CN109632157A - 一种螺栓结合面动态应力监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于提供一种螺栓结合面动态应力监测装置，PVDF压电式应力监测传感器放置在被监测的两个工件螺栓结合面处，PVDF压电式应力监测传感器外壳设有引线通孔，导线通过引线通孔与信号采集处理电路连接，信号采集电路实现对动态应力信号的放大、滤波、无线传输。上下两工件设置有与双头螺柱配合使用的通孔。PVDF压电式应力监测传感器包括凹型保护壳、绝缘压接层、导电层、PVDF压电薄膜、接线端子。信号采集处理电路包括电荷放大电路、电压放大电路、滤波电路以及无线信号发射电路。本发明结构简单，体积小，操作方便，可以实现螺栓结合面动态应力实施监测，无线传输可以节约使用空间，减少布线麻烦。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种应力监测装置，具体地说是螺栓结合面动态应力监测装置。
背景技术
在船舶海洋工程、道桥管路、石油化工、机械设备等领域各个零部件之间通常是通过螺栓、焊接和铆接等方式连接，而绝大多数结构与设备的联结是通过螺栓实现的。各被连接件之间存在接触面，螺栓连接接触面应力分布对螺栓使用寿命、结构密封、机械系统稳定性都有重要影响。螺栓连接接触面受力较为复杂，既要承受交变载荷，温度变化，同时也传递机械设备运转产生的不平衡力，很多机械系统的最薄弱环节主要来自各个零件接触面。现有的避免螺栓失效的手段通常是在设计阶段保证足够的强度承受载荷，使用时合理控制预紧载荷，螺栓在使用时需要足够的预紧载荷克服压力载荷、外力载荷、应力松弛、热膨胀等因素造成的影响。螺栓预紧载荷不足不能保证结构的密封性，载荷过大会造成垫片等其他部件受力变形。实际使用过程中，通常使用普通扳手、力矩扳手、液压拉伸上紧保证螺栓合适的预紧载荷。很多螺栓失效案例来源于接触面受力的复杂性，轴向载荷、机械振动、交变载荷、环境温度变化等原因，如果能实时掌握接触面应力变化，就能及时发现螺栓失效，排查失效原因，避免设备事故的发生。
现有的实用新型专利申请号201020641048.8公开了一种螺纹拧紧力及被连接件结合面间眼里分布的测试装置。该装置采用立式框架，利用螺母与试件之间的压力传感器实现不同拧紧方式、不同试件、不同螺栓分布条件下拧紧力矩、夹紧力和结合面间压力分布的测试，但是该实用新型含有测试支架、驱动机构、简述机构等数量较多的部件。申请号201410629432.9通过测量邻侧面应力间接得到结合面应力分布，该系统包括压力传感器、应变片、感压纸和扫描仪等装置，该发明需要结合扫描感压纸所测的应力分布和应变片所测应力得到结合面应力分布，操作较为不便。
上述现有螺栓应力监测装置结构较为复杂，考虑到机械设备安装空间有限，给结合面应力监测带来极大不便。
发明内容
本发明的目的在于提供操作简单、便于安装的一种螺栓结合面动态应力监测装置。
本发明的目的是这样实现的：
本发明一种螺栓结合面动态应力监测装置，其特征是：包括PVDF压电式应力监测传感器、双头螺栓、上螺母、下螺母、第一工件、第二工件，双头螺栓的中部穿过第一工件、PVDF压电式应力监测传感器、第二工件，双头螺栓的上下两端分别拧有上螺母和下螺母，PVDF压电式应力监测传感器位于第一工件和第二工件之间；所述PVDF压电式应力监测传感器包括凹形保护壳上部、凹形保护壳下部、PVDF压电薄膜，凹形保护壳上部和凹形保护壳下部过盈配合安装在一起，PVDF压电薄膜安装在凹形保护壳上部和凹形保护壳下部组成的空间里， PVDF压电薄膜的上下表面均镀有导电层，导电层的周向外部设置绝缘压接层，凹形保护壳下部的侧面设置接线通孔，绝缘压接层里设置接线端子，接线端子导线从接线通孔穿出，并连接包括电荷放大、电压放大、滤波以及无线信号发射的信号采集处理电路。
本发明一种螺栓结合面动态应力监测装置，其特征是：包括PVDF压电式应力监测传感器、双头螺栓、上螺母、下螺母、工件，双头螺栓的中部穿过工件、 PVDF压电式应力监测传感器，双头螺栓的上下两端分别拧有上螺母和下螺母， PVDF压电式应力监测传感器位于上螺母和工件之间；所述PVDF压电式应力监测传感器包括凹形保护壳上部、凹形保护壳下部、PVDF压电薄膜，凹形保护壳上部和凹形保护壳下部过盈配合安装在一起，PVDF压电薄膜安装在凹形保护壳上部和凹形保护壳下部组成的空间里，PVDF压电薄膜的上下表面均镀有导电层，导电层的周向外部设置绝缘压接层，凹形保护壳下部的侧面设置接线通孔，绝缘压接层里设置接线端子，接线端子导线从接线通孔穿出，并连接包括电荷放大、电压放大、滤波以及无线信号发射的信号采集处理电路。
本发明一种螺栓结合面动态应力监测装置，其特征是：包括PVDF压电式应力监测传感器、双头螺栓、上螺母、下螺母、工件，双头螺栓的中部穿过工件、PVDF压电式应力监测传感器，双头螺栓的上下两端分别拧有上螺母和下螺母， PVDF压电式应力监测传感器位于工件和下螺母之间；所述PVDF压电式应力监测传感器包括凹形保护壳上部、凹形保护壳下部、PVDF压电薄膜，凹形保护壳上部和凹形保护壳下部过盈配合安装在一起，PVDF压电薄膜安装在凹形保护壳上部和凹形保护壳下部组成的空间里，PVDF压电薄膜的上下表面均镀有导电层，导电层的周向外部设置绝缘压接层，凹形保护壳下部的侧面设置接线通孔，绝缘压接层里设置接线端子，接线端子导线从接线通孔穿出，并连接包括电荷放大、电压放大、滤波以及无线信号发射的信号采集处理电路。
本发明还可以包括：
1、PVDF压电薄膜的厚度为8～500微米，导电层镀银处理，接线端子材质为铜，凹型保护壳上部和凹型保护壳下部的材质为Q235钢，绝缘压接层厚于接线端子，并设置有防止接线端子窜动、与压接端子等厚度的定位槽，绝缘压接层选用聚酰亚胺膜。
本发明的优势在于：本发明使用PVDF压电薄膜作为螺栓结合面动态压力传感器的感应元件具有轻薄，容易剪裁，可以根据结合面形状空间剪裁，频响范围大可以实现1赫兹到几个G赫兹，感应速度快，具有纳秒级的响应速度等特点；相比现有技术中，含有较多的机械传动部件，本发明的PVDF压电式应力监测传感器结构简单，体积小，操作方便，可以实现螺栓结合面动态应力实施监测；本装置在信号采集处理电路中设计有无线传输电路，可以实现对螺栓结合面动态应力信号的无线传输，节约使用空间，减少布线麻烦。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为PVDF压电式应力监测传感器结构示意图；
图3为PVDF压电式应力监测传感器俯视图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
结合图1-3，本发明为一种螺栓结合面动态应力监测装置，包括被监测结构本体、PVDF压电式应力监测传感器2和信号采集处理电路3。其中，PVDF压电式应力监测传感器2放置在被监测的两个工件4、5螺栓结合面处，PVDF压电式应力监测传感器2凹型保护壳2-2和2-5设有引线通孔6，导线通过引线通孔6与信号采集处理电路7连接，信号采集电路7实现对动态应力信号的放大、滤波、无线传输。
被监测结构本体包括螺母1、双头螺柱3、上部工件4和下部工件5，上部工件4和下部工件5设置有与双头螺柱3配合使用的通孔，图1所示的PVDF压电式应力监测传感器2放置在上部工件4和下部工件5之间，实际使用时这一放置位置并不是绝对的，根据动态应力监测需求也可以放置在螺母1和上部工件4之间，或者螺母1和下部工件5之间。
PVDF压电式应力监测传感器2包括凹型保护壳2-2和2-5、绝缘压接层2-3、导电层2-4、PVDF压电薄膜2-1、接线端子2-6。其中，为保证承受动应力的 PVDF压电薄膜2-1产生电荷有效输出，在PVDF压电薄膜2-1上下表面镀有导电金属层2-4，同时为防止上下导电层边缘电路导通发生短路，设置非金属绝缘窄带约为1毫米，参见图3，其中阴影线表示导电层2-4；在导电层2-4外布设绝缘压接层2-3，一方面防止导电层2-4.与保护壳电路导通起到绝缘屏蔽作用，另一方面用来压接接线端子方便引线，起到固定接线端子的作用；凹型保护壳分为上、下两部分，通过过盈配合紧固，同时凹型保护壳侧面设置有接线通孔6，以供接线端子2-6导线穿过。
信号采集处理电路7包括电荷放大电路、电压放大电路、滤波电路以及无线信号发射电路。当应力作用在PVDF压电式应力监测传感器2上时，由于压电效应，PVDF压电薄膜2-1产生电荷，但是PVDF压电薄膜2-1的输出阻抗较高，不能直接输出给无线传输电路，需要经过电荷放大电路、电压放大电路和滤波电路后上输出给无线信号发射电路。
PVDF压电薄膜2-1的厚度为8～500微米。
导电层2-4镀银处理，接线端子材质为铜。
凹型保护壳2-2和2-5为金属保护壳，优选地，材质为Q235钢。
上、下绝缘压接层2-3应厚于接线端子2-6，并设置有与压接端子等厚度的定位槽，防止接线端子窜动，作为优选方案绝缘压接层2-3选用聚酰亚胺膜。
信号采集处理电路7中，电阻R1和R3为可调电阻，电容C3为可调电容。
考虑到实际使用过程中，螺栓连接需要满足密封条件，可以在PVDF压电式应力监测传感器2上下布置垫片保证设备的密封性。
Claims (4)
1.一种螺栓结合面动态应力监测装置，其特征是：包括PVDF压电式应力监测传感器、双头螺栓、上螺母、下螺母、第一工件、第二工件，双头螺栓的中部穿过第一工件、PVDF压电式应力监测传感器、第二工件，双头螺栓的上下两端分别拧有上螺母和下螺母，PVDF压电式应力监测传感器位于第一工件和第二工件之间；所述PVDF压电式应力监测传感器包括凹形保护壳上部、凹形保护壳下部、PVDF压电薄膜，凹形保护壳上部和凹形保护壳下部过盈配合安装在一起，PVDF压电薄膜安装在凹形保护壳上部和凹形保护壳下部组成的空间里，PVDF压电薄膜的上下表面均镀有导电层，导电层的周向外部设置绝缘压接层，凹形保护壳下部的侧面设置接线通孔，绝缘压接层里设置接线端子，接线端子导线从接线通孔穿出，并连接包括电荷放大、电压放大、滤波以及无线信号发射的信号采集处理电路。
2.一种螺栓结合面动态应力监测装置，其特征是：包括PVDF压电式应力监测传感器、双头螺栓、上螺母、下螺母、工件，双头螺栓的中部穿过工件、PVDF压电式应力监测传感器，双头螺栓的上下两端分别拧有上螺母和下螺母，PVDF压电式应力监测传感器位于上螺母和工件之间；所述PVDF压电式应力监测传感器包括凹形保护壳上部、凹形保护壳下部、PVDF压电薄膜，凹形保护壳上部和凹形保护壳下部过盈配合安装在一起，PVDF压电薄膜安装在凹形保护壳上部和凹形保护壳下部组成的空间里，PVDF压电薄膜的上下表面均镀有导电层，导电层的周向外部设置绝缘压接层，凹形保护壳下部的侧面设置接线通孔，绝缘压接层里设置接线端子，接线端子导线从接线通孔穿出，并连接包括电荷放大、电压放大、滤波以及无线信号发射的信号采集处理电路。
3.一种螺栓结合面动态应力监测装置，其特征是：包括PVDF压电式应力监测传感器、双头螺栓、上螺母、下螺母、工件，双头螺栓的中部穿过工件、PVDF压电式应力监测传感器，双头螺栓的上下两端分别拧有上螺母和下螺母，PVDF压电式应力监测传感器位于工件和下螺母之间；所述PVDF压电式应力监测传感器包括凹形保护壳上部、凹形保护壳下部、PVDF压电薄膜，凹形保护壳上部和凹形保护壳下部过盈配合安装在一起，PVDF压电薄膜安装在凹形保护壳上部和凹形保护壳下部组成的空间里，PVDF压电薄膜的上下表面均镀有导电层，导电层的周向外部设置绝缘压接层，凹形保护壳下部的侧面设置接线通孔，绝缘压接层里设置接线端子，接线端子导线从接线通孔穿出，并连接包括电荷放大、电压放大、滤波以及无线信号发射的信号采集处理电路。
4.根据权利要求1-3任一所述的一种螺栓结合面动态应力监测装置，其特征是：PVDF压电薄膜的厚度为8～500微米，导电层镀银处理，接线端子材质为铜，凹型保护壳上部和凹型保护壳下部的材质为Q235钢，绝缘压接层厚于接线端子，并设置有防止接线端子窜动、与压接端子等厚度的定位槽，绝缘压接层选用聚酰亚胺膜。
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