每晚两至四个小时的范围内。通过使用智能螺栓来固定这种灯，所有灯都可自动远程检查和报告，而在跑道上不需要工作人员存在，也无需在执行检查时关闭跑道。因此，提供了用于检查和报告的成本节省的益处，因为智能螺栓为预载荷提供了可量化的结果，因此能够获得用于更多飞行时段的更多跑道时间以及增加的安全性。
本公开还提供了一种使用智能螺栓的方法，该智能螺栓包括联接至螺纹区域的头部区域。头部区域包括螺栓腔。此外，头部区域与螺栓腔的底端之间的距离在操作中根据施加在螺纹区域与头部区域之间的纵向应力而改变。智能螺栓还包括传感器装置，该传感器装置用于测量头部区域与螺栓腔的底端之间的距离的变化。公开的方法包括将传感器装置布置成安装在头部区域中，使得传感器装置在空间上参照头部区域。该方法还包括将传感器装置的远端布置成邻近螺栓腔的底端设置，使得螺栓腔的底端相对于传感器装置的远端的空间位置的变化根据施加至智能螺栓的纵向应力的变化而发生，以限定间隙“G”，该间隙“G”的尺寸根据纵向应力的变化而变化，其中，在操作中经由间隙“G”从传感器装置的查询辐射源到传感器装置的相应辐射传感器的查询辐射传输从辐射传感器生成应力测量信号，该应力测量信号在传感器装置内处理，以用于从智能螺栓进行无线通信。
所公开的智能螺栓提供了比先前对已知类型的智能螺栓可行的更高程度的测量功能。例如，智能螺栓有利地实现成使得其传感器装置包括无线发射器，以例如以时间间隔从智能螺栓传输测量数据。
此外，智能螺栓能够提供自动检查并报告其操作状态，具体地智能螺栓的预载荷的测量。智能螺栓还可操作成报告其内部电池的状态。通过这种方法，可远程监控由于智能螺栓的腐蚀和/或断裂导致的松动或潜在的故障。此外，可在智能螺栓中提供附加的感测功能，诸如但不限于温度测量。
此外，本公开涉及一种包括存储有计算机可读指令的非暂时性计算机可读存储介质的计算机程序产品，计算机可读指令可由包括处理硬件的计算机化设备执行，以执行上述方法中的至少一个。
本公开提供智能螺栓(即，智能紧固件的形式)，该智能螺栓易于用于以下行业：石油和天然气行业、建筑行业、海洋环境、发电行业、可再生能源行业、核工业、铁路系统、林业、农业、重型基础设施行业、航空航天工业。另外，智能螺栓易于用于例如经受定期检查的螺栓连接或者对应用或结构的安全性或功能性至关重要的螺栓连接。
附图的详细描述
参照图1，提供了根据本公开的实施方式的智能螺栓10的示意图。如图所示，智能螺栓10包括头部区域40，该头部区域40例如可选地经由无螺纹的颈部区域联接至螺纹区域20。头部区域40包括螺栓腔60。智能螺栓10布置成采用实施为单个单元的传感器装置，该传感器装置可操作成查询预先形成在智能螺栓10中的螺栓腔60。智能螺栓10能够提供自动检查并报告其操作状态，具体地智能螺栓10的预载荷的测量。在头部区域40中，提供了用于容纳上述传感器单元的凹部50。此外，螺栓腔60从凹部50的底部延伸至螺纹区域20的大致中间处，例如，智能螺栓10的中间处于沿着智能螺栓10的长度的20％至70％的范围内。如图所示，螺栓腔60沿着智能螺栓10的中心长型轴设置，但必须如此；例如，螺栓腔60可选地是轴偏移的，而不是如图1中所示的在轴上。可选地，智能螺栓10设置有多个螺栓腔60，每个螺栓腔60均设置有例如用于测量在操作时施加至智能螺栓10的非对称载荷的传感器装置。
接下来参照图2，智能螺栓10还包括安装在头部区域40中的传感器装置100，使得传感器装置100在空间上参照头部区域40。传感器装置100放置在塑料材料托架110内，其中，塑料材料托架110具有容纳在如参照图1所讨论的凹部50中的上部和容纳在螺栓腔60内的下部。
传感器装置100可安装到形成在内部的螺栓腔60中，例如，标准质量生产类型的螺栓/螺杆或柱螺栓。传感器装置100包括用于照亮螺栓腔60的底端的查询辐射源200A。传感器装置100还包括辐射传感器200B，该辐射传感器200B用于接收从螺栓腔60的底端返回的、用于测量智能螺栓10的伸长度的辐射。传感器装置100还包括数据处理装置180，该数据处理装置180用于从辐射传感器200B接收测量信号并用于激励查询辐射源200A。
如图所示，传感器装置100还包括用于为数据处理装置180和查询辐射源200A提供操作电力的电源装置。电源装置包括用于向智能螺栓10提供电力的电容器170、一个或多个电池120以及太阳能收集器130。如图所示，塑料材料托架110的上部包括电池120。此外，在电池120的上部暴露表面上安装有诸如太阳能膜的太阳能收集器130，当电池120实施为可充电电池时，该太阳能收集器130可操作成将太阳光或类似的电磁辐射转换成用于对电池120充电的充电电流。电容器170(例如，实施为薄膜超级电容器)可选地包括在电池120的下表面上，即在与电池120的暴露面相对的面上，其中，太阳能收集器130安装在电池120的暴露面上。在操作时，即当在智能螺栓10的“活动状态”下操作时，电容器170能够通过智能螺栓10提供电力损耗的激增。
传感器装置100还包括围绕电池120的至少一部分的天线装置140，该天线装置140用于提供信号的无线传输，以及可选地信号的无线传输。此外，传感器装置100封装在保护性塑料材料层(诸如，塑料材料托架110)中。
此外，传感器装置100包括用于电联接至传感器装置100的一个或多个接入孔160，例如用于以下目的中的一个或多个：用于测试目的、用于重新编程目的、用于激活传感器装置100等。
如图所示，数据处理装置180可使用长型印刷电路板190来实现，该长型印刷电路板190在传感器装置100内的平面设置成基本上正交于电池120的平面。“基本上正交”意味着例如在85°至95°的范围内。
传感器装置100还包括传感器200，该传感器200远离天线装置140安装在电路板(诸如，印刷电路板190)的端部。传感器200包括位于塑料材料托架110的几何轴右侧的发射器200A。传感器200还包括位于塑料材料托架110的几何轴左侧的接收器200B。塑料材料托架110还包括位于发射器200A上侧的参考/校准接收器200C。参考部件(即，参考接收器200C)用于测量没有间隙的透射光，以用确定的时间间隔或在每个测量序列校准传感器200。印刷电路板190嵌入塑料材料托架110中，使得传感器发射器200A和接收器200B位于塑料材料托架110的底表面中。
图3是根据本公开的实施方式的在插入到塑料材料托架110中之前的电路板220的图示。示出电路板220在模制到塑料材料托架110中之前所处状态。在一个实施方式中，电路板220是印刷电路板220。在另一实施方式中，电路板220是结合电路板。在又一实施方式中，电路板220是专用集成电路(ASIC)板。
现在参照图4，示出了靶280的侧视图。靶280围绕传感器装置100的辐射传感器200放置在其上。如参照图2所讨论的，辐射传感器200包括靶280(例如，实施为塑料材料套管)，以及电路板220设置有测量应变的所有部件，其中，靶280通过作为上面的松动零件可滑动地保持在托架上。靶280固定在螺栓腔60的底部。
现在参照图3，电路板220模制到托架110中。示出扁平的电路板220在长型条带250的底端处具有固态激光器(即，提供长型电路板220)以及在条带270的端部处具有天线装置140。
接下来参照图5和图6，示出了传感器装置100的操作。如参照图2所讨论的，PCB190妨碍从查询辐射源200A到辐射传感器200B的直接传输。间隙604随着智能螺栓10受到应变而变化，应变是由于在操作中向智能螺栓10施加了纵向应力。靶280与托架110协作可确保以可预测的方式限定间隙604，因为可以不必精确地形成螺栓腔60，而靶280可高精度注射模制成型且制造成本低。
在图5中，示出了非预载荷模式的情形，其中，靶280与PCB 190的底部区域接触，使得间隙604基本上为零；在这种情况下，经由间隙“G”将可忽略的光从查询辐射源200A传输至辐射传感器200B。传感器装置100可封装在聚合塑料材料中，并使用粘合剂固定在智能螺栓内。靶280与螺栓腔60具有紧密配合，并且可选地可通过使用粘合剂240进行紧固。
在图6中，智能螺栓10处于预载荷模式。靶280可与智能螺栓10的柄部一起移动以产生间隙“G”604，测量经由间隙604传输的光束602的强度以确定智能螺栓10中的应变。
图7是根据本公开的实施方式的柱螺栓702(也称为螺柱智能螺栓)和柱螺栓702的传感器装置704的不同部分的图示。传感器装置100可分成两个部分：第一部分包括电源706和天线装置708，第二部分包括激光器710和托架712。此外，第一部分和第二部分通过配线装置或连接器装置714相互连接。柱螺栓702是外螺纹无头紧固件。另外，由于伸长度取决于标距长度，因此难以通过柱螺栓702中的伸长度来测量预载荷。对于柱螺栓702，标距长度可根据螺母的位置而变化。在这种情况下，传感器和标距长度与柱螺栓702的无螺纹部分隔离开。以这种方式，标距总是相同的并且螺母位置可能不会影响伸长度。
图8是根据本公开的实施方式的示例性通信系统800，该示例性通信系统800包括布置在螺栓组件802附近的一个或多个路由器808。如图所示，通信系统800包括螺栓组件802，该螺栓组件802包括用于管道806中的螺栓连接的智能螺栓804。智能螺栓804可配置成当处于活动状态时处理应力测量信号以生成相应的测量数据，并将测量数据无线地传输至定位在智能螺栓804附近的一个或多个路由器。例如，诸如预载荷、温度、时间、智能螺栓804的位置、智能螺栓804的ID参考、智能螺栓类型、电池状态、智能螺栓状态、检查间隔等的数据和信息经由通过无线通信网络812连接的路由器808无线地发送至计算设备810。在一个实施方式中，路由器808将信息传输至包括计算设备810的云服务器。
图9是本公开的另一实施方式可起作用的示例性环境900的图示。如图所示，该环境包括在管道908中的螺栓连接中使用的多个智能螺栓902、智能螺栓904和智能螺栓906。智能螺栓902、智能螺栓904和智能螺栓906在空间上相互邻近地安装在管道908上。智能螺栓902、智能螺栓904和智能螺栓906可操作成将它们感测到的测量数据以对等(“P2P”)通信的形式从一个智能螺栓传输至另一智能螺栓。此外，智能螺栓902可配置成直接地或经由智能螺栓904间接地将数据传输至智能螺栓906。可替代地，智能螺栓902、智能螺栓904和智能螺栓906可在其共用的通信信道中无线地传输它们的数据；可选地，在智能螺栓902、智能螺栓904和906中的两个或更多个同时地传输它们感测到的测量数据的情况下，检测到这种同时传输，然后在等待期之后进行重新传输所感测到的测量数据的一次或多次尝试。
图10是本公开的又一实施方式可起作用的示例性环境1000的图示。如图所示，该环境1000包括在管道1008中的许多螺栓连接中使用的多个智能螺栓1002、智能螺栓1004和智能螺栓1006。智能螺栓1002、智能螺栓1004和智能螺栓1006安装成在空间上相互邻近，智能螺栓1002、智能螺栓1004和智能螺栓1006可操作成将它们感测到的测量数据以对等(“P2P”)通信的形式从一个智能螺栓传输至另一个。此外，智能螺栓1002至智能螺栓1006中的每个均配置成经由无线通信网络1012将数据无线地发送至计算设备1010。如图所示，智能螺栓1006可经由无线通信网络1012将从诸如智能螺栓1002的其它智能螺栓接收的数据传输或中继至诸如计算设备1010的接收器，以进行进一步处理。
图11是本公开的另一实施方式可起作用的示例性环境1100的图示。如图所示，该环境包括两个智能螺栓1104至智能螺栓1106，它们布置成可在水生环境1102中操作，以及使用其处理的测量信号从智能螺栓1104至智能螺栓1106的传感器装置到智能螺栓1104至智能螺栓1106外部的导电通信路径的电容耦合来经由导电通信路径传输其处理的测量信号。智能螺栓1104至智能螺栓1106用于水下的管道1108中，例如在盐水条件下，并且智能螺栓1104至智能螺栓1106可经由无线通信网络1112将经处理的测量信号传输至计算设备1110。上述水生环境1102例如是在非常高的压力(例如，在300巴至1000巴的范围内)下的、具有盐海水的海底环境；例如，遇到用于执行深海石油和天然气勘探和生产的海底环境。
如前所述，本公开涉及智能螺栓1104至智能螺栓1106，它们包括传感器装置，该传感器装置用于确定智能螺栓1104至智能螺栓1106中的预载荷，并用于将感测到的测量数据无线地通信至计算设备1110中的数据库。
参照图12、图13和图14，示出了根据本公开的各种实施方式的与至少一个远程设备通信的智能螺栓10的示例性实施例。本领域技术人员应理解，为了清楚起见，图12、图13和图14包括用于智能螺栓10的实施例的简化布置，这不应不适当地限制本文权利要求的范围。本领域技术人员将理解本公开的实施方式的许多变型、替代和修改。
参照图12，示出了根据本公开的实施方式的与至少一个远程设备(表示为云服务器1202)通信的智能螺栓10的示例性实施例。在这种情况下，智能螺栓10可经由通信网络(未示出)通信地联接至云服务器1202。作为示例，智能螺栓10的传感器装置(未示出)可操作成将应力测量信号传输至云服务器1202。此外，可选地，智能螺栓10可经由网络设备通信地联接至云服务器1202，其中，网络设备诸如为路由器1204和与路由器1204相关联的集线器卡1206。因此，在这种实施例中，智能螺栓10将应力测量信号传输至路由器1204，从而将应力测量信号传输至云服务器1202。如图所示，云服务器1202还可通信地联接至与智能螺栓10的最终用户相关联的用户设备1208。用户可利用用户设备1208访问云服务器1202，以便控制智能螺栓10。
参照图13，示出了根据本公开的另一实施方式的与至少另一个远程设备(表示为可编程逻辑控制器(PLC)单元1302)通信的智能螺栓10的示例性实施例。智能螺栓10可经由通信网络(未示出)通信地联接至可编程逻辑控制器(PLC)单元1302。作为示例，智能螺栓10的传感器装置(未示出)可操作成将应力测量信号传输至可编程逻辑控制器(PLC)单元1302。此外，可选地，智能螺栓10可经由诸如集线器卡1304的网络设备通信地联接至可编程逻辑控制器(PLC)单元1302。因此，在这种实施例中，智能螺栓10将应力测量信号传输至集线器卡1304，从而可选地处理应力测量信号并将其传输至可编程逻辑控制器(PLC)单元1302。
参照图14，示出了根据本公开的又一实施方式的与至少一个远程设备(表示为多个计算设备1402和计算设备1404)通信的智能螺栓10的示例性实施例。智能螺栓10可经由通信网络(未示出)通信地联接至多个计算设备1402和计算设备1404。作为示例，通信网络可以是控制器区域网络(CAN)或本地互连网络(LIN)系统。此外，如图所示，智能螺栓10可经由诸如集线器卡1406的网络设备通信地联接至多个计算设备1402和计算设备1404。因此，在这样的实施例中，智能螺栓10将与其有关的数据传输至集线器卡1406，从而可选地处理与智能螺栓10有关的数据并将其传输至多个计算设备1402和计算设备1404。
在不背离如所附权利要求所限定的本发明的范围的情况下，可对上文描述的本发明的实施方式进行修改。用于描述和要求保护本发明的诸如“包括(including)”、“包括(comprising)”、“包含(incorporating)”、“包括(consisting of)”、“具有”、“是”的表述旨在以非排他性的方式进行解释，即，还允许存在未明确描述的项、部件或元件。对单数的引用还将解释为涉及复数。所附权利要求中的括号内包括的标记旨在帮助理解权利要求，并且不应以任何方式解释为限制这些权利要求所要求保护的主题。

Claims (28)

1.智能螺栓(10)，所述智能螺栓包括头部区域(40)，所述头部区域(40)联接至螺纹区域(20)，其中，所述头部区域(40)包括螺栓腔(60)，其中，所述头部区域(40)与所述螺栓腔(60)的底端之间的距离在操作中根据施加在所述螺纹区域(20)与所述头部区域(40)之间的纵向应力而变化，以及其中，所述智能螺栓(10)包括传感器装置(100)，所述传感器装置(100)用于测量所述头部区域(40)与所述螺栓腔(60)的底端之间的距离的变化，其特征在于：
所述传感器装置(100)安装在所述头部区域(40)中，使得所述传感器装置(100)在空间上以所述头部区域(40)为参照；以及
所述传感器装置(100)的远端设置成邻近所述螺栓腔(60)的底端，以限定位于所述传感器装置(100)的远端与所述螺栓腔(60)的底端之间的间隙(G)，使得所述间隙(G)的尺寸响应于所述螺栓腔(60)的底端相对于所述传感器装置(100)的远端的空间位置的变化而变化，其中，所述螺栓腔(60)的底端相对于所述传感器装置(100)的远端的空间位置根据施加至所述智能螺栓(10)的纵向应力的变化而变化，其中，在操作中经由所述间隙(G)从所述传感器装置(100)的查询辐射源(200A)到所述传感器装置(100)的相应辐射传感器(200B)的查询辐射传输从所述辐射传感器(200B)生成应力测量信号，所述应力测量信号在所述传感器装置(100)内处理，以用于从所述智能螺栓(10)进行无线通信。
2.根据权利要求1所述的智能螺栓(10)，其特征在于，所述螺栓腔(60)从所述头部区域(40)延伸至所述螺纹区域(20)中。
3.根据权利要求1或2所述的智能螺栓(10)，其特征在于，所述传感器装置(100)安装在所述头部区域(40)的凹部(50)内，以及所述螺栓腔(60)从所述凹部(50)的底表面延伸至所述智能螺栓(10)中。
4.根据权利要求1或2所述的智能螺栓(10)，其特征在于，所述传感器装置(100)包括电源装置(120、130、170)和数据处理装置(180)，其中，所述数据处理装置(180)在操作中提供有来自所述电源装置(120、130、170)的电力，以及其中，所述数据处理装置(180)能够操作成在至少“睡眠状态”和“活动状态”中运行，其中，所述数据处理装置(180)能够操作成当处于所述“活动状态”时处理所述应力测量信号以生成相应的测量数据并从所述智能螺栓(10)无线地传输所述测量数据，并且当处于所述“睡眠状态”时通过停止从所述智能螺栓(10)发送无线传输来保存电力。
5.根据权利要求4所述的智能螺栓(10)，其特征在于，所述传感器装置(100)能够操作成以循环方式在所述“睡眠状态”与所述“活动状态”之间切换，以提供从所述智能螺栓(10)无线传输的应力测量数据的时间序列。
6.根据权利要求4所述的智能螺栓(10)，其中，所述传感器装置(100)处于初始休眠状态，并且能够切换以用于所述“睡眠状态”和/或所述“活动状态”。
7.根据权利要求4所述的智能螺栓(10)，其特征在于，所述传感器装置(100)在所述“睡眠状态”下的消耗小于所述传感器装置(100)在所述“活动状态”下消耗的电力的1％。
8.根据权利要求4所述的智能螺栓(10)，其特征在于，所述传感器装置(100)在所述“睡眠状态”下的消耗小于所述传感器装置(100)在所述“活动状态”下消耗的电力的0.1％。
9.根据权利要求4所述的智能螺栓(10)，其特征在于，所述传感器装置(100)能够操作成相对于所述“活动状态”在时间上超过其操作时间的99％处于所述“睡眠状态”。
10.根据权利要求4所述的智能螺栓(10)，其特征在于，所述传感器装置(100)包括数字时钟，所述数字时钟用于限定所采用的所述“活动状态”的重复之间的周期。
11.根据权利要求1所述的智能螺栓(10)，其特征在于，所述传感器装置(100)包括电源装置(120、130、170)，所述电源装置(120、130、170)包括电池(120)。
12.根据权利要求11所述的智能螺栓(110)，其特征在于，所述电源装置还包括功率收集装置(120)，所述功率收集装置(120)用于从外部环境向所述智能螺栓(10)收集能量，其中，所述功率收集装置(120)包括以下中的至少一个：太阳能收集器(130)、共振感应充电器、包括升压变压器装置的无线能量充电器。
13.根据权利要求1所述的智能螺栓(10)，其特征在于，所述传感器装置(100)包括天线装置(140)，当所述传感器装置(100)安装在所述头部区域(40)内时，所述天线装置(140)设置在所述传感器装置(100)的暴露的上表面处。
14.根据权利要求1所述的智能螺栓(10)，其特征在于，所述传感器装置(100)实施为整体部件，所述整体部件通过将所述传感器装置(100)的至少一部分插入所述螺栓腔(60)中进行安装。
15.根据权利要求1所述的智能螺栓(10)，其特征在于，所述传感器装置(100)能够操作成以对等(P2P)方式实现经处理的应力测量信号的无线通信，并且所述传感器装置(100)能够操作成用作用于中继对等(P2P)传输的对等(P2P)通信节点。
16.根据权利要求1所述的智能螺栓(10)，其特征在于，所述智能螺栓(10)的头部区域(40)及其螺纹区域(20)由以下中的至少一种制成：金属、金属合金、烧结金属粉末材料、陶瓷材料、聚合物材料、无定形材料。
17.根据权利要求1所述的智能螺栓(10)，其特征在于，所述智能螺栓(10)布置成能够在水生环境中操作，以及使用其处理的测量信号从所述传感器装置(100)到所述智能螺栓(10)外部的导电通信路径的电容耦合来经由所述导电通信路径传输其处理的测量信号。
18.根据权利要求1所述的智能螺栓(10)，其特征在于，所述传感器装置(100)封装在聚合塑料材料中，并使用粘合剂固定在所述智能螺栓(10)内。
19.根据权利要求11所述的智能螺栓(10)，其特征在于，所述传感器装置(100)还包括：
所述查询辐射源(200A)，用于照亮所述螺栓腔的底端；
所述辐射传感器(200B)，用于接收从所述螺栓腔的底端返回的辐射，以测量所述智能螺栓(10)的伸长度；
数据处理装置，用于从所述辐射传感器(21)接收所述测量信号，其中，所述数据处理装置通过采用具有内置无线通信功能的低功率微控制器而提供有无线通信功能；以及
所述电源装置(120、130、170)，用于为所述数据处理装置和所述查询辐射源提供操作电源，所述电源装置(120、130、170)还包括以下中的至少一个：用于向所述智能螺栓(10)提供电力的多个电容器、多个不可充电电池、多个可充电电池、多个太阳能电池、多个共振感应功率耦合装置。
20.根据权利要求19所述的智能螺栓，其特征在于，所述内置无线通信功能通过使用Blue
Figure FDA0002661029210000041
来提供。
21.根据权利要求1所述的智能螺栓(10)，其特征在于，所述查询辐射源(200A)还包括固态激光器、发光二极管和纳米线辐射源中的至少一个。
22.根据权利要求19所述的智能螺栓(10)，其特征在于，所述数据处理装置配置成：
通过使用利用第一元件和第二元件进行的对来自所述查询辐射源(200A)的辐射的差分测量来处理所述测量信号，其中，所述第一元件提供对来自所述查询辐射源(200A)的辐射的大小的测量，以及所述第二元件提供对来自所述查询辐射源(200A)的、经由所述间隙(G)传输的辐射的测量；以及
通过使用样条算法中的至少一个使测量结果线性化来处理所述测量信号。
23.根据权利要求1所述的智能螺栓(10)，其特征在于，所述智能螺栓(10)能够经由通信网络通信地联接至至少一个远程设备(1202、1302、1402、1404)，以及其中，所述智能螺栓(10)能够操作成将与其有关的数据传输至所述至少一个远程设备(1202、1302、1402、1404)，其中，与所述智能螺栓(10)有关的所述数据包括以下中的至少一个：(i)所述应力测量信号，(ii)经处理的应力测量信号，(ii)所述智能螺栓(10)的操作状态，另外，其中，所述至少一个远程设备(1202、1302、1402、1404)能够操作成处理与所述智能螺栓(10)有关的所述数据，从而监控和/或控制所述智能螺栓(10)。
24.根据权利要求23所述的智能螺栓(10)，其中，所述至少一个远程设备(1202、1302、1402、1404)能够操作成存储与所述智能螺栓(10)有关的所述数据。
25.根据权利要求23或24所述的智能螺栓(10)，其特征在于，所述至少一个远程设备(1202、1302、1402、1404)从包括以下的组中选取：计算设备、服务器、数据库、物联网(IoT)设备、可编程逻辑控制器(PLC)单元。
26.使用智能螺栓(10)的方法，所述智能螺栓(10)包括头部区域(40)，所述头部区域(40)联接至螺纹区域(20)，其中，所述头部区域(40)包括螺栓腔(60)，其中，所述头部区域(40)与所述螺栓腔(60)的底端之间的距离在操作中根据施加在所述螺纹区域(20)与所述头部区域(40)之间的纵向应力而变化，以及其中，所述智能螺栓(10)包括传感器装置(100)，所述传感器装置(100)用于测量所述头部区域(40)与所述螺栓腔(60)的底端之间的距离的变化，其特征在于，所述方法包括：
将所述传感器装置(100)布置成安装在所述头部区域(40)中，使得所述传感器装置(100)在空间上以所述头部区域(40)为参照；以及
将所述传感器装置(100)的远端布置成邻近所述螺栓腔(60)的底端设置，以限定位于所述传感器装置(100)的远端与所述螺栓腔(60)的底端之间的间隙(G)，使得所述间隙(G)的尺寸响应于根据施加至所述智能螺栓(10)的纵向应力的变化而发生的所述螺栓腔(60)的底端相对于所述传感器装置(100)的远端的空间位置的变化而变化，其中，在操作中经由所述间隙(G)从所述传感器装置(100)的查询辐射源(200A)到所述传感器装置(100)的相应辐射传感器(200B)的查询辐射传输从所述辐射传感器(200B)生成应力测量信号，所述应力测量信号在所述传感器装置(100)内处理，以用于从所述智能螺栓(10)进行无线通信。
27.非暂时性计算机可读存储介质，存储有计算机可读指令，所述计算机可读指令能够由包括处理硬件的计算机化设备执行，以执行如权利要求26所述的方法。
28.传感器装置(100)，所述传感器装置(100)用于根据权利要求1至23中任一项所述的智能螺栓(10)，其特征在于，所述传感器装置(100)能够安装在智能螺栓(10)的螺栓腔(60)中，所述智能螺栓(10)包括头部区域(40)，所述头部区域(40)联接至螺纹区域(20)，其中，所述头部区域(40)与所述螺栓腔(60)的底端之间的距离在操作中根据施加在所述螺纹区域(20)与所述头部区域(40)之间的纵向应力而变化，以及其中，所述传感器装置(100)能够操作成测量所述头部区域(40)与所述螺栓腔(60)的底端之间的距离的变化，其中：
所述传感器装置(100)能够安装的在所述头部区域(40)中，使得所述传感器装置(100)在空间上以所述头部区域(40)为参照；以及
所述传感器装置(100)能够安装成使得所述传感器装置(100)的远端设置成邻近所述螺栓腔(60)的底端，以限定位于所述传感器装置(100)的远端与所述螺栓腔(60)的底端之间的间隙(G)，使得所述螺栓腔(60)的底端相对于所述传感器装置(100)的远端的空间位置根据施加至所述智能螺栓(10)的纵向应力的变化而发生变化，以使所述间隙(G)的尺寸变化，其中，所述传感器装置(100)能够操作成在操作中提供经由所述间隙(G)从所述传感器装置(100)的查询辐射源(200A)到所述传感器装置(100)的相应辐射传感器(200B)的查询辐射传输，以从所述辐射传感器(200B)生成应力测量信号，所述应力测量信号能够在所述传感器装置(100)内处理，以用于从所述智能螺栓(10)进行无线通信。
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