CN112629736B - 一种基于微纳米传感器的螺栓连接结构状态监测系统及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于微纳米传感器的螺栓连接结构状态监测系统，包括微纳米传感器用于监测所述结合面上由螺栓预紧力所形成的应力分布，得到表征结合面应力分布的数据信息；数据采集系统，用于接收所有布控位置的微纳米传感器数据信息，并将微纳米传感器的数据信息转换传输，实现远距离传输；用户数据处理系统，用于接收数据采集系统的阻值信息，根据所述阻值信息解算得到所述结合面夹紧力，生成螺栓连接结构结合面的应力云图，并进行储存和显示。本发明通过微纳米传感器，采用分布式测量、集成化无线传输的方法，实现对螺栓连接结构的状态进行远距离实时的健康监测；解决了航空测量领域螺栓连接结构状态的实时监测问题，具有较强的实用性。

Description

一种基于微纳米传感器的螺栓连接结构状态监测系统及监测 方法

技术领域

本发明公开涉及航空测量技术领域，尤其涉及一种基于微纳米传感器的螺栓连接结构状态监测系统及监测方法。

背景技术

螺栓连接广泛存在与航空发动机的结构中，结构的连接状态直接关系到发动机的安全性和功能性。航空发动机在服役的过程中，面临着如地面运输、反复吊装中的低频振动，发动机工作时产生的随机振动环境以及气动噪声产生的全频段复杂振动，同时还经受飞行过程中产生的多方向、宽频段、高量级的冲击，以及发动机点火瞬间高量级冲击等多种极端环境，导致螺栓连接结构出现预紧力下降，结合面松动、滑移、发出异响等现象，进而影响结构的工作性能和安全可靠性。以航空发动机的机匣螺栓连接结构为例，螺栓连接结构是整个结构刚度较为薄弱的部位，结构振动的变形主要集中在连接部位，从而加剧了应力松弛和局部变形的效应，所以螺栓连接结构状态的改变对于整个结构性能有着重要影响。

传统的无损检测方法不能直接检测到连接界面上的状态变化，并且连接参数很难直接测量，因此无法有效应用与连接结构的状态辨识。介于对航空发动机的机匣螺栓连接结构进行状态监测的迫切需求，急需一种便捷高效的结构健康监测方法解决这一问题。

发明内容

鉴于此，本发明针对螺栓连接结构的状态监测，提出一种新的监测手段，解决了航空测量领域螺栓连接结构状态的实时监测问题。

为实现上述目的，根据本发明公开的一个方面，提供一种基于微纳米传感器的螺栓连接结构状态监测系统，包括微纳米传感器，

微纳米传感器设置在航空发动机的机匣螺栓连接结构的结合面上；所述微纳米传感器用于监测所述结合面上由螺栓预紧力所形成的应力分布，并对其进行表征，得到表征结合面应力分布的数据信息；

数据采集系统，用于接收所有布控位置的微纳米传感器数据信息，并将微纳米传感器的数据信息转换传输，实现远距离传输；

用户数据处理系统，用于接收数据采集系统的阻值信息，根据所述阻值信息解算得到所述结合面夹紧力，生成螺栓连接结构结合面的应力云图，并进行储存和显示。

具体地，分布阵列的微纳米传感器的数据通道通过柔性印刷电路进行集成阵列。

具体地，所述螺栓连接结构的结合面上的微纳米传感器及柔性印刷电路的总厚度为0.11mm。

具体地，所述微纳米传感器可根据螺栓连接结构结合面的尺寸及形状进行裁剪布控。

具体地，所述的数据采集系统包括电阻采集模块、解调模块A、解调模块B、无线传输模块A、无线传输模块B和电源模块；

电阻采集模块，用于实时储存微纳米传感器的阻值数据信息，将阻值数据信息发送给电阻解调模块；

解调模块A，用于接收电阻采集模块的阻值数据信息，并将阻值数据信息解算为数字数据信息发送给无线传输模块A；

无线传输模块A，用于接收解调模块A的数字数据信息，并将接收的数字数据信息发送给无线传输模块B；

无线传输模块B，用于接收无线传输模块A的数字数据信息，并将接收的数字数据信息发送给解调模块B；

解调模块B，用于接收无线传输模块B的数字数据信息，并将数字数据信息解算为阻值数据信息发送给用户处理系统；

电源模块：用于为电阻采集模块、解调模块A、解调模块B、无线传输模块A无线传输模块B进行供电。

具体地，所述的用户数据处理系统包括无线控传模块、数据解算模块、数据储存模块、监控显示模块和电源模块；

无线控传模块，用于接收解调模块B的阻值数据信息，并将接收的阻值数据信息发送给数据解算模块；

数据解算模块：接收无线控传模块输出的阻值信息并解算出对应微纳米传感器的数据通道位置点的结合面应力，发送给数据储存模块和监控显示模块；

数据储存模块：接收数据解算模块输出的应力信息，进行储存。

监控显示模块：接收数据存储模块输出的结合面应力信息，进行显示；

电源模块：用于为无线控传模块、数据解算模块、数据储存模块、监控显示模块进行供电。

具体地，所述数据解算模块解算出对应微纳米传感器的数据通道位置点的结合面应力的具体方法为：

采用公式：F＝K*ΔR/R₀；

其中：K为微纳米传感器的应变系数，ΔR/R₀为微纳米传感器的电阻变化率。

根据本发明的另一个方面，提供一种基于微纳米传感器的螺栓载荷无线监测方法，包括如下步骤：

S1:根据待监测的螺栓连接结构的尺寸结构，裁剪微纳米传感器，并将其分别安装在螺栓连接结构的接合面上；

S2:通过微纳米传感器感知结合面由螺栓预紧力导致的结合面应力分布状态，微纳米传感器将得到的阻值数据信息传输至数据采集系统；

S3:数据采集系统接收阻值数据信息，完成阻值数据-数字数据-阻值数据的信息转换并通过无线传输给用户数据处理系统；

S4:用户数据处理系统根据得到的阻值数据，解算出结合面的应力分布，并进行存储和显示。

本发明的有益效果在于

本发明通过微纳米传感器，采用分布式测量、集成化无线传输的方法，实现对螺栓连接结构的状态进行远距离实时的健康监测；解决了航空测量领域螺栓连接结构状态的实时监测问题，具有较强的实用性。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明的公开。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明螺栓连接结构状态无线监测系统的结构框图；

图2为本发明微纳米传感器的安装示意图；

图3为本发明数据采集系统的原理图；

图4为本发明用户数据处理系统的原理图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的系统的例子。

下面结合具体的实施例对本发明进行进一步的解释说明，但是并不用于限制本发明的保护范围。

如图1所示为本发明螺栓连接结构状态无线监测系统结构框图，包括微纳米传感器、数据采集系统、用户数据处理系统；

微纳米传感器设置在航空发动机的机匣螺栓连接结构的结合面上；纳米传感器用于监测所述结合面上由螺栓预紧力所形成的应力分布，并对其进行表征，得到表征结合面应力分布的数据信息；

为了实现远距离信息传输，设置数据采集系统，用于接收所有布控位置的微纳米传感器阻值数据信息，并将微纳米传感器的阻值数据信息转换传输；

用户数据处理系统，用于接收数据采集系统的阻值信息，根据所述阻值信息解算得到所述结合面夹紧力，生成螺栓连接结构结合面的应力云图，并进行储存和显示。

分布阵列的微纳米传感器的数据通道通过柔性印刷电路进行集成阵列。

螺栓连接结构的结合面上的微纳米传感器及柔性印刷电路的总厚度为0.11mm，通过该厚度的设定，本身螺栓连接结构的密封件在对结构起到密封作用的同时又能够对微纳米传感器起到封装保护作用。

微纳米传感器可根据螺栓连接结构结合面的尺寸及形状进行裁剪布控。

微纳米传感器根据螺栓连接结构结合面的尺寸形状，安装在结合面上，通过柔性印刷电路将多个监测点集成阵列，通过微纳米传感器感知结合面由螺栓预紧力导致的结合面应力分布状态，微纳米传感器的阻值数据通过柔性印刷电路将数据传输至数据采集系统。

本发明的可选实施例中，微纳米传感器为一个，通过柔性印刷电路输出10组监测数据通道；数据采集系统可以对更多的数据通道进行数据处理。

如图3所示为本发明的数据采集系统包括电阻采集模块、解调模块A、解调模块B、无线传输模块A.无线传输模块B和电源模块。

电阻采集模块，用于实时储存微纳米传感器的阻值数据信息，将阻值数据信息发送给电阻解调模块；

解调模块A，用于接收电阻采集模块的阻值数据信息，并将阻值数据信息解算为数字数据信息发送给无线传输模块A；

无线传输模块A，用于接收解调模块A的数字数据信息，并将接收的数字数据信息发送给无线传输模块B；

无线传输模块B，用于接收无线传输模块A的数字数据信息，并将接收的数字数据信息发送给解调模块B；

解调模块B，用于接收无线传输模块B的数字数据信息，并将数字数据信息解算为阻值数据信息发送给用户处理系统；

以微纳米传感器通过柔性印刷电路进行8通道数据监测为例，数据采集系统接收8个通道的微纳米传感器数据信息，并通过解调模块、无线传输模块，完成阻值数据-数字数据-阻值数据的数据转换并通过远距离无线传输给用户数据处理系统。因为阻值数据不能用来传输，故通过该系统内模块的设定，将阻值数据转换为数字数据进行传输，传输后再转换成阻值数据给用户处理系统，即通过数据采集系统实现结合面应力分布信息与用户处理系统的远距离采集及传输。

如图4所示为本发明用户数据处理系统原理图，用户数据处理系统包括无线控传模块、数据解算模块、数据储存模块、监控显示模块和电源模块。

无线控传模块：接收解调模块B的阻值数据信息，并将接收的阻值数据信息发送给数据解算模块。

数据解算模块：接收无线控传模块输出的阻值数据信息并解算出对应通道位置点的结合面应力，发送给数据储存模块和监控显示模块。

数据储存模块：接收数据解算模块输出的应力信息，进行储存。

监控显示模块：接收数据存储模块输出的结合面应力信息，进行显示。

电源模块：用于为无线控传模块、数据解算模块、数据储存模块、监控显示模块进行供电。

本发明另一可选实施例中，为了能够监测螺栓连接结构结合面的应力分布，具体结构见示意图2，当没有外力作用时，螺栓预紧力等于结合面的夹紧力，当螺栓受力变形时，微纳米传感器监测点的位置与螺栓的距离不同，导致不同的监测点发生不同的阻值变化，数据采集系统将阻值数据信息发送给用户数据处理系统，通过传感器的电阻变化率，即可结算出螺栓连接结构结合面的应力分布。

向数据解算模块中输入公式F＝K*ΔR/R₀，数据模块根据接收到的阻值数据信息计算得到对应通道位置点的结合面应力；其中：K为传感器的应变系数，ΔR/R₀为传感器的电阻变化率；

本实施例一种基于微纳米传感器的螺栓连接结构状态监测方法，具体包括如下步骤：

将粘接柔性印刷电路的微纳米传感器安装在螺栓连接结构的结合面上，用于监测结合面的应力分布，并通过数据采集系统实时采集储存微纳米传感器的阻值数据信息，然后将阻值数据信息转为数字信号形式进行传输，最后再将阻值数据信息无线传输给用户处理系统。

用户处理系统接收数据采集系统的微纳米传感器的阻值数据信息，根据阻值数据信息解算出结合面的应力分布，并进行存储和显示。

为了更好地理解本发明的内容，提供如下本申请的一个优选实施例：

实施例1

一、被测螺栓连接结构规格及传感器性能

1、被测螺栓连接结构规格

a)螺栓直径：≥10mm；

b)监测对象：螺栓连接结构结合面应力

c)报警阈值：可设置。

2、微纳米传感器性能

螺栓预紧力测量范围：0-30KN；

螺栓预紧力测量精度：＜5％；

二、数据采集系统及用户数据处理系统性能

1、数据采集系统性能

a)数据通道：≥4；

b)采样频率：≥1Hz(可调)；

c)直流供电：15V±1.5V；

d)功耗电流：≤2A(工作)；

解调系统及用户数据处理系统无线数据通信性能

a)无线通信距离：≥30m；

b)数据传输频段：2.4GHz；

c)控制通道频段：915MHz；

d)数据传输速率：稳定传输速率达到1Mbps以上。

综上，本实施例公开了一种基于微纳米传感器的螺栓载连接结构状态监测系统，包括微纳米传感器、数据采集系统和用户数据处理系统，该系统具备分布式测量、集成化无线传输的特点，可以对螺栓连接结构结合面应力分布变化情况进行实时监测，并通过无线通信方式进行监测信息上传，实现实时在线监测，解决螺栓连接结构实时定量测量的问题。

另一方面，本实施例提出的螺栓连接结构结合应力分布计算方法，结合微纳米传感器的设置位置，可以进行地面的实时解算，并可以准确全面获取螺栓连接结构结合面的应力分布信息

最后，本实施例解决了航空测量领域螺栓连接结构状态实时监测问题，也可以推广应用于其他国防、工业领域对螺栓载荷进行测量的场合，具有较强的实用性。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (6)

1.一种基于微纳米传感器的螺栓连接结构状态监测系统，其特征在于，包括微纳米传感器，微纳米传感器设置在航空发动机的机匣螺栓连接结构的结合面上；所述微纳米传感器用于监测所述结合面上由螺栓预紧力所形成的应力分布，并对其进行表征，得到表征结合面应力分布的数据信息；

数据采集系统，用于接收所有布控位置的微纳米传感器的数据信息，并将微纳米传感器的数据信息转换传输，实现远距离传输；

用户数据处理系统，用于接收数据采集系统的阻值信息，根据所述阻值信息解算得到所述结合面夹紧力，生成螺栓连接结构结合面的应力云图，并进行储存和显示；

分布阵列的微纳米传感器的数据通道通过柔性印刷电路进行集成阵列；

所述数据采集系统包括电阻采集模块、解调模块A、解调模块B、无线传输模块A、无线传输模块B和电源模块；

所述用户数据处理系统包括无线控传模块、数据解算模块、数据储存模块、监控显示模块和电源模块；

所述数据解算模块解算出对应微纳米传感器的数据通道位置点的结合面应力的具体方法为：

采用公式：F=K*∆R/R₀；

其中：K为微纳米传感器的应变系数，∆R/R₀为微纳米传感器的电阻变化率。

2.根据权利要求1所述的一种基于微纳米传感器的螺栓连接结构状态监测系统，其特征在于，所述螺栓连接结构的结合面上的微纳米传感器及柔性印刷电路的总厚度为0.11mm。

3.根据权利要求1所述的一种基于微纳米传感器的螺栓连接结构状态监测系统，其特征在于，所述微纳米传感器可根据螺栓连接结构结合面的尺寸及形状进行裁剪布控。

4.根据权利要求1所述的一种基于微纳米传感器的螺栓连接结构状态监测系统，其特征在于，电阻采集模块，用于实时储存微纳米传感器的阻值数据信息，将阻值数据信息发送给电阻解调模块；

解调模块A，用于接收电阻采集模块的阻值数据信息，并将阻值数据信息解算为数字数据信息发送给无线传输模块A；

无线传输模块A，用于接收解调模块A的数字数据信息，并将接收的数字数据信息发送给无线传输模块B；

无线传输模块B，用于接收无线传输模块A的数字数据信息，并将接收的数字数据信息发送给解调模块B；

解调模块B，用于接收无线传输模块B的数字数据信息，并将数字数据信息解算为阻值数据信息发送给用户处理系统；

电源模块：用于为电阻采集模块、解调模块A、解调模块B、无线传输模块A. 无线传输模块B进行供电。

5.根据权利要求1所述的一种基于微纳米传感器的螺栓连接结构状态监测系统，其特征在于，无线控传模块，用于接收解调模块B的阻值数据信息，并将接收的阻值数据信息发送给数据解算模块；

数据解算模块，用于接收无线控传模块输出的阻值信息并解算出对应微纳米传感器的数据通道位置点的结合面应力，发送给数据储存模块和监控显示模块；

数据储存模块，用于接收数据解算模块输出的应力信息，进行储存；

监控显示模块，用于接收数据存储模块输出的结合面应力信息，进行显示；

电源模块，用于为无线控传模块、数据解算模块、数据储存模块、监控显示模块进行供电。

6.一种应用权利要求1-5中任意一项所述基于微纳米传感器的螺栓连接结构状态监测系统的监测方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1:根据待监测的螺栓连接结构的尺寸结构，裁剪微纳米传感器，并将其分别安装在螺栓连接结构的接合面上；

S2:通过微纳米传感器感知结合面由螺栓预紧力导致的结合面应力分布状态，微纳米传感器将得到的阻值数据信息传输至数据采集系统；

S3:数据采集系统接收阻值数据信息，完成阻值数据-数字数据-阻值数据的信息转换并通过无线传输给用户数据处理系统；

S4: 用户数据处理系统根据得到的阻值数据，解算出结合面的应力分布，并进行存储和显示。

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