CN109612626A - 一种螺栓轴向力传感器 - Google Patents

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谭波海
鲁光涛
刘奔
肖涵
王志刚
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Wuhan University of Science and Technology WHUST
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Abstract

本发明公开了一种螺栓轴向力传感器，包括螺栓和应变检测装置；所述应变检测装置设置在螺栓头部的端面上，所述应变检测装置用于检测因螺栓受到轴向预紧力而导致螺栓头部的端面在径向方向产生的压缩应变。该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

一种螺栓轴向力传感器
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，具体涉及一种螺栓轴向力传感器。
背景技术
目前，螺栓联接广泛应用在机械、化工、土木、航天等行业的各类设备和结构上，一方面联接可拆卸部件，另一方面传递零部件之间的载荷，其联接状态(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。工程中常用扭矩扳手控制螺栓额定扭矩，难以实现对工作中螺栓的联接状态的监测。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，如李聪等通过在螺栓的螺杠中心沿轴向加工盲孔，将应变片安装在盲孔内(中国实用新型专利号：201520276111.5)；郭贵福等将应变片安装在加长螺栓光滑柱面上(中国发明专利号：201310643341.6)，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/螺栓轴向力的大小。但在螺栓螺杆中心沿轴向加工盲孔并在盲孔内埋设应变片操作困难；在螺栓光滑柱面上安装应变片，在很多场合难以实现，因此上述方法均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：
一种螺栓轴向力传感器，包括螺栓和应变检测装置；所述应变检测装置设置在螺栓头部的端面上，所述应变检测装置用于检测因螺栓受到轴向预紧力而导致螺栓头部的端面在径向方向产生的压缩应变。
进一步地，所述应变检测装置为电阻应变计。
优选地，所述电阻应变计为径向应变计。
更优选地，所述电阻应变计为环形应变计，所述环形应变计的外径与所述螺栓头部的端面直径相当。
进一步优选地，所述环形应变计包括两个半环形的应变栅；所述应变栅设置在所述螺栓头部的端面的边缘上。
或者，所述环形应变计包括若干个弧形的应变栅；所述应变栅设置在所述螺栓头部的端面的边缘上。
进一步地，所述应变检测装置粘接在所述螺栓头部的端面上。
进一步地，所述应变检测装置的外部覆盖有保护层。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明的螺栓轴向力传感器在其螺栓头部的端面设置应变检测装置以检测当前螺栓受到轴向预紧力在端面径向方向产生的压缩应变。所述传感器检测到的应变数据通过后续的应变输出电路进行量化，从而掌握传感器的螺栓联接状态。不但结构简单可靠，而且所制得的传感器不受螺栓安装条件的限制，具有广泛的适用性及低成本。
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为本发明的螺栓轴向力传感器较优选实施例的结构构示意图；
图2为配合本发明的螺栓轴向力传感器进行使用的应变输出电路较优选实施例的结构示意图；
图3为M14螺栓的轴向力测量结果示意图。
其中，各附图标记为：1、应变检测装置；2、螺栓。
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，本发明的螺栓轴向力传感器，包括螺栓2和应变检测装置1；所述应变检测装置1设置在螺栓2头部的端面上，所述应变检测装置1用于检测因螺栓2受到轴向预紧力而导致螺栓2头部的端面在径向方向产生的压缩应变。为了简化结构并且有利于节约生产成本，在本实施例中，所述应变检测装置1优选为电阻应变计，更优选所述电阻应变计为径向应变计。为了与螺栓2头部的端面形状相匹配以便于将所述电阻应变计安装在螺栓2头部的端面上，在本实施例中，所述电阻应变计为环形应变计。
本发明的螺栓轴向力传感器所检测到的应变数据在进行量化时，需要连接到应变输出电路之中，利用螺栓的径向压缩应变与轴向预紧力成正比的工作原理，通过测量径向压缩应变的大小去确定轴向预紧力的大小，从而掌握传感器的螺栓联接状态。不但结构简单可靠，而且所制得的传感器不受螺栓安装条件的限制，具有广泛的适用性及低成本。其中，如图2所示，所述应变输出电路包括电桥、动态应变仪和电脑；所述应变检测装置、电桥、动态应变仪和电脑依次电性相接。所述动态应变仪包括依次电性相接的放大器、振荡器、相敏检波器和低通滤波器。
由于在发生径向应变时，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，优选将所述环形应变计的外径设置为与所述螺栓头部的端面直径相当，从而可以测量位于螺栓端面边缘处较大应变处的应变平均值，然后再通过事先标定的关系，实现测量螺栓轴向力的目的。
需要说明的是，在本实施例中，所述环形应变计的外径与所述螺栓头部的端面直径相当，具体是指，所述环形应变计的外径接近或略小于螺栓头部端面的外径。而本发明所采用的螺栓为国家或国际标准尺寸的螺栓，根据螺栓的具体型号选择对应尺寸环形应变计，形成不同系列的螺栓轴向力传感器。
而且，在本实施例中，所述环形应变计包括两个半环形的应变栅；所述应变栅设置在所述螺栓头部的端面的边缘上。只要两个所述半环形的应变栅相对接即可构成本发明的环形应变计。
或者，在其他实施例中，所述环形应变计还可以包括若干个弧形的应变栅；所述应变栅设置在所述螺栓头部的端面的边缘上。只要将若干个所述弧形的应变栅相对接也可构成本发明的环形应变计。
为了以简单的连接方式实现应变检测装置与螺栓头部的端面之间的固定连接，当所述应变检测装置为电阻应变计时，所述应变检测装置通过粘接方式固定在所述螺栓头部的端面上。而在其他实施例中，所述应变检测装置还可以为金属薄膜应变计，而当所述应变检测装置为金属薄膜应变计时，所述应变检测装置通过真空镀膜、沉积或溅射方法固定在所述螺栓头部的端面上。
在进行测试时，首先，根据所测对象选择相应的标准对象螺栓，将螺栓2头部端面加工光整。其次，选择与螺栓2头部对边尺寸相对应的外径尺寸的螺栓头部端面应应变检测装置1安装在螺栓2头部端面。然后引线组电桥后，在螺栓头部端面的应变检测装置1外覆保护层(图未示)保护螺栓头部端面应变计1，进而形成螺栓轴向力传感器。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，将应变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。
将制作好的螺栓轴向力传感器组电桥后，首先在材料试验机上进行拉伸标定，利用轴向力与输出应变之间成正比的关系，获得螺栓所受轴向力与输出应变之间的标定文件后，将螺栓轴向力传感器应用在测试中，通过测得的应变，根据标定文件得到螺栓2轴向力大小，进而获得螺栓2的联接状态。
下面以M14螺栓为例，进一步说明本发明的螺栓轴向力测量装置的工作原理：
将标准M14螺栓头部断面加工光整后，安装直径为15mm的螺栓头部端面所对应的电阻应变计，所述电阻应变计的直径为13mm。将电阻应变计引线接入后续电路，组成1/4半桥电路后接入后续的应变仪电路之中，在试验机上进行了拉伸试验。三次试验结果如图3所示，试验结果证明：螺栓头部端面的电阻应变计的输出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螺栓轴向力测量装置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)

1.一种螺栓轴向力传感器，其特征在于：包括螺栓和应变检测装置；所述应变检测装置设置在螺栓头部的端面上，所述应变检测装置用于检测因螺栓受到轴向预紧力而导致螺栓头部的端面在径向方向产生的压缩应变。
2.根据权利要求1所述的螺栓轴向力传感器，其特征在于：所述应变检测装置为电阻应变计。
3.根据权利要求2所述的螺栓轴向力传感器，其特征在于：所述电阻应变计为径向应变计。
4.根据权利要求3所述的螺栓轴向力传感器，其特征在于：所述电阻应变计为环形应变计，所述环形应变计的外径与所述螺栓头部的端面直径相当。
5.根据权利要求4所述的螺栓轴向压力传感器，其特征在于：所述环形应变计包括两个半环形的应变栅；所述应变栅设置在所述螺栓头部的端面的边缘上。
6.根据权利要求4所述的螺栓轴向压力传感器，其特征在于：所述环形应变计包括若干个弧形的应变栅；所述应变栅设置在所述螺栓头部的端面的边缘上。
7.根据权利要求1-6任何一项所述的螺栓轴向力传感器，其特征在于：所述应变检测装置粘接在所述螺栓头部的端面上。
8.根据权利要求1-6任何一项所述的螺栓轴向力传感器，其特征在于：所述应变检测装置的外部覆盖有保护层。
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