CN109612625A - 一种新型螺栓轴向力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型螺栓轴向力传感器，包括螺栓和阻抗检测装置；所述阻抗检测装置设置在螺栓头部的端面上，所述阻抗检测装置用于检测因螺栓受到轴向预紧力导致螺栓头部的端面压缩变形时所引起的阻抗输出峰值频率变化。该新型螺栓轴向力传感器不但通用性广泛，而且结构简单、成本低廉。
Description
技术领域
本发明涉及螺栓联接状态、螺栓预紧力监测方法的结构健康监测技术领域，具体涉及一种新型螺栓轴向力传感器。
背景技术
螺栓是应用在工业上一种广泛的联接件，起着联接可拆卸部件及传递载荷的关键作用，其联接状态(具体表现为轴向预紧力是否足够)直接关系到整个设备或结构的安全工作。工程中在安装螺栓时，常用扭矩扳手控制螺栓额定扭矩，但是该方法无法实现对工作中螺栓联接状态的监测。电阻应变片电测法是测量螺栓轴向预紧力的一种广泛的方法，如张小良,王根全,侯晔星等人于2012年在杂志《车用发动机》上发表的文章《柴油机机体高强度螺栓预紧力的有限元计算方法》是通过在螺杆上安装应变计，通过应变片测量螺栓螺杆在轴向力作用下的应变，确定螺栓预紧力(即螺栓轴向力)的大小，测量了柴油机机体高强度螺栓预紧力。而张红星于2007年在杂志《舰船科学技术》上发表的文章《水下环境中螺栓轴向拉力测试技术研究》将应变计埋在螺栓内在水下测量了螺栓轴向拉力。但是，上述方法均受到安装条件的限制，不具备广泛的适用性。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的发明目的在于提供一种具有广泛的通用性、结构简单、成本低廉的新型螺栓轴向力传感器。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案内容具体如下：
一种新型螺栓轴向力传感器，包括螺栓和阻抗检测装置；所述阻抗检测装置设置在螺栓头部的端面上，所述阻抗检测装置用于检测因螺栓受到轴向预紧力导致螺栓头部的端面压缩变形时所引起的阻抗输出峰值频率变化。
进一步地，本发明的新型螺栓轴向力传感器还包括阻抗输出装置，所述阻抗检测装置电性连接所述阻抗输出装置。
优选地，所述阻抗输出装置包括阻抗分析仪和计算机；所述阻抗检测装置通过所述阻抗分析仪连接所述计算机。
进一步地，所述阻抗检测装置为压电阻抗检测装置。
优选地，所述压电阻抗检测装置包括环形压电材料层，所述环形压电材料层设置在所述螺栓头部的端面上，并且所述环形压电材料层的外径与所述螺栓头部的端面直径相当。
更优选地，所述环形压电材料层粘贴在所述螺栓头部的端面上。
更优选地，所述环形压电材料层与所述螺栓头部的端面之间还设有绝缘层。
进一步地。所述阻抗检测装置的外部还覆盖有保护层。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明的新型螺栓轴向力传感器在其螺栓头部的端面设置阻抗检测装置以检测当前螺栓受到轴向预紧力而在端面发生压缩变形时所引起的阻抗输出峰值频率变化。所述传感器检测到的阻抗信号峰值频率数据通过后续的阻抗输出装置进行量化。由于阻抗信号峰值频率所代表的是阻抗检测装置与螺栓头部局部机电耦合系统的某阶谐振频率，利用阻抗信号中峰值频率与轴向预紧力成正比的关系，通过测量机电耦合系统谐振频率变化而确定轴向预紧力的大小，从而掌握螺栓的联接状态，不但结构简单可靠，而且不受螺栓安装条件的限制，具有广泛的适用性及简单易行性。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1为本发明的新型螺栓轴向力传感器较优选实施例的结构构示意图；
图2为本发明的新型螺栓轴向力传感器与阻抗输出装置的连接电路图；
图3为M16螺栓的压电导纳虚部的输出结果示意图；
图4为M16螺栓的轴向力测量结果示意图。
其中，各附图标记为：1、螺栓；2、阻抗检测装置。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下：
如图1所示，本发明的新型螺栓轴向力传感器，包括螺栓1和阻抗检测装置2；所述阻抗检测装置2设置在螺栓头1部的端面上，所述阻抗检测装置2用于检测因螺栓1受到轴向预紧力导致螺栓1头部的端面压缩变形时所引起的阻抗输出峰值频率变化。
本发明的新型螺栓轴向力传感器在其螺栓1头部的端面设置阻抗检测装置2以检测当前螺栓1受到轴向预紧力而在端面发生压缩变形时所引起的阻抗输出峰值频率变化。所述新型螺栓轴向力传感器检测到的阻抗信号峰值频率数据通过后续的阻抗输出装置进行量化。由于阻抗信号峰值频率所代表的是阻抗检测装置2与螺栓1头部局部机电耦合系统的某阶谐振频率，利用阻抗信号中峰值频率与轴向预紧力成正比的关系，通过测量机电耦合系统谐振频率变化而确定轴向预紧力的大小，从而掌握螺栓的联接状态，不但结构简单可靠，而且不受螺栓安装条件的限制，具有广泛的适用性及简单易行性。
其中，如图2所示，所述阻抗输出装置包括阻抗分析仪和计算机；所述阻抗检测装置通过所述阻抗分析仪连接所述计算机。所述阻抗分析仪主要适用对象为各类超声器件阻抗特性的测量，包括：压电陶瓷、换能器、水声、磁致伸缩材料等等所有使用超声的设备。而为了简化结构，节约生产成本，本实施例优选所述阻抗检测装置为压电阻抗检测装置。当所述阻抗检测装置为压电阻抗检测装置时，所述阻抗分析仪可以得到其主要参数，包括：谐振频率Fs、反谐振频率Fp、半功率点F1与F2、最大导纳Gmax、静电容C0、动态电抗R1、动态电容C1、动态电感L1、自由电容CT、自由介电常数、机械品质因素Qm、机电耦合系数Keff、Kp、K31、K33等，并可以绘制压电器件的五种特性曲线，即导纳特性图、阻抗特性图、导纳极坐标图、阻抗极坐标图、对数坐标图。
而且，由于螺栓受到轴向作用力而在螺栓头部端面发生径向变形时，螺栓头部端面中心部位应变是较小，而靠近螺栓端面边缘处的应变相对较大。所以，在本实施例中，优选地，所述压电阻抗检测装置包括环形压电材料层，所述环形压电材料层设置在所述螺栓头部的端面上，并且所述环形压电材料层的外径与所述螺栓头部的端面直径相当，从而可以测量螺栓端面边缘处较大变形引起的压电陶瓷材料与螺栓头部形成的机电耦合系统的某一个或几个高阶谐振频率变化，然后再通过事先标定谐振频率变化与螺栓轴向力之间的关系，实现测量螺栓轴向力的目的。
需要说明的是，在本实施例中，所述环形压电材料层的外径与所述螺栓头部的端面直径相当，具体是指，所述环形压电材料层的外径接近或略小于螺栓头部端面的外径。
而当所述环形压电材料层由压电陶瓷材料制成时，为了便于加工，本实施例优选将所述环形压电材料层粘贴在所述螺栓头部的端面上。
为了防止螺栓本身的阻抗影响到测量的结果，在本实施例中，所述环形压电材料层与所述螺栓头部的端面之间还设有绝缘层(图未示)。所述绝缘层主要成份为有机硅树脂、聚酯薄膜、不饱和聚酯树脂或环氧树脂等。
需要说明的是，本实施例中所述的螺栓是采用国家或国际标准尺寸螺栓，使用者可以根据螺栓型号去选择对应尺寸的环形压电材料层去形成不同系列的新型螺栓轴向力传感器。
在进行测试时，根据所测对象选择相应的标准对象螺栓，将螺栓1头部端面加工光整。选择与螺栓1头部对边尺寸相对应的阻抗检测装置2安装在螺栓1头部端面，引线后，螺栓1头部端面的阻抗检测装置1外覆保护层(图未示)保护螺栓头上的阻抗检测装置。在本实施例中，所述保护层为HBM保护胶，保护层的层厚在1-3mm之间，将阻抗检测装置的磨损率降低到10％以下，同时确保阻抗检测装置的使用灵敏度在90％以上。
将制作好的新型螺栓轴向力传感器引线连接至阻抗分析仪后，首先找出对轴向力变化敏感的阻抗扫频频段，在扫频频段内确定作为标定螺栓轴向力的特征峰值频率值；然后，在材料试验机上进行拉伸标定，利用轴向力与所选定的输出阻抗特征峰值频率之间成正比的关系，获得螺栓1所受轴向力与阻抗检测装置输出阻抗峰值频率变化之间的标定文件后，将螺栓轴向力测量装置应用在测试中，通过测得的阻抗峰值频率变化，根据标定文件得到螺栓1轴向力大小，进而获得螺栓1的联接状态。
下面以M16螺栓为例，进一步说明本发明的新型螺栓轴向力传感器的工作原理：
将标准M16螺栓头部断面加工光整后，安装外径20mm、内径10mm、厚度1mm的环形压电陶瓷材料层。将压电陶瓷材料层引线接入精密阻抗分析仪，在试验机上进行了拉伸试验。在3.91～3.93MHz扫频范围内，压电导纳(即压电阻抗的倒数)虚部输出结果如图3所示，可以看出峰值频率随着螺栓轴向力的增加而左偏，即减小；三次试验中峰值频率随螺栓所受载荷的变化结果如图4所示，试验结果证明：螺栓头部端面的压电材料层的输出阻抗中峰值频率与螺栓所受轴向力之间具有很好的线性关系，从而可以通过该本发明所述的新型螺栓轴向力传感器测量螺栓所受轴向力及实现对该螺栓联接状态的监测。
上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。
Claims (8)
1.一种新型螺栓轴向力传感器，其特征在于：包括螺栓和阻抗检测装置；所述阻抗检测装置设置在螺栓头部的端面上，所述阻抗检测装置用于检测因螺栓受到轴向预紧力导致螺栓头部的端面压缩变形时所引起的阻抗输出峰值频率变化。
2.根据权利要求1所述的新型螺栓轴向力传感器，其特征在于：还包括阻抗输出装置，所述阻抗检测装置电性连接所述阻抗输出装置。
3.根据权利要求2所述的新型螺栓轴向力传感器，其特征在于：所述阻抗输出装置包括阻抗分析仪和计算机；所述阻抗检测装置通过所述阻抗分析仪连接所述计算机。
4.根据权利要求1-3任何一项所述的新型螺栓轴向力传感器，其特征在于：所述阻抗检测装置为压电阻抗检测装置。
5.根据权利要求4所述的新型螺栓轴向力传感器，其特征在于：所述压电阻抗检测装置包括环形压电材料层，所述环形压电材料层设置在所述螺栓头部的端面上，并且所述环形压电材料层的外径与所述螺栓头部的端面直径相当。
6.根据权利要求5所述的新型螺栓轴向力传感器，其特征在于：所述环形压电材料层粘贴在所述螺栓头部的端面上。
7.根据权利要求6所述的新型螺栓轴向力传感器，其特征在于：所述环形压电材料层与所述螺栓头部的端面之间还设有绝缘层。
8.根据权利要求1-3任何一项所述的新型螺栓轴向力传感器，其特征在于：所述阻抗检测装置的外部还覆盖有保护层。
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