CN110514345B - 一种电容式螺栓预紧力的测量监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及螺栓联接状态测量技术领域，特指一种电容式螺栓预紧力的测量监测装置，包括上极板、支撑结构与下极板，上极板通过螺钉一联接和固定于支撑结构上部，下极板通过螺钉二联接和固定于支撑结构下部，上极板上固定有环形PCB板一，下极板上固定有环形PCB板二，环形PCB板一与环形PCB板二对应设置，支撑结构中间设有用于安装所监测螺栓的螺栓通孔。通过电容传感元件将螺栓预紧力作用下支撑结构的压缩变形导致电容器极间距发生改变，进而引起电容变化，通过测量电路转换成电信号，再由电信号数值经相关公式计算螺栓预紧力大小，可准确的测量出螺栓预紧力，或通过事先标定获得传感器所受螺栓预紧力与电信号之间的关系，实现螺栓预紧力的测量与监测。
Description
技术领域
本发明涉及螺栓性能测量技术领域，特指一种电容式螺栓预紧力的测量监测装置。
背景技术
螺栓被广泛应用于制造行业中，螺栓作为主要的联接件和载荷传递件，它的安全直接关系到整个设备的安全性能。而预紧力是螺栓拧紧过程中需要测量的重要性能指标。在使用过程中，因螺栓装配预紧力控制偏差导致的事故时有发生。因此，在螺栓联接时需要对螺栓预紧力进行精确控制。现有螺栓预紧力测量装置通常采用粘贴应变片的方式进行测量，即通过在被测试物上粘贴应变片而获得螺栓或螺栓组的预紧力的方法。
例如，公告号为CN204085765U的中国实用新型专利，公开了“螺栓预紧力测量装置”，其通过在支撑结构四个凹槽处的上表面和下表面分别粘贴应变片的方式对预紧力进行测量。此种通过粘贴应变片的方式存在一定缺陷，该方法在实施过程中需要粘贴多个应变片，不仅繁琐，而且需要留出足够的空间放置应变片引线因而采用粘贴应变片的方式进行螺栓预紧力测量，存在测量装置结构复杂的问题，且采用粘贴的方式安装应变片，长时间监测时，应变片由于粘贴层发生蠕变等影响因素，影响测量精度，故不适合长时间监测。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种电容式螺栓预紧力的测量监测装置，有效克服现有技术中测量装置结构复杂的缺陷，有效测量螺栓的真实预紧力。
为了实现上述目的，本发明应用的技术方案如下：
一种电容式螺栓预紧力的测量监测装置，包括上极板、支撑结构与下极板，上极板通过螺钉一联接和固定于支撑结构上部，下极板通过螺钉二联接和固定于支撑结构下部，上极板上固定有环形PCB板一，下极板上固定有环形PCB板二，环形PCB板一与环形PCB板二对应设置，支撑结构中间设有用于安装所监测螺栓的螺栓通孔，螺栓通孔的尺寸可根据所监测螺栓的型号进行设计，形成系列。
进一步而言，所述环形PCB板一与环形PCB板二分别设于上极板与下极板相对的面上。
进一步而言，所述上极板与下极板的结构与材料相同，环形PCB板一与环形PCB板二的结构与材料相同。
进一步而言，所述环形PCB板一从内到外依次设有环形内等电位环、环形内绝缘环、环形导电电极、环形外绝缘环与环形外等电位环，环形内等电位环上设有接线柱二，环形导电电极上设有接线柱三，环形外等电位环上设有接线柱一，接线柱二、接线柱三与接线柱一之间通过电缆相连导通，并外接于测量电路。
进一步而言，所述上极板与下极板相对的面上成型设有便于电缆引出的矩形槽。
进一步而言，所述支撑结构的上部与下部分别设有凸台，上极板与下极板内分别设有与凸台对应设置的环形槽，凸台的台肩与环形槽的底部上分别设有螺孔。
进一步而言，所述环形PCB板一的环形导电电极与环形PCB板二的环形导电电极分别为电容式传感器的两个环形电极；PCB板一的环形内/外等电位环与环形PCB板二的内/外等电位环形成保护电位环，消除电容测量时的边缘效应。
进一步而言，所述环形PCB板一与环形PCB板二通过上极板、支撑结构与下极板之间的装配关系来保证位置平行对正，且使环形PCB板一与环形PCB之间存在间距。
本发明有益效果：
本发明采用这样的结构设置，通过电容传感元件将螺栓预紧力作用下支撑结构的微压缩变形导致电容器极间距发生改变，进而引起电容变化，通过测量电路转换成电信号，再由电信号数值经相关公式计算螺栓预紧力大小，可准确的测量出螺栓预紧力，或通过事先标定获得传感器所受螺栓预紧力与电信号之间的关系，实现螺栓预紧力的测量与监测，其结构简单，设计合理，操作方便，在保证不损坏螺栓的前提下，实现螺栓预紧力的实时监测。
附图说明
图1是本发明整体结构俯视图；
图2是图1中A-A位置剖视图；
图3是环形PCB板结构示图；
图4是图3中B-B位置剖视图；
图5是电容式传感器工作流程简图。
1.上极板；2.支撑结构；20.凸台；3.电缆；4.环形PCB板一；40.环形PCB板二；5.螺钉一；6.下极板；7.环形外等电位环；8.环形外绝缘环；9.环形导电电极；10.接线柱一；11.接线柱二；12.环形内绝缘环；13.环形内等电位环；14.接线柱三；15.矩形槽；16.环形槽；17.螺钉二。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明的技术方案进行说明。
如图1至图4所示，本发明所述一种电容式螺栓预紧力的测量监测装置，包括上极板1、支撑结构2与下极板6，上极板1通过螺钉一5联接和固定于支撑结构2上部，下极板6通过螺钉二17联接和固定于支撑结构2下部，上极板1上固定有环形PCB板一4，下极板6上固定有环形PCB板二40，环形PCB板一4与环形PCB板二40对应设置，支撑结构2中间设有用于安装所监测螺栓的螺栓通孔螺栓通孔的尺寸可根据所监测螺栓的型号进行设计，形成系列。以上所述构成本发明基本结构。
更具体而言，所述环形PCB板一4与环形PCB板二40分别设于上极板1与下极板6相对的面上。
更具体而言，所述上极板1与下极板6的结构与材料相同，环形PCB板一4与环形PCB板二40的结构与材料相同。
更具体而言，所述环形PCB板一4从内到外依次设有环形内等电位环13、环形内绝缘环12、环形导电电极9、环形外绝缘环8与环形外等电位环7，环形内等电位环13上设有接线柱二11，环形导电电极9上设有接线柱三14，环形外等电位环7上设有接线柱一10，接线柱二11、接线柱三14与接线柱一10之间通过电缆3相连导通，并外接于测量电路。
更具体而言，所述上极板1与下极板6相对的面上成型设有便于电缆3引出的矩形槽15。
更具体而言，所述PCB板一4的环形内等电位环13和环形外等电位环7与环形PCB板二40的环形内等电位环13和环形外等电位环7形成保护电位环，消除电容测量时的边缘效应。
更具体而言，所述支撑结构2的上部与下部分别设有凸台20，上极板1与下极板6内分别设有与凸台20对应设置的环形槽16，凸台20的台肩与环形槽16的底部上分别设有螺孔。
更具体而言，所述环形PCB板一4与环形PCB板二40分别为电容式传感器的两个环形电极。
实际应用中，环形PCB板一4与环形PCB板二40的半径可根据螺钉预紧力的大小进行设计。
更具体而言，所述环形PCB板一4与环形PCB板二40通过上极板1、支撑结构2与下极板6之间的装配关系来保证位置平行对正，且使环形PCB板一4与环形PCB板二40之间存在间距。
更具体而言，所述支撑结构2的尺寸可根据所监测螺栓的型号进行设计，形成系列。
实际应用中，环形PCB板一4与环形PCB板二40之间的间距大小根据测量螺栓的预紧力进行设计。
本发明采用这样的结构设置，通过电容传感元件将螺栓预紧力作用下支撑结构2的压缩变形导致电容器极间距发生改变，进而引起电容变化，通过测量电路转换成电信号，再由电信号数值经相关公式计算螺栓预紧力大小，可准确的测量出螺栓预紧力，或通过事先标定获得传感器所受螺栓预紧力与电信号之间的关系，实现螺栓预紧力的测量与监测，其结构简单，设计合理，操作方便，在保证不损坏螺栓的前提下，实现螺栓预紧力的实时监测。
如图5所示，当螺栓预紧力作用于支撑结构时，支撑结构沿轴向受力方向发生变形，导至环形电容传感元件电极距离发生变化，环形电容传感元件电容值会发生改变，电容测量模块测量电容的变化量，并把测得数据保存在内部寄存器中，然后把数据传输到微控制模块中，对数据进行适当处理后把结果通过通讯模块发送到上位机界面上显示。
本发明的工作原理：利用胡克定律研究螺栓预紧力作用下支撑结构2的轴向变形，预紧力作用下支撑结构2上、下截面各点存在的正应力σ，沿截面均匀分布，如支撑结构截面积为A0，预紧力FN,截面各点处的正应力均为1)σ＝FN/A0，将压缩量Δh除以厚度得到轴线方向的线应变2)ε＝Δh/h，在比例极限内，正应力与正应变成比例，即3)σ＝E·ε，其中E为弹性模量，将1)2)代入3)得
当预紧力不超过比例极限时，压缩量Δh与预紧力FN和本装置的原厚度h成正比，与EA成反比。
由本装置的结构特点，可知预紧力作用下支撑结构产生压缩量Δh，即为电容两电极间距离的减小量，当两电极间距离变化时，电容传感元件电容值产生变化，从而将预紧力作用下支撑结构2的压缩变形换成电信号，平行板电容器的电容为4)
式中C0为电容量，ε0为真空介电常数，εr为相对介电常数，A1为极板的有效面积，δ为极板间的初始有效距离，螺栓预紧力作用下本装置产生压缩量Δh时，电容器的电容为5)
其具体测量过程如下：首先按如图2所示装配好本测量装置，在不施加预紧力的情况下，记录下此时传感器的初始电容量4)C0，其次螺栓预紧，在预紧力的作用下，支撑结构在轴向产生压缩量Δh，传感器上、下极板的间距减小Δh，记录下此时传感器的电容量5)C1。
根据记录的电容器电容值C1，计算压缩量Δh的具体数值，由
可以得到产生压缩量Δh的表达式即
从而计算出压缩量Δh的具体数值，根据计算出压缩量Δh的具体数值，计算螺栓预紧力FN，由表达式
可以得到螺栓预紧力的表达式即
本发明通过电容传感元件将螺栓预紧力作用下支撑结构2的微压缩变形导致电容器极间距发生改变，进而引起电容变化，通过测量电路转换成电信号，由电信号数值根据相关公式计算出压缩量Δh，再由压缩量Δh根据公式计算出预紧力大小，可准确的测量出螺栓预紧力；或通过事先标定获得传感器所受螺栓预紧力与电信号之间的关系，实现螺栓预紧力的测量与监测。
以上对本发明实施例中的技术方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种电容式螺栓预紧力的测量监测装置，其特征在于：包括上极板（1）、支撑结构（2）与下极板（6），所述上极板（1）通过螺钉一（5）联接和固定于支撑结构（2）上部，所述下极板（6）通过螺钉二（17）联接和固定于支撑结构（2）下部，所述上极板（1）上固定有环形PCB板一（4），所述下极板（6）上固定有环形PCB板二（40），所述环形PCB板一（4）与环形PCB板二（40）对应设置，所述支撑结构（2）中间设有用于安装所监测螺栓的螺栓通孔，所述螺栓通孔的尺寸可根据所监测螺栓的型号进行设计，形成系列，所述支撑结构（2）的上部与下部分别设有凸台（20），所述上极板（1）与下极板（6）内分别设有与凸台（20）对应设置的环形槽（16），所述凸台（20）的台肩与环形槽（16）的底部上分别设有螺孔，所述环形PCB板一（4）与环形PCB板二（40）分别设于上极板（1）与下极板（6）相对的面上。
2.根据权利要求1所述的一种电容式螺栓预紧力的测量监测装置，其特征在于：所述上极板（1）与下极板（6）的结构与材料相同，所述环形PCB板一（4）与环形PCB板二（40）的结构与材料相同。
3.根据权利要求2所述的一种电容式螺栓预紧力的测量监测装置，其特征在于：所述环形PCB板一（4）从内到外依次设有环形内等电位环（13）、环形内绝缘环（12）、环形导电电极（9）、环形外绝缘环（8）与环形外等电位环（7），所述环形内等电位环（13）上设有接线柱二（11），所述环形导电电极（9）上设有接线柱三（14），所述环形外等电位环（7）上设有接线柱一（10），所述接线柱二（11）、接线柱三（14）与接线柱一（10）之间通过电缆（3）相连导通，并外接于测量电路。
4.根据权利要求3所述的一种电容式螺栓预紧力的测量监测装置，其特征在于：所述上极板（1）与下极板（6）相对的面上成型设有便于电缆（3）引出的矩形槽（15）。
5.根据权利要求3所述的一种电容式螺栓预紧力的测量监测装置，其特征在于：所述PCB板一（4）的环形内等电位环（13）和环形外等电位环（7）与环形PCB板二（40）的环形内等电位环（13）和环形外等电位环（7）形成保护电位环，消除电容测量时的边缘效应。
6.根据权利要求1所述的一种电容式螺栓预紧力的测量监测装置，其特征在于：所述环形PCB板一（4）与环形PCB板二（40）分别为电容式传感器的两个环形电极。
7.根据权利要求1所述的一种电容式螺栓预紧力的测量监测装置，其特征在于：所述环形PCB板一（4）与环形PCB板二（40）通过上极板（1）、支撑结构（2）与下极板（6）之间的装配关系来保证位置平行对正，且使环形PCB板一（4）与环形PCB板二（40）之间存在间距。
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Application publication date: 20191129 Assignee: Wuhan Maiqukesi Intelligent Technology Co.,Ltd. Assignor: WUHAN University OF SCIENCE AND TECHNOLOGY Contract record no.: X2024980004037 Denomination of invention: A measuring and monitoring device for pre tightening force of capacitive bolts Granted publication date: 20210917 License type: Common License Record date: 20240408 |