CN111855047A - 压电元件和电阻应变片复合感知螺栓旋紧状态的在线装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压电元件和电阻应变片复合感知螺栓旋紧状态的在线装置和方法。螺栓穿过第二垫片、上下工件、第一垫片后和螺母套装紧固连接；第一第二垫片结构相同，均包含垫片结构钢件和压电陶瓷片；垫片结构钢件为柱体，电压陶瓷片装在中间台阶；垫片结构钢件在下圆柱的侧面上开设有插销孔，插销穿入经过插销孔后插入到螺栓的孔槽中；第二垫片结构钢件上圆柱的侧面上安装有电阻应变片桥，第一垫片上还安装有测压紧力传感器控制器，第一第二压电陶瓷片和电阻应变片桥通过导线均与测压紧力传感器控制器电连接。本发明能实现对螺栓连接组的实时监测，节省了原本需要到现场监测的时间，在恶劣环境下能很轻松监控检测并报警。

Description

压电元件和电阻应变片复合感知螺栓旋紧状态的在线装置

技术领域

本发明涉及螺栓连接状态监测领域的一种螺栓旋紧检测装置和方法，更具体的，涉及一种压电元件和电阻应变片复合感应螺栓旋紧和松动的在线检测装置和方法。

背景技术

螺栓联接结构在工程中的应用非常广泛，受工况变化的影响，螺栓在使用过程中所承载的载荷会经常发生波动，受此影响，不可避免的会有部分螺栓发生松动，关键部位的螺栓松动常常会造成设备损坏和安全事故。然而，虽然目前对于螺栓连接状态的检测方法有许多，比如扭矩扳手法、贴片光弹法、声弹性法、电阻应变片法，但是它们有的需要工作人员前去现场观察，耗时耗力，有的则是使用条件苛刻不利于现场使用。

随着螺栓连接状态检测技术的发展，未来的检测手段一定具有智能化，实时性，使用方便的特点。现有技术缺少了这样针对螺栓旋紧连接状态进行检测的装置和方法。

发明内容

为了克服现有检测方法中存在的监测过程需要人工参与、工况恶劣难以监测、监测频率低等缺点，本发明提出了一种压电元件和电阻应变片复合感应螺栓旋紧和松动检测方法，能够很方便运用到现场检测中，并且能够对目标螺栓的连接状态进行实时检测，同时把监测到的信息以无线的方式传输回接收端，并对超过阈值的数据在远程接收端处进行报警提示，通过这样的方式可以很方便的对数量庞大的螺栓进行状态监控，使得松动的螺栓能够及时被发现并维修。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一、一种压电元件和电阻应变片复合感知螺栓旋紧状态的在线装置：

包含螺栓连接组、上工件、下工件和测压紧力传感器，螺栓连接组包含螺栓和螺母，测压紧力传感器包含测压紧力传感器结构体和测压紧力传感器控制器，测压紧力传感器结构体包含第一垫片和第二垫片；上工件、下工件、第一垫片、第二垫片都带有螺栓孔，螺栓穿过第二垫片、下工件、上工件和第一垫片后与螺母套装紧固连接；第一垫片包含第一垫片结构钢件和第一压电陶瓷片；第一垫片结构钢件为中间具有台阶形成上下两级圆柱的柱体，第一电压陶瓷片安装在第一垫片结构钢件中间台阶上；第一垫片结构钢件在下圆柱的侧面上开设有第一插销孔，第一插销孔对应处的螺栓侧壁开设有第一孔槽，第一插销穿入经过第一插销孔后插入到第一孔槽中；第二垫片包含第二垫片结构钢件和第二压电陶瓷片；第二垫片结构钢件为中间具有台阶形成上下两级圆柱的柱体，第二电压陶瓷片安装在第二垫片结构钢件中间台阶上，第二垫片结构钢件在下圆柱的侧面上开设有第二插销孔，第二插销孔对应处的螺栓侧壁开设有第二孔槽，第二插销穿入经过第二插销孔后插入到第二孔槽中；第二垫片结构钢件上圆柱的侧面上安装有电阻应变片桥，第一垫片上还安装有测压紧力传感器控制器，第一压电陶瓷片、第二压电陶瓷片和电阻应变片桥通过导线均与测压紧力传感器控制器电连接。

所述的测压紧力传感器控制器包含控制板和环形密封外壳，环形密封外壳安装于第一垫片的第一垫片结构钢件上部周围，控制板安装于环形密封外壳内；控制板包含微控制器、电源模块、无线通讯模块、信号放大模块；电源模块、无线通讯模块、信号放大模块均连接到微控制器，信号放大模块分别连接到第一压电陶瓷片、第二压电陶瓷片和电阻应变片桥，无线通讯模块连接到远程计算机。

所述的电源模块包含可充电锂电池、环形太阳能电池和充电管理模块，可充电锂电池、环形太阳能电池均经充电管理模块连接到微控制器。

所述的信号放大模块包含一个驱动放大器、一个电荷放大器和一个差分放大器；驱动放大器与第一压电陶瓷片电连接，对微控制器输出的正弦信号进行放大后驱动第一压电陶瓷片；电荷放大器与第二压电陶瓷片电连接，对第二压电陶瓷片输出的信号进行放大，再输入到微控制器进行采样；差分放大器与电阻应变片桥电连接，对电阻应变片桥的输出电压进行放大，再输入到微控制器进行采样。

二、应用于在线检测装置的在线检测方法：

在螺栓穿过第二垫片、下工件、上工件和第一垫片后和螺母通过螺纹套装连接后，测压紧力传感器进行工作：

首先，第一压电陶瓷片产生超声波，超声波在沿第一垫片结构钢件介质中传播到第一垫片结构钢件与上工件的交界面处，超声波经交界面传播到上工件，再经上工件和下工件之间的交界面传播到下工件，接着经下工件和第二垫片结构钢件之间的交界面传播到第二垫片结构钢件，最终第二垫片结构钢件被第二压电陶瓷片检测接收；

当螺栓和螺母相对旋紧施加而产生的压紧力发生变化时，测压紧力传感器的两个垫片结构钢件恩波与两个工件所受正压力会发生变化，各处交界面实际接触面积会发生变化，透过的超声波能量也会发生变化，进而通过第二压电陶瓷片检测带有透过超声波能量变化的压电信号，根据压电信号输出不同幅值的信号表征不同的透过超声波能量，进而表征螺栓和螺母之间的旋紧状态；

同时，当螺栓和螺母相对旋紧施加而产生的压紧力发生变化时，测压紧力传感器所受压力也会发生变化，导致第二垫片结构钢件产生变形，变形程度发生变化，第二垫片结构钢件发生变形带动电阻应变片桥变形，导致电阻应变片桥内部的电桥失去平衡，电阻应变片桥输出与被测压紧力对应的变形量成正比的电压，根据电压表征螺栓和螺母之间的旋紧状态。

电阻应变片桥和第二压电陶瓷片分别输出的检测信号，在微控制器中经过数据融合处理后得到能表征螺栓和螺母之间旋紧状态的数据检测结果。

本发明专利的有益效果是：

本发明能实现对螺栓连接组的实时监测，间断性地采集当前螺栓连接组的状态信息，并将信息通过无线电的方式发送给远程计算机，工作人员可以很方便地在计算机上观察到螺栓连接组的健康状态，节省了原本需要到现场监测的时间。

本发明尤其是对那些安装在恶劣环境下，工作人员原本难以接近的螺栓连接组，同样可以很轻松地进行监控，而且由于采集频率高所以能够及时地发现问题并报警，提醒工作人员进行及时地维修，避免了由于人工监测频率低以至于松动的螺栓未能及时维修而导致的设备损坏，人员伤亡等问题。

附图说明

图1为测压紧力传感器与螺栓连接组装配二维示意图；

图2为测压紧力传感器与螺栓连接组装配三维示意图；

图3为第一垫片结构图；

图4为第二垫片结构图；

图5为控制板的结构电连接示意图。

图中：1、螺栓；2、螺母；3、环形太阳能电池；4、可充电锂电池；5、控制板；6、上工件；7、下工件；8、第一插销；9、天线；10、第二插销；11、第二压电陶瓷片；12、电阻应变片桥；13、第一压电陶瓷片；14、第一垫片结构钢件；15、第二垫片结构钢件；16、环形密封外壳；17、第一插销孔；18、螺栓孔；19、第二插销孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施对本发明作进一步说明。

请参照图1和图2所示，包含螺栓连接组、上工件6、下工件7和测压紧力传感器，螺栓连接组包含螺栓1和螺母2，螺栓1在螺杆部分的侧面上开设有两个插销孔；测压紧力传感器包含测压紧力传感器结构体和测压紧力传感器控制器，测压紧力传感器结构体包含第一垫片和第二垫片；上工件6、下工件7、第一垫片、第二垫片都带有螺栓孔18，螺栓1从下到上依次穿过第二垫片、下工件7、上工件6和第一垫片后与螺母2套装紧固连接；具体地，第一垫片和第二垫片分别被置于上工件6表面和下工件7表面，螺栓孔18对齐后螺栓1从第二垫片螺栓孔18处穿过，连接第二垫片、下工件7、上工件6和第一垫片，再用螺母2拧紧。

如图3所示，第一垫片包含第一垫片结构钢件14和第一压电陶瓷片13；第一垫片结构钢件14为中间具有台阶形成上下两级圆柱的柱体，有上级直径小、下级直径大的两个不同圆柱体同轴构成，第一垫片结构钢件14的中心开设有沿轴线方向的用于螺栓1穿过的螺栓孔18，第一电压陶瓷片13安装在第一垫片结构钢件14中间台阶上；第一垫片结构钢件14在下圆柱的侧面上开设有第一插销孔17，第一插销孔17对应处的螺栓1侧壁开设有第一孔槽，第一插销8穿入经过第一插销孔17后插入到第一孔槽中。

如图4所示，第二垫片包含第二垫片结构钢件15和第二压电陶瓷片11；第二垫片结构钢件15为中间具有台阶形成上下两级圆柱的柱体，有上级直径大、下级直径小的两个不同圆柱体同轴构成，第二垫片结构钢件15的中心开设有沿轴线方向的用于螺栓1穿过的螺栓孔18，第二电压陶瓷片11安装在第二垫片结构钢件15中间台阶上，第二垫片结构钢件15在下圆柱的侧面上开设有第二插销孔19，第二插销孔19对应处的螺栓1侧壁开设有第二孔槽，第二插销10穿入经过第二插销孔19后插入到第二孔槽中；

这样螺栓1、第一垫片结构钢件14和第二垫片结构钢件15通过第一插销8、第二插销10、第一插销孔17和第二插销孔19连接定位，限位螺栓1和第一垫片结构钢件14、第二垫片结构钢件15之间发生相对旋转位移，防止旋紧时第一垫片结构钢件14和第二垫片结构钢件15发生相对位移，破坏第一压电陶瓷片13、第二压电陶瓷片11的相对空间位置，影响测量结果。

第二垫片结构钢件15上圆柱的侧面上安装有电阻应变片桥12，第一垫片的第一垫片结构钢件14上还安装有测压紧力传感器控制器，第一压电陶瓷片13、第二压电陶瓷片11和电阻应变片桥12通过导线均与测压紧力传感器控制器电连接。

如图1所示，测压紧力传感器控制器包含控制板5和环形密封外壳16，环形密封外壳16安装于第一垫片的第一垫片结构钢件14上部周围，控制板5安装于环形密封外壳16内。

如图4所示，控制板5包含微控制器、电源模块、无线通讯模块、信号放大模块；电源模块、无线通讯模块、信号放大模块均连接到微控制器，信号放大模块分别连接到第一压电陶瓷片13、第二压电陶瓷片11和电阻应变片桥12，无线通讯模块连接到远程计算机。

微控制器具体可采用STM32单片机，通过片内模数转换对第一压电陶瓷片13、第二压电陶瓷片11和电阻应变片桥12输出的模拟信号进行采样并处理，通过串口与无线通讯模块进行数据交换连接；以及产生用以激励第一压电陶瓷片13工作的正弦信号：将正弦信号的正弦波形幅值表存储在片内只读存储器内，设置内部直接存贮器访问通道，将正弦信号的正弦波单周期脉冲输出至片内数模转换，通过设置调出正弦波的速度设置正弦波频率，输出稳定的正弦波激励第一压电陶瓷片13。

电源模块包含可充电锂电池4、环形太阳能电池3和充电管理模块，可充电锂电池4、环形太阳能电池3均经充电管理模块连接到微控制器，负责为控制器上其它部分以及测压紧力传感器提供能量。

无线通讯模块与微控制器上的通讯端口相连，负责将经控制器处理后的能够表征螺栓连接状态的信号通过天线9发送给远程计算机。

信号放大模块包含一个驱动放大器、一个电荷放大器和一个差分放大器；驱动放大器与第一压电陶瓷片13电连接，对微控制器输出的正弦信号进行放大后驱动第一压电陶瓷片13；电荷放大器与第二压电陶瓷片11电连接，对第二压电陶瓷片11输出的信号进行放大，再输入到微控制器进行采样；差分放大器与电阻应变片桥12电连接，对电阻应变片桥12的输出电压进行放大，再输入到微控制器进行采样。

本发明装置的实施工作过程是：

在螺栓1穿过第二垫片、下工件7、上工件6和第一垫片后和螺母2通过螺纹套装连接后，测压紧力传感器进行工作：

首先，第一压电陶瓷片13产生超声波，超声波在沿第一垫片结构钢件14介质中传播到第一垫片结构钢件14与上工件6的交界面处，超声波经交界面传播到上工件6，再经上工件6和下工件7之间的交界面传播到下工件7，接着经下工件7和第二垫片结构钢件15之间的交界面传播到第二垫片结构钢件15，最终第二垫片结构钢件15被第二压电陶瓷片11检测接收；在第一垫片结构钢件14与上工件6的交界面处，理想情况下第一垫片结构钢件14表面与上工件6表面应当完全接触在一起，形成理想接触面积，但是由于表面粗糙度的存在，第一垫片结构钢件14与上工件6表面之间的实际接触面积要小于理想接触面积，这时只有实际接触面积这部分的超声波能通过交界面再继续向下传播。同理在上工件6和下工件7之间的交界面以及下工件7和第二垫片结构钢件15之间的交界面，每一个交界面处都有类似的情况发生。

当螺栓1和螺母2相对旋紧施加而产生的压紧力发生变化时，压紧力是指沿螺栓1轴向的压紧力，测压紧力传感器的两个垫片结构钢件恩波与两个工件所受正压力会发生变化，各处交界面实际接触面积会发生变化，透过的超声波能量也会发生变化，进而通过第二压电陶瓷片11检测带有透过超声波能量变化的压电信号，根据压电信号输出不同幅值的信号表征不同的透过超声波能量，进而表征螺栓和螺母之间的旋紧状态；

同时，当螺栓1和螺母2相对旋紧施加而产生的压紧力发生变化时，测压紧力传感器所受压力也会发生变化，导致第二垫片结构钢件15产生轴向变形和径向变形，变形程度发生变化，第二垫片结构钢件15发生变形带动电阻应变片桥12变形，导致电阻应变片桥12内部的电桥失去平衡，电阻应变片桥12输出与被测压紧力对应的变形量成正比的电压，根据电压表征螺栓和螺母之间的旋紧状态。

最后，电阻应变片桥12和第二压电陶瓷片11分别输出的检测信号，形成测压紧力传感器输出的两路信号，在微控制器中经过数据融合处理后得到能表征螺栓和螺母之间旋紧状态的数据检测结果。

Claims (6)

1.一种压电元件和电阻应变片复合感知螺栓旋紧状态的在线装置，其特征在于：包含螺栓连接组、上工件(6)、下工件(7)和测压紧力传感器，螺栓连接组包含螺栓(1)和螺母(2)，测压紧力传感器包含测压紧力传感器结构体和测压紧力传感器控制器，测压紧力传感器结构体包含第一垫片和第二垫片；上工件(6)、下工件(7)、第一垫片、第二垫片都带有螺栓孔(18)，螺栓(1)穿过第二垫片、下工件(7)、上工件(6)和第一垫片后与螺母(2)套装紧固连接；第一垫片包含第一垫片结构钢件(14)和第一压电陶瓷片(13)；第一垫片结构钢件(14)为中间具有台阶形成上下两级圆柱的柱体，第一电压陶瓷片(13)安装在第一垫片结构钢件(14)中间台阶上；第一垫片结构钢件(14)在下圆柱的侧面上开设有第一插销孔(17)，第一插销孔(17)对应处的螺栓(1)侧壁开设有第一孔槽，第一插销(8)穿入经过第一插销孔(17)后插入到第一孔槽中；第二垫片包含第二垫片结构钢件(15)和第二压电陶瓷片(11)；第二垫片结构钢件(15)为中间具有台阶形成上下两级圆柱的柱体，第二电压陶瓷片(11)安装在第二垫片结构钢件(15)中间台阶上，第二垫片结构钢件(15)在下圆柱的侧面上开设有第二插销孔(19)，第二插销孔(19)对应处的螺栓(1)侧壁开设有第二孔槽，第二插销(10)穿入经过第二插销孔(19)后插入到第二孔槽中；第二垫片结构钢件(15)上圆柱的侧面上安装有电阻应变片桥(12)，第一垫片上还安装有测压紧力传感器控制器，第一压电陶瓷片(13)、第二压电陶瓷片(11)和电阻应变片桥(12)通过导线均与测压紧力传感器控制器电连接。

2.根据权利要求1所述的一种压电元件和电阻应变片复合感知螺栓旋紧状态的在线装置，其特征在于：所述的测压紧力传感器控制器包含控制板(5)和环形密封外壳(16)，环形密封外壳(16)安装于第一垫片的第一垫片结构钢件(14)上部周围，控制板(5)安装于环形密封外壳(16)内；控制板(5)包含微控制器、电源模块、无线通讯模块、信号放大模块；电源模块、无线通讯模块、信号放大模块均连接到微控制器，信号放大模块分别连接到第一压电陶瓷片(13)、第二压电陶瓷片(11)和电阻应变片桥(12)，无线通讯模块连接到远程计算机。

3.根据权利要求2所述的一种压电元件和电阻应变片复合感知螺栓旋紧状态的在线装置，其特征在于：所述的电源模块包含可充电锂电池(4)、环形太阳能电池(3)和充电管理模块，可充电锂电池(4)、环形太阳能电池(3)均经充电管理模块连接到微控制器。

4.根据权利要求2所述的一种压电元件和电阻应变片复合感知螺栓旋紧状态的在线装置，其特征在于：所述的信号放大模块包含一个驱动放大器、一个电荷放大器和一个差分放大器；驱动放大器与第一压电陶瓷片(13)电连接，对微控制器输出的正弦信号进行放大后驱动第一压电陶瓷片(13)；电荷放大器与第二压电陶瓷片(11)电连接，对第二压电陶瓷片(11)输出的信号进行放大，再输入到微控制器进行采样；差分放大器与电阻应变片桥(12)电连接，对电阻应变片桥(12)的输出电压进行放大，再输入到微控制器进行采样。

5.应用于权利要求1-4任一所述在线检测装置的在线检测方法，其特征在于：在螺栓(1)穿过第二垫片、下工件(7)、上工件(6)和第一垫片后和螺母(2)通过螺纹套装连接后，测压紧力传感器进行工作：

首先，第一压电陶瓷片(13)产生超声波，超声波在沿第一垫片结构钢件(14)介质中传播到第一垫片结构钢件(14)与上工件(6)的交界面处，超声波经交界面传播到上工件(6)，再经上工件(6)和下工件(7)之间的交界面传播到下工件(7)，接着经下工件(7)和第二垫片结构钢件(15)之间的交界面传播到第二垫片结构钢件(15)，最终第二垫片结构钢件(15)被第二压电陶瓷片(11)检测接收；

当螺栓(1)和螺母(2)相对旋紧施加而产生的压紧力发生变化时，测压紧力传感器的两个垫片结构钢件恩波与两个工件所受正压力会发生变化，各处交界面实际接触面积会发生变化，透过的超声波能量也会发生变化，进而通过第二压电陶瓷片(11)检测带有透过超声波能量变化的压电信号，根据压电信号输出不同幅值的信号表征不同的透过超声波能量，进而表征螺栓和螺母之间的旋紧状态；

同时，当螺栓(1)和螺母(2)相对旋紧施加而产生的压紧力发生变化时，测压紧力传感器所受压力也会发生变化，导致第二垫片结构钢件(15)产生变形，变形程度发生变化，第二垫片结构钢件(15)发生变形带动电阻应变片桥(12)变形，导致电阻应变片桥(12)内部的电桥失去平衡，电阻应变片桥(12)输出与被测压紧力对应的变形量成正比的电压，根据电压表征螺栓和螺母之间的旋紧状态。

6.根据权利要求5所述的在线检测方法，其特征在于：电阻应变片桥(12)和第二压电陶瓷片(11)分别输出的检测信号，在微控制器中经过数据融合处理后得到能表征螺栓和螺母之间旋紧状态的数据检测结果。

Images