CN111693199A - 实时精确测量压力的螺栓、测量系统和测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的用于实时精确测量压力的螺栓，属于检测领域，包括截面形状为六边形的螺栓主体；螺栓主体的顶面内凹有第一凹槽；第一凹槽内分布有用于测量第一压力值的第一测力阵列；螺栓主体的外周面内凹有第二凹槽；第二凹槽内分布有用于测量第二压力值的第二测力电桥；螺栓主体的顶面中心开设有用于安装光杆的通孔；第二测力电桥与光杆连接。本发明提供的测力螺栓能够精确测得螺栓所受的压力；避免了采用人工巡检的方式，进而避免需要工作人员利用专门的测力装置对其进行逐个测量，具有方便快捷的优点；测力螺栓整体结构简单，具备连接与测力两种功能，且不需要额外的测量仪器，有效的减少了人力物力的浪费，大大提高工作效率。
Description
技术领域
本发明涉及检测领域，更具体的，涉及用于实时精确测量压力的螺栓、测量系统和测量方法。
背景技术
在日常生活和工业制造当中，螺栓都是必不可少的，因此，螺栓也被称为工业之米。随着螺栓的使用越来越广泛，人们对于螺栓连接的连接质量与可靠性也更加关注。其中螺栓在连接时所承受的压力是至关重要的，尤其是在安装和长期使用过程中，压力的变化往往能够反映螺栓连接装置是否可靠，螺栓压力过低会达不到连接和紧固的效果，压力过高则可能对连接处造成损坏。例如，在大型机械设备安装过程当中，需要使用螺栓将不同的配件进行组合，此时我们就需要实时监测使用的螺栓受到的作用力，并以此判断连接质量的好坏，连接是否安全可靠。同样的情况还包括螺栓在建筑、桥梁、大型钢结构等多个不同场合的使用。
然而，在现有技术中，对于螺栓连接时受到的压力我们无法做到实时测量，只能采用人工巡检的方式，需要工作人员利用专门的测力装置对其进行逐个测量，这不但十分麻烦，而且浪费了大量时间与精力。
因此，需要提出有效的方案来解决以上问题。
发明内容
为了克服现有技术的缺陷，本发明的一种用于实时精确测量压力的螺栓、测量系统和测量方法，解决技术中工作效率差且不能实时测量螺栓压力的问题。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供了一种用于实时精确测量压力的螺栓，包括：
截面形状为六边形的螺栓主体；
所述螺栓主体的顶面内凹有第一凹槽；
所述第一凹槽内分布有用于测量第一压力值的第一测力阵列；
所述螺栓主体的外周面内凹有第二凹槽；
所述第二凹槽内分布有用于测量第二压力值的第二测力电桥；
所述螺栓主体的顶面中心开设有用于安装光杆的通孔；
所述第二测力电桥与所述光杆连接。
优选地，所述第一测力阵列为由多个弹簧测力计组成的弹簧测力阵列；
第二测力电桥为由多个应变片组成的电桥；
其中，各所述弹簧测力之间通过第一导线连接；各所述应变片之间通过第二导线连接。
优选地，所述弹簧测力计的数量设置6个，且均匀分布在所述第一凹槽内；
所述应变片的数量设置4个，且均匀分布在所述第二凹槽内。
本发明还提供一种实时精确测量压力的测量系统，适用于上述的用于实时精确测量压力的螺栓，包括上述的螺栓、均安装在所述螺栓内部的无线传输模块、单片机、以及显示器；
所述螺栓与所述无线传输模块电连接；
所述无线传输模块与所述单片机处理模块电连接；
所述显示器固定安装在所述螺栓上。
优选地，所述无线传输模块包括无线应变节点、以及无线网关；
所述无线应变节点接收所述第一压力值以及所述第二压力值的模拟信号，并将所述第一压力值以及所述第二压力值的模拟信号发送给所述无线网关；
所述无线网关接收所述第一压力值以及所述第二压力值的模拟信号。
优选地，还包括运算放大电路模块、以及模数转换电路；
所述运算放大电路模块对所述无线网关接收的所述第一压力值以及所述第二压力值的模拟信号进行进行放大处理，得到放大后的所述第一压力值以及所述第二压力值的模拟信号；
所述模数转换电路对所述放大后的所述第一压力值以及所述第二压力值的模拟信号进行模数转换，得到放大后的所述第一压力值以及所述第二压力值的数字信号。
优选地，所述单片机接收所述放大后的所述第一压力值以及所述第二压力值的数字信号，并对所述放大后的所述第一压力值以及所述第二压力值的数字信号通过卡尔曼滤波算法进行融合滤波，得到所述螺栓的实际压力值；
所述显示器将所述螺栓的实际压力值显示出来。
本发明还提供一种实时精确测量压力的测量方法，适用于上述的一种实时精确测量压力的测量系统，包括以下步骤：
S101：第一测力阵列测量第一压力值；
S102：第二测力电桥测量第二压力值；
S103：无线应变节点接收所述第一压力值以及所述第二压力值的模拟信号，并将所述第一压力值以及所述第二压力值的模拟信号发送给所述无线网关；
S104：所述无线网关接收所述第一压力值以及所述第二压力值的模拟信号发送给运算放大电路模块；
S105：所述运算放大电路模块对所述无线网关接收的所述第一压力值以及所述第二压力值的模拟信号进行进行放大处理，得到放大后的所述第一压力值以及所述第二压力值的模拟信号；
S106：模数转换电路对所述放大后的所述第一压力值以及所述第二压力值的模拟信号进行模数转换，得到放大后的所述第一压力值以及所述第二压力值的数字信号；
S107：单片机接收所述放大后的所述第一压力值以及所述第二压力值的数字信号，并对所述放大后的所述第一压力值以及所述第二压力值的数字信号通过卡尔曼滤波算法进行融合滤波，得到所述螺栓的实际压力值；
S108：显示器将所述螺栓的实际压力值显示出来。
本发明的有益效果为：
本发明的本发明提供一种用于实时精确测量压力的螺栓，包括：截面形状为六边形的螺栓主体1；螺栓主体1的顶面内凹有第一凹槽8；第一凹槽8内分布有用于测量第一压力值的第一测力阵列3；螺栓主体1的外周面内凹有第二凹槽2；第二凹槽2内分布有用于测量第二压力值的第二测力电桥；螺栓主体1的顶面中心开设有用于安装光杆9的通孔4；第二测力电桥与光杆9连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明提供的测力螺栓采用测力弹簧阵列和应变片同时也可以分别依次对压力进行测量，然后利用卡尔曼滤波算法对两组所测数据进行融合滤波，输出最优状态估计，准确度较高，能够精确测得螺栓所受的压力；
(2)本发明提供的测力螺栓利用导线将压力测量部分与无线应变节点相连，最终将数据传入单片机，对螺栓受力情况进行实时测量显示，避免了采用人工巡检的方式，进而避免像现有技术中需要工作人员利用专门的测力装置对其进行逐个测量，具有方便快捷的优点；
(3)本发明提供的测力螺栓整体结构简单，具备连接与测力两种功能，且不需要额外的测量仪器，有效的减少了人力物力的浪费，大大提高工作效率。
附图说明
图1是本发明具体实施方式提供的一种用于实时精确测量压力的螺栓的结构示意图；
图2是本发明具体实施方式提供的另一种用于实时精确测量压力的螺栓的结构示意图；
图3是本发明具体实施方式提供的另一种用于实时精确测量压力的螺栓的结构示意图；
图4是本发明具体实施方式提供的一种实时精确测量压力的测量系统的结构示意图；
图5是本发明具体实施方式提供的一种实时精确测量压力的测量方法的流程示意图。
图中：
1、螺栓主体；2、第二凹槽；3、第一测力阵列；4、通孔；5、测力弹簧阵列信号输出通道；6、各弹簧测力计连接导线通道；7、贴片凹槽；8、第一凹槽；9、光杆；10、应变片；11、第一导线；12、第二导线。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
图1是本发明具体实施方式提供的一种用于实时精确测量压力的螺栓的结构示意图；图2是本发明具体实施方式提供的另一种用于实时精确测量压力的螺栓的结构示意图；图3是本发明具体实施方式提供的另一种用于实时精确测量压力的螺栓的结构示意图；图4是本发明具体实施方式提供的一种实时精确测量压力的测量系统的结构示意图；图5是本发明具体实施方式提供的一种实时精确测量压力的测量方法的流程示意图，如图1至5所示。本发明提出了一种用于实时精确测量压力的螺栓，包括：截面形状为六边形的螺栓主体1；螺栓主体1的顶面内凹有第一凹槽8；第一凹槽8内分布有用于测量第一压力值的第一测力阵列3；螺栓主体1的外周面内凹有第二凹槽2；第二凹槽2内分布有用于测量第二压力值的第二测力电桥；螺栓主体1的顶面中心开设有用于安装光杆9的通孔4；第二测力电桥与光杆9连接。
以上实施中，其中，通孔4的形状为圆柱形，与光杆9的形状相适配，光杆9的形状为圆柱体。
优选地，第一测力阵列3为由多个弹簧测力计组成的弹簧测力阵列；第二测力电桥为由多个应变片10组成的电桥；
其中，各弹簧测力计之间通过第一导线11连接；各应变片10之间通过第二导线12连接。更进一步地，如图1所示的，具体实施中，第一凹槽8内除了分布有用于测量第一压力值的第一测力阵列3之外，还分布有导线11，各弹簧测力计之间通过导线11连接，第一凹槽8内且各弹簧测力计之间存在各弹簧测力计连接导线通道6；如图2所示，第二凹槽2内除了分布有用于测量第二压力值的第二测力电桥外，其中，第二测力电桥为由多个应变片10组成，还分布有第二导线12，各应变片10之间通过第二导线12连接，除此之外，螺栓主体1的外周面且处于第二凹槽2上内凹有应变片10用于贴附应变片10的贴片凹槽7，应变片10分布在贴片凹槽7内，贴片凹槽7与第二凹槽2相连通。另外，具体实施中，弹簧测力计采用微型弹簧测力计，竖直均匀分布在螺栓本体1上，共使用6个，最终将测得数据传给无线应变节点；应变片10采用半导体材料，应变片采用全桥连接，4个应变片10均匀分布，每个应变片10均配有温度补偿片，保证了测量数据的准确性，贴片凹槽7内的应变片10与螺栓本体1连线连接，将信号传送到无线应变节点。
优选地，弹簧测力计的数量设置6个，且均匀分布在第一凹槽8内；
应变片10的数量设置4个，且均匀分布在第二凹槽8内，更具体地，应变片10分布在贴片凹槽7内。
在工作过程中，第一测力阵列3当中6个均匀分布的微型弹簧测力计受到压力，弹簧长度发生变化，根据胡克定律，可以计算得到压力值大小；贴片凹槽7内的应变片10同样受到压力，应变片10本身的电阻值发生相应的变化,在电桥的作用下,电阻值将能够有效转换为电压变化,从而就能有效确定出其测量的压力值。
本发明还提供一种实时精确测量压力的测量系统，适用于上述的用于实时精确测量压力的螺栓，包括上述的螺栓、均安装在螺栓内部的无线传输模块、单片机、以及显示器；
螺栓与无线传输模块电连接；无线传输模块与单片机处理模块电连接；显示器固定安装在螺栓上。
优选地，无线传输模块包括无线应变节点、以及无线网关；
无线应变节点接收第一压力值以及第二压力值的模拟信号，并将第一压力值以及第二压力值的模拟信号发送给无线网关；其中，第一测力阵列3中的弹簧测力计通过测力弹簧阵列信号输出通道5将第一压力值的模拟信号发送给无线应变节点。
无线网关接收第一压力值以及第二压力值的模拟信号。
优选地，还包括运算放大电路模块、以及模数转换电路；运算放大电路模块对无线网关接收的第一压力值以及第二压力值的模拟信号进行进行放大处理，得到放大后的第一压力值以及第二压力值的模拟信号；
模数转换电路对放大后的第一压力值以及第二压力值的模拟信号进行模数转换，得到放大后的第一压力值以及第二压力值的数字信号。无线网关与运算放大电路模块电连接，运算放大电路模块与模数转换电路电连接。
其中，直接传输的模拟信号极其微弱，无法直接转换为数字信号，因此，需要经运算放大电路进行放大，再利用A/D转换器转换成数字信号。
优选地，单片机接收放大后的第一压力值以及第二压力值的数字信号，并对放大后的第一压力值以及第二压力值的数字信号通过卡尔曼滤波算法进行融合滤波，得到螺栓的实际压力值；
显示器将螺栓的实际压力值显示出来。
本发明还提供一种实时精确测量压力的测量方法，适用于上述的一种实时精确测量压力的测量系统，包括以下步骤：
S101：第一测力阵列测量第一压力值；
S102：第二测力电桥测量第二压力值；
S103：无线应变节点接收第一压力值以及第二压力值的模拟信号，并将第一压力值以及第二压力值的模拟信号发送给无线网关；
S104：无线网关接收第一压力值以及第二压力值的模拟信号发送给运算放大电路模块；
S105：运算放大电路模块对无线网关接收的第一压力值以及第二压力值的模拟信号进行进行放大处理，得到放大后的第一压力值以及第二压力值的模拟信号；
S106：模数转换电路对放大后的第一压力值以及第二压力值的模拟信号进行模数转换，得到放大后的第一压力值以及第二压力值的数字信号；
S107：单片机接收放大后的第一压力值以及第二压力值的数字信号，并对放大后的第一压力值以及第二压力值的数字信号通过卡尔曼滤波算法进行融合滤波，得到螺栓的实际压力值；
S108：显示器将螺栓的实际压力值显示出来。
其中，具体实施中，S101和S102无先后顺序。
卡尔曼滤波算法采用卡尔曼集中式融合，其融合结构，具体步骤如下：
设系统模型为
x(k+1)＝Ax(k)+v(k)
z(k)＝Hx(k)+w(k)
上式分别为状态转移方程和量测方程，其中k代表时刻，x(k)是表示螺栓所受压力的状态向量，z(k)是测力弹簧阵列和应变片所传输的数据构成的量测向量，矩阵A是系统的状态转移矩阵，具体实施中，矩阵A可以取A＝[1]，H是传感器的量测矩阵，具体实施中，矩阵H可以取H＝[1]，v(k)是状态噪声，具体实施中，v(k)可以取均值为0，方差为1的白噪声，w(k)表示系统运动过程中存在的噪声，是量测噪声，表示应变片在测量过程中的噪声，体实施中，w(k)可以取均值为0，方差为2的高斯白噪声。
1、根据时刻螺栓所受压力状态推出时刻状态，并更新状态向量的方差P：
P(k+1|k)＝AP(k)AT+Q
2、设测力弹簧阵列和应变片所传输的数据构成的量测向量分别为z1(k)和z2(k)，其方差分别为R1和R2，对其进行融合计算，采用加权融合的方法，以测力弹簧阵列和应变片对应的量测向量各自的方差作为权值得到融合量测向量zf(k)和对应的融合方差Rf：
zf(k)＝z1(k)+R1(R1+R2)-1(z2(k)-z1(k))
3、利用新的融合量测向量zf(k)修正估计值，并修正方差
P(k+1)＝(1-K(k+1)Hk)P(k+1|k)
其中矩阵K表示卡尔曼增益。
该过程可完成螺栓所受压力状态从时刻推出k+1时刻递推，即可根据每个时刻测力弹簧阵列和应变片传来的量测信息完成对状态的实时估计。卡尔曼集中式融合滤波根据所有获得的原始量测信息进行融合，获得全局最优估计，因而对于实时状态的估计准确度较高。
以上具体实施的一种实时精确测量压力的测量方法中，整体思路为：通过第一测力阵列测量第一压力值；第二测力电桥测量第二压力值；将第一压力值以及第二压力值的模拟信号经过导线都发送给无线应变节点，无线应变节点利用无线传输将第一压力值以及第二压力值的模拟信号发送给无线网关；无线网关通过无线电通信将第一压力值以及第二压力值的模拟信号发送给运算放大电路模块；运算放大电路模块第一压力值以及第二压力值的模拟信号进行进行放大处理，得到放大后的第一压力值以及第二压力值的模拟信号；模数转换电路接收并对放大后的第一压力值以及第二压力值的模拟信号进行模数转换，得到放大后的第一压力值以及第二压力值的数字信号；单片机接收并对放大后的第一压力值以及第二压力值的数字信号通过卡尔曼滤波算法进行融合滤波，得到螺栓的实际压力值；最终通过显示器显示出来螺栓所受的实际压力值。
可以看出，以上实施的整体思路中，需要经过无线网关以无线电的方式发射信号。那么，除此之外，还可以整体思路中不需要无线网关，而是采用全部以有线的方式传输信号；即具体地，为：通过第一测力阵列测量第一压力值；第二测力电桥测量第二压力值；将第一压力值以及第二压力值的模拟信号经过导线都发送给无线应变节点，无线应变节点利用导线将第一压力值以及第二压力值的模拟信号发送给运算放大电路模块；运算放大电路模块第一压力值以及第二压力值的模拟信号进行进行放大处理，得到放大后的第一压力值以及第二压力值的模拟信号；模数转换电路接收并对放大后的第一压力值以及第二压力值的模拟信号进行模数转换，得到放大后的第一压力值以及第二压力值的数字信号；单片机接收并对放大后的第一压力值以及第二压力值的数字信号通过卡尔曼滤波算法进行融合滤波，得到螺栓的实际压力值；最终通过显示器显示出来螺栓所受的实际压力值。
以上采用的两种方式，在具体实施中可以任意采用。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明提供的测力螺栓采用测力弹簧阵列和应变片同时也可以分别依次对压力进行测量，然后利用卡尔曼滤波算法对两组所测数据进行融合滤波，输出最优状态估计，准确度较高，能够精确测得螺栓所受的压力；
(2)本发明提供的测力螺栓利用导线将压力测量部分与无线应变节点相连，最终将数据传入单片机，对螺栓受力情况进行实时测量显示，避免了采用人工巡检的方式，进而避免像现有技术中需要工作人员利用专门的测力装置对其进行逐个测量，具有方便快捷的优点；
(3)本发明提供的测力螺栓整体结构简单，具备连接与测力两种功能，且不需要额外的测量仪器，有效的减少了人力物力的浪费，大大提高工作效率。
本发明是通过优选实施例进行描述的，本领域技术人员知悉，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，其他落入本申请的权利要求内的实施例都属于本发明保护的范围。
Claims (8)
1.一种用于实时精确测量压力的螺栓，其特征在于，包括：
截面形状为六边形的螺栓主体；
所述螺栓主体的顶面内凹有第一凹槽；
所述第一凹槽内分布有用于测量第一压力值的第一测力阵列；
所述螺栓主体的外周面内凹有第二凹槽；
所述第二凹槽内分布有用于测量第二压力值的第二测力电桥；
所述螺栓主体的顶面中心开设有用于安装光杆的通孔；
所述第二测力电桥与所述光杆连接。
2.如权利要求1所述的一种用于实时精确测量压力的螺栓，其特征在于：
所述第一测力阵列为由多个弹簧测力计组成的弹簧测力阵列；
第二测力电桥为由多个应变片组成的电桥；
其中，各所述弹簧测力之间通过第一导线连接；各所述应变片之间通过第二导线连接。
3.如权利要求2所述的一种用于实时精确测量压力的螺栓，其特征在于：
所述弹簧测力计的数量设置6个，且均匀分布在所述第一凹槽内；
所述应变片的数量设置4个，且均匀分布在所述第二凹槽内。
4.一种实时精确测量压力的测量系统，适用于权利要求1至3任一项所述的用于实时精确测量压力的螺栓，其特征在于：
包括权利要求1至3任一项所述的螺栓、均安装在所述螺栓内部的无线传输模块、单片机、以及显示器；
所述螺栓与所述无线传输模块电连接；
所述无线传输模块与所述单片机处理模块电连接；
所述显示器固定安装在所述螺栓上。
5.如权利要求4所述的一种实时精确测量压力的测量系统，其特征在于：
所述无线传输模块包括无线应变节点、以及无线网关；
所述无线应变节点接收所述第一压力值以及所述第二压力值的模拟信号，并将所述第一压力值以及所述第二压力值的模拟信号发送给所述无线网关；
所述无线网关接收所述第一压力值以及所述第二压力值的模拟信号。
6.如权利要求5所述的一种实时精确测量压力的测量系统，其特征在于：
还包括运算放大电路模块、以及模数转换电路；
所述运算放大电路模块对所述无线网关接收的所述第一压力值以及所述第二压力值的模拟信号进行进行放大处理，得到放大后的所述第一压力值以及所述第二压力值的模拟信号；
所述模数转换电路对所述放大后的所述第一压力值以及所述第二压力值的模拟信号进行模数转换，得到放大后的所述第一压力值以及所述第二压力值的数字信号。
7.如权利要求6所述的一种实时精确测量压力的测量系统，其特征在于：
所述单片机接收所述放大后的所述第一压力值以及所述第二压力值的数字信号，并对所述放大后的所述第一压力值以及所述第二压力值的数字信号通过卡尔曼滤波算法进行融合滤波，得到所述螺栓的实际压力值；
所述显示器将所述螺栓的实际压力值显示出来。
8.一种实时精确测量压力的测量方法，适用于权利要求7所述的一种实时精确测量压力的测量系统，其特征在于：包括以下步骤：
S101：第一测力阵列测量第一压力值；
S102：第二测力电桥测量第二压力值；
S103：无线应变节点接收所述第一压力值以及所述第二压力值的模拟信号，并将所述第一压力值以及所述第二压力值的模拟信号发送给所述无线网关；
S104：所述无线网关接收所述第一压力值以及所述第二压力值的模拟信号发送给运算放大电路模块；
S105：所述运算放大电路模块对所述无线网关接收的所述第一压力值以及所述第二压力值的模拟信号进行进行放大处理，得到放大后的所述第一压力值以及所述第二压力值的模拟信号；
S106：模数转换电路对所述放大后的所述第一压力值以及所述第二压力值的模拟信号进行模数转换，得到放大后的所述第一压力值以及所述第二压力值的数字信号；
S107：单片机接收所述放大后的所述第一压力值以及所述第二压力值的数字信号，并对所述放大后的所述第一压力值以及所述第二压力值的数字信号通过卡尔曼滤波算法进行融合滤波，得到所述螺栓的实际压力值；
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| CN202010380741.2A CN111693199A (zh) | 2020-05-05 | 2020-05-05 | 实时精确测量压力的螺栓、测量系统和测量方法 |
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|---|---|
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|---|---|---|---|
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Citations (5)
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|---|---|---|---|---|
| CN101659048A (zh) * | 2008-08-27 | 2010-03-03 | 旭电机株式会社 | 紧固装置及其轴向力检测系统 |
| CN110514345A (zh) * | 2019-08-23 | 2019-11-29 | 武汉科技大学 | 一种电容式螺栓预紧力的测量监测装置 |
| JP2020020749A (ja) * | 2018-08-03 | 2020-02-06 | 本田技研工業株式会社 | ボルト軸力測定方法及びこの方法に使用するボルト |
| CN110953233A (zh) * | 2019-11-13 | 2020-04-03 | 南昌大学 | 一种能够实时精密测量压力的双头螺栓结构 |
| CN111059123A (zh) * | 2019-11-13 | 2020-04-24 | 南昌大学 | 一种能够实时测量压力和压强的螺栓结构 |
-
2020
- 2020-05-05 CN CN202010380741.2A patent/CN111693199A/zh active Pending
Patent Citations (5)
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|---|---|---|---|---|
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