CN212363509U - 一种具有应力传感功能的紧固件及薄膜换能传感系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供的一种具有应力传感功能的紧固件及薄膜换能传感系统，其中该紧固件包括紧固件基体，超声波薄膜传感器，第一电极引线和第二电极引线；当第一电极引线和第二电极引线被输入脉冲电信号后，超声波薄膜传感器利用压电层的逆压电效应将脉冲电信号转换成超声波声信号，超声波声信号沿杆部传输到超声波反射面，再由超声波反射面反射后沿杆部传输回到超声波薄膜传感器的压电层，由压电层的压电效应转换为带有应力信息的电信号输出；该紧固件的传感模块体积小，加工过程对紧固件本身没有改变，通过安装过程的布线连接可以实现离线检测和在线监测两种不同的应用模式，节约成本操作方便。

Description

一种具有应力传感功能的紧固件及薄膜换能传感系统

技术领域

本实用新型涉及紧固件技术领域，尤其涉及一种具有应力传感功能的紧固件及薄膜换能传感系统。

背景技术

紧固件，如螺栓是机械应用中常见的一种机械结构，其中，具体的应用场景中，以铁路结构装配为例，在铁路的各个系统中，扣件系统、声屏障系统或道岔区等大部分结构均采用螺栓副的装配方式。而螺栓副接口的装配质量主要取决于对螺栓预紧力的控制，当螺栓在紧固时没有达到预设的预紧力，将会降低螺栓副的使用寿命，同时在铁路运营过程中，若对重点结构重点部位的螺栓预紧力监控不到位，将会导致螺栓副突然失效，影响行车安全。

螺栓预应力就是在拧螺栓过程中拧紧力矩作用下的螺栓与被联接件之间产生的沿螺栓轴线方向的预应力。对于一个特定的螺栓而言，其预应力的大小与螺栓的拧紧力矩、螺栓与螺母之间的摩擦力、螺母与被联接件之间的摩擦力相关。现有技术中，对螺栓进行预应力检测时，需要人工使用工具对螺栓的螺帽端面进行打磨，除去端面的污物以及保证端面的粗糙度满足检测要求。打磨工作需要花费较长的时间，付出较多的劳动力，检测工作费事费力，效率低。在相关技术中，对螺栓的控制方式为力矩法，即，对螺栓施加固定的力矩控制螺栓的预紧力。但是，力矩法紧固螺栓时预紧力往往会因为螺栓是否涂油润滑、力矩扳手紧固螺栓时的速度快慢等外界因素干预，以使得螺栓的预紧力精度较差。现有超声预紧力测量技术中，大多采用压电陶瓷片作为超声波换能器，在紧固件的一端粘贴一个压电陶瓷传感器作为超声波收发端，粘贴的方式、状态、粘贴膏的厚度无法保证每个紧固件的一致性，批量紧固件的测量数值具有较大的离散性，使得该测量方式存在较大误差，测量精度不高。因此，由于无法准确控制螺栓的预紧力，导致无法掌握螺栓预紧力的衰减状况而带来的安全隐患。

鉴于此，急需提出了一种高检测精度且快速无损的技术方案，来解决螺栓预紧力的检测和实时监测问题。

实用新型内容

鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种具有应力传感功能的紧固件及薄膜换能传感系统，该薄膜换能传感系统能够实现螺栓在使役状态下的预紧力精准检测和实时监测，避免了因无法掌握螺栓预紧力的衰减状况而带来的安全隐患。

为达上述目的，本实用新型采用如下技术方案：一种具有应力传感功能的紧固件，其包括紧固件基体、超声波薄膜传感器、第一电极引线和第二电极引线，其中所述紧固件基体，包括具有上端面和下端面的端头和从所述端头下端面向远离端头方向纵向延伸的杆部，所述端头的上端面为端头的自由端，所述杆部在远离端头上端面的预设长度处形成超声波反射面，所述超声波反射面与所述杆部纵向轴线夹角θ为：0°<θ<180°；所述超声波薄膜传感器，在所述端头上端面且至少与杆部对应的区域形成一薄膜器件层；所述薄膜器件层包括多个功能层，所述多个功能层以所述紧固件基体的端头上端面为基底面，依次向上形成有压电层和电极层，所述压电层对所述电极层和基底面具有电隔离作用；所述第一电极引线和第二电极引线用于接收和向外输出电信号；所述第一电极引线与所述基底电连接和所述第二电极引线与所述电极层电连接，当所述第一电极引线和第二电极引线被输入脉冲电信号后，所述压电层利用逆压电效应将所述脉冲电信号转换成超声波声信号，所述超声波声信号沿杆部传输到超声波反射面，再由所述超声波反射面反射后沿杆部传输回到所述超声波薄膜传感器的压电层，由所述压电层利用压电效应转换为带有应力信息的电信号输出。通过对比紧固件基体在不受力的自由状态和受到不同预紧力状态下的声时差信号(或者紧固件基体的伸长量信号)，即(可以依据预紧力和紧固件基体伸长量的关系)分析计算得到紧固件基体的轴向预紧力(轴力、应力、载荷)。

进一步可选的，所述杆部的下端面为自由端面，所述预设长度延伸到所述杆部的下端面，所述超声波反射面由所述杆部的下端面形成，并与所述杆部纵向轴线夹角θ为90°，所述超声波薄膜传感器形成在端头上端面受应力最小的区域。

本实用新型还提供一种具有应力传感功能的紧固件，其包括：紧固件基体，超声波薄膜传感器，第一电极引线和第二电极引线，其中所述紧固件基体，包括具有上端面和下端面的端头和从所述端头下端面向远离端头方向纵向延伸的杆部，所述杆部的下端面为自由端面；超声波薄膜传感器，在所述杆部的下端面形成一薄膜器件层；所述薄膜器件层包括多个功能层，所述多个功能层以所述紧固件杆部的下端面为基底面，依次形成有压电层和电极层，所述压电层对所述电极层和基底面具有电隔离作用；所述第一电极引线和第二电极引线用于接收和向外输出电信号，所述第一电极引线与所述基底电连接和所述第二电极引线与所述电极层电连接；当所述第一电极引线和第二电极引线被输入脉冲电信号后，所述压电层利用逆压电效应将所述脉冲电信号转换成超声波声信号，所述超声波声信号沿杆部传输到超声波反射面，再由所述超声波反射面反射后沿杆部传输回到超声波薄膜传感器的压电层，由所述压电层利用压电效应转换为带有应力信息的电信号输出。通过对比紧固件基体在不受力的自由状态和受到不同预紧力状态下的声时差信号(或者紧固件基体的伸长量信号)，即(可以依据预紧力和紧固件基体伸长量的关系)分析计算得到紧固件基体的轴向预紧力(轴力、应力、载荷)。

进一步可选的，所述超声波薄膜传感器在紧固件基体基底面上依次生长各功能层，薄膜层与基底之间、各功能层之间均为原子级别结合；实现超声波薄膜传感器永久地、机械地和导电地与紧固件基体连接。

进一步可选的，所述原子级别结合采用物理气相沉积技术、化学气相沉积技术和脉冲激光沉积技术中的任一种。

进一步可选的，所述电极层采用图案化电隔离处理，所述第一电极引线、第二电极引线在压电层一侧引出。

进一步可选的，所述压电层与所述基底之间还形成有过渡层；该过渡层能实现超声波薄膜传感器与紧固件基体之间的牢固连接。

进一步可选的，在所述压电层和电极层之间设置一隔离层；该隔离层用于保护紧固件的压电层材料，减小外部环境对压电材料的性能影响，同时实现电绝缘隔离作用。

进一步可选的，所述超声波薄膜传感器所在端面为一整体平面或形成一个或多个下沉平台，在保证超声波薄膜传感器正常工作的前提下，下沉平台的设计能够避免其受到各种摩擦、撞击等极有可能对超声波薄膜传感器造成损伤甚至导致其性能失效的情况。

进一步可选的，所述超声波薄膜传感器薄膜层设有多个单元，其中一个单元设置在紧固件纵向中心轴线位置，其余单元环绕在该单元外周，并相对紧固件纵向轴线对称分布；该设计能减少测量过程中的误差。

进一步可选的，所述超声波薄膜传感器薄膜层设有多个单元，所述多个单元成矩阵分布；该设计能减少测量过程中的误差。

进一步可选的，所述超声波薄膜传感器薄膜层外周环设有温度感应装置，所述温度感应装置环设在超声波薄膜传感器薄膜层的外周并形成超声波薄膜传感器薄膜层的拓扑边，所述温度感应装置能够显示温度的数值。

本实用新型还提供一种薄膜换能传感系统，其包括外部控制系统，还包含上述任一项所述的具有应力传感功能的紧固件，所述紧固件中的超声波薄膜传感器与所述外部控制系统连接。

进一步可选的，所述外部控制系统包括：参数确定模块，用于确定所述紧固件基体的参数；温度补偿标定模块，用于在不同温度下，测量超声波纵波发出到接收纵波第一次回波的声时差，获取所述紧固件基体的温度补偿标定曲线；参考回波标定模块，用于在所述紧固件基体处于不受力的自然状态下，测量超声波纵波发出到接收纵波第一次回波的声时差，并将接收的纵波第一次回波作为参考回波；预紧力标定模块，用于参考所述紧固件基体的实际使用状态，基于声弹性原理，获取相同工况下超声波纵波的声时差与所述紧固件基体轴向预紧力之间的轴向预紧力标定曲线；预紧力测量模块，用于对所述紧固件基体施以预紧力，测量超声波纵波的声时差，对照上述轴向预紧力标定曲线，得出该超声波传播时间差相对应的紧固件基体轴向预紧力数值；控制模块，用于控制所述超声波薄膜传感器、所述参数确定模块、所述温度补偿标定模块、所述参考回波标定模块、所述预紧力标定模块和所述预紧力测量模块。

有益效果：

本实用新型提供的一种具有应力传感功能的紧固件及薄膜换能传感系统能够实现螺栓在使役状态下的预紧力精准检测和实时监测，解决了现有的其他技术方案存在检测精度不高、适用范围窄、原有结构改变显著、无法实时测量、集成化程度低以及成本高昂等问题；使用该薄膜换能传感紧固装置在测量过程中无需考虑摩擦的影响，大大提高了对预紧力的测量精度可达±3％；此外在加工过程对紧固件端面螺栓基本没有改变，通过安装过程的布线连接可以实现离线检测和在线监测两种不同的应用模式，节约成本，方便操作。

附图说明

通过参照附图详细描述其示例实施例，本公开的上述和其它目标、特征及优点将变得更加显而易见。下面描述的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，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本实用新型一实施例中薄膜换能传感紧固装置结构示意图；

图2本实用新型一实施例中一种轴向预紧力单波测量方法的流程示意图；

图3本实用新型一实施中对紧固件进行温度标定得到的温度补偿标定曲线示意图；

图4本实用新型一实施例中超声波纵波测量原理的示意图；

图5本实用新型一实施例中纵波回波强度与变形量之间的曲线示意图；

图6本实用新型一实施中薄膜换能传感紧固装置结构示意图；

图7本实用新型一实施中薄膜换能传感紧固装置结构示意图。

图中：

1-紧固件基体；2-过渡层；3-压电层；4-隔离层；5-电极层；6-第二电极引线；7-第一电极引线；8-超声波薄膜传感器；9-温度传感器

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本实用新型。在本实用新型实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义，“多种”一般包含至少两种，但是不排除包含至少一种的情况。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。

现有技术中在为实现螺栓在使役状态下的预紧力精准检测和实时监测的技术方案存在检测精度不高、适用范围窄、原有结构改变显著、无法实时测量、集成化程度低以及成本高昂等问题。

本实用新型申请实施例的目的在于提供一种具有应力传感功能的紧固件及具有其的薄膜换能传感系统，该薄膜换能传感系统能够实现螺栓在使役状态下的预紧力精准检测和实时监测，避免了因无法掌握螺栓预紧力的衰减状况而带来的安全隐患。具体的如下：

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种具有应力传感功能的紧固件，其包括紧固件基体1、超声波薄膜传感器8、第一电极引线7和第二电极引线6，其中紧固件基体1，包括具有上端面和下端面的端头和从端头下端面向远离端头方向纵向延伸的杆部，端头的上端面为端头的自由端，杆部在远离端头上端面的预设长度处形成超声波反射面，超声波反射面与杆部纵向轴线夹角θ为：0°<θ<180°；超声波薄膜传感器8，在端头上端面且至少与杆部对应的区域形成一薄膜器件层；薄膜器件层包括多个功能层，多个功能层以紧固件基体1的端头上端面为基底面，依次向上形成有压电层3和电极层5，压电层3对电极层5和基底面具有电隔离作用；第一电极引线7和第二电极引线6用于接收和向外输出电信号，第一电极引线7与基底电连接和第二电极引线6与电极层5电连接；当第一电极引线7和第二电极引线6被输入脉冲电信号后，压电层3利用逆压电效应将脉冲电信号转换成超声波声信号，超声波声信号沿杆部传输到超声波反射面，再由超声波反射面反射后沿杆部传输回到超声波薄膜传感器8的压电层3，由压电层3利用压电效应转换为带有应力信息的电信号输出。

本紧固件将超声波薄膜传感器8和紧固件结合，可以有效的利用超声波薄膜传感器8的应力测量优势使得紧固件同时实现紧固和监测的双重效果。工作时紧固件与其超声波薄膜传感器8与外部控制系统连接，由外部的测量系统对超声波薄膜传感器8进行两极供电，电信号激发该传感器的压电材料产生超声波信号，并沿着紧固件杆部传播，经超声波反射面反射后再由压电材料将反射的超声波信号转换成为电信号传输给外部控制系统。通过对比螺栓在不同的状态下的声时差信号，分析计算得到螺栓的轴向预紧力(轴力、应力、载荷)。

优选的，我们还可以优选的将基底层图形化，引导第一电极引线7到第二电极引线6同一平面以方便对外电连接。

优选的，杆部的下端面为自由端面，预设长度延伸到杆部的下端面，超声波反射面由杆部的下端面形成，并与杆部纵向轴线夹角θ为90°，超声波薄膜传感器8形成在端头上端面受应力最小的区域。

本实施例中紧固件的结构不仅局限于上述结构，在紧固件下端面为自由端且可以暴露在外环境中的情况(利于超声波传感器接入第一电极引线和第二电极引线)下，该紧固件包括：紧固件基体1，超声波薄膜传感器8，第一电极引线7和第二电极引线6，其中紧固件基体1，包括具有上端面和下端面的端头和从端头下端面向远离端头方向纵向延伸的杆部，杆部的下端面为自由端面；超声波薄膜传感器8，在杆部的下端面形成一薄膜器件层；薄膜器件层包括多个功能层，多个功能层以紧固件杆部的下端面为基底面，依次形成有压电层3和电极层5，压电层3对电极层5和基底面具有电隔离作用；第一电极引线7和第二电极引线6用于接收和向外输出电信号，第一电极引线7与基底电连接和第二电极引线6与电极层5电连接；当第一电极引线7和第二电极引线6被输入脉冲电信号后，压电层3利用逆压电效应将脉冲电信号转换成超声波声信号，超声波声信号沿杆部传输到超声波反射面，再由超声波反射面反射后沿杆部传输回到超声波薄膜传感器8压电层3，由压电层3利用压电效应转换为带有应力信息的电信号输出。

压电层3薄膜倾斜生长，超声波薄膜传感器8可以同时产生横波和纵波超声信号，可以通过制备工艺控制压电薄膜生长的倾斜度来调整超声波信号中横波和纵波的信号强度比例；优选的，压电层3可以是多层压电材料构成的复合薄膜，原材料纯度大于99.9％；电极层5需要易形成薄膜的金属材料，且导电性良好，延展性好，耐腐蚀，膜层结构单一。进一步优选的，电极层5是多层电极材料构成的复合薄膜。

优选的，所述电极层5采用图案化电隔离处理，所述第一电极引线7、第二电极引线6在压电层3一侧引出。

当紧固件中压电层3的材料与紧固件的基体材料的结合力不能达到要求，优选的，压电层3与基底之间还形成有过渡层2，该过渡层2能实现紧固件核心结构即超声波薄膜传感器8与紧固件基体1基体之间的牢固连接。

当紧固件的压电层3材料的物理化学性能不稳定或者电阻不高时，为了保证紧固件使用性能和寿命，优选的，在压电层3和电极层5之间设置一隔离层4，该隔离层4用于保护紧固件的压电层3材料，减小外部环境对压电材料的性能影响，同时实现电绝缘隔离，隔离层4为耐磨耐腐蚀的高电阻绝缘材料，硬度大，化学性能稳定，腐蚀条件下不转性，电阻率优于10⁸Ω·cm，可以是单层薄膜或者是多层复合薄膜，原材料纯度大于99.9％；隔离层4薄膜的居里点高于工作环境温度，且在工作温度下不发生结构转化，原子比符合化学计量比。

为了使超声波薄膜传感器8永久地、机械地和导电地与紧固件基体1连接，优选的，超声波薄膜传感器8在紧固件基体1基底面上依次生长各功能层，薄膜层与基底之间、各功能层之间均为原子级别结合。进一步优选的，原子级别结合采用物理气相沉积技术、化学气相沉积技术和脉冲激光沉积技术中的任一种。

为了保护紧固件中的超声波薄膜传感器8，避免其受到各种摩擦、撞击等极有可能对超声波薄膜传感器8造成损伤甚至导致其性能失效的情况，优选的，超声波薄膜传感器8所在端面为一整体平面或形成一个或多个下沉平台。

为了提高紧固件预紧力的检测精度和使用寿命，优选的，超声波薄膜传感器8薄膜层设有多个单元，其中一个单元设置在紧固件纵向中心轴线位置，其余单元环绕在该单元外周，并相对紧固件纵向轴线对称分布，由此可以更好的减少温度影响实现更精准的检测。当然，遵循着本实用新型的创新思路，多个单元也可以不局限于上述排列方式，如超声波薄膜传感器8薄膜层可以设有多个单元，多个单元成形成矩阵分布。

进一步优选的，超声波薄膜传感器8薄膜层我们也可以设计为不是形成在整个基底面上，而是由多个单元构成，每一单元对应一下沉平台，如此不但有利于消除外界影响导致的误差从而提升测量的准确性，还可以利用下沉平台对传感器单元起到保护的作用。

实际应用中，由于紧固件所处的工作环境温度会发生变化，有可能为循环温度环境或者极速高温环境或者均匀高温环境，这就导致紧固件预紧力实时测量过程中紧固件和超声波薄膜传感器8处于实时可变的状态。另外，温度会使得超声波的声速和紧固件的伸长量发生变化，从而导致超声波预紧力测量的误差。因此，为了减少温度对测量结果的影响，如图6和图7所示，优选的，超声波薄膜传感器8薄膜层外周环设有温度感应装置，温度感应装置环设在超声波薄膜传感器8薄膜层的外周并形成超声波薄膜传感器8薄膜层的拓扑边，温度感应装置能够显示温度的数值，并通过温度补偿的方式提高超声波检测紧固件预紧力的精准度。优选的，温度感应装置为温度传感器9。如图6所示，优选的，拓扑边设计在紧固件端面处。如图7所示，优选的，电极线连接到外部系统，拓扑边设计为包裹紧固件端面的外边缘。

本实施例中的紧固件基体1可以是螺栓、杆件、铆钉、双头螺栓或其它适当结构的元件。在紧固的操作中，它们可被改装，以提供紧固件的拉伸负载，应力，伸长或其它紧固件的特性的指示，除此以外，在已安装的紧固件的日常连接的任何时间，提供上述的指示。还有，紧固件基体1可由金属、塑料或其它适合传送超声波的适当材料制造。优选的，紧固件基体1是螺栓本体，其材质可以是任意一种螺栓材质，包括但不限于碳钢、不锈钢、钛合金、高温合金、铝合金以及其它；螺栓形状种类可以是任意一种，包括但不限于平头螺栓(六角)、内六角螺栓、螺杆、铆钉等等。

该紧固件可作紧固工具使用，包括一般的动力工具，它与紧固件既电连接亦机械啮合，紧固件基体1与超声波传感器可导电的内连能够实现对紧固件基体1的拉伸负载，应力，伸长的超声波检测。其中，超声波薄膜传感器8与紧固件基体1形成头部一端的端头内连，熟知本技术领域的人可以理解，传感器装置也可选择与紧固件基体1的杆部的下端面即自由端面内连。

本实施例提供的一种具有应力传感功能的紧固件，通过紧固件端面上下沉平台的设置保护传感模块，保证其能正常工作；该传感模块体积小，加工过程对紧固件本身没有改变，通过安装过程的布线连接可以实现离线检测和在线监测两种不同的应用模式，节约成本操作方便。同时在测量过程中无需考虑摩擦的影响，大大提高了对预紧力的测量精度可达±3。

实施例2

本实施例提供一种应用于一切对于螺栓预紧力的检测和监测的场合的薄膜换能传感系统，其包括实施例1中的具有应力传感功能的紧固件，该紧固装置与外部控制系统连接。

外部控制系统通过电极层5以及电极线连接该紧固件，并且其进行供电，电信号激发该紧固件的压电层3产生超声波信号，并沿着紧固件杆部传播，经另一端面反射后再由压电材料将反射的超声波信号转换成为电信号传输给外部控制系统。通过对比螺栓在不受力的自由状态和受到不同预紧力状态下的声时差信号(或者螺栓的伸长量信号)，即(可以依据预紧力和螺栓伸长量的关系)分析计算得到螺栓的轴向预紧力(轴力、应力、载荷)。

优选的，外部控制系统还包括参数确定模块，用于确定所述紧固件基体1的参数；温度补偿标定模块，用于在不同温度下，测量超声波纵波发出到接收纵波第一次回波的声时差，获取所述紧固件基体1的温度补偿标定曲线；参考回波标定模块，用于在所述紧固件基体1处于不受力的自然状态下，测量超声波纵波发出到接收纵波第一次回波的声时差，并将接收的纵波第一次回波作为参考回波；预紧力标定模块，用于参考所述紧固件基体1的实际使用状态，基于声弹性原理，获取相同工况下超声波纵波的声时差与所述紧固件基体1轴向预紧力之间的轴向预紧力标定曲线；预紧力测量模块，用于对所述紧固件基体1施以预紧力，测量超声波纵波的声时差，对照上述轴向预紧力标定曲线，得出该超声波传播时间差相对应的紧固件基体1轴向预紧力数值；控制模块，用于控制所述超声波薄膜传感器8、所述参数确定模块、所述温度补偿标定模块、所述参考回波标定模块、所述预紧力标定模块和所述预紧力测量模块。在一种可选的实施方式中，预紧力测量模块还包括：采用闭环反馈信号处理方法，记录参考回波的初始波形和位置，并根据紧固件受到预紧力伸长后纵波第一次回波信号移动的方向，锁定回波信号波，实时追踪纵波的回波波形。追踪到实时的回波波形后需要及时反馈数据，获取超声波纵波第一次回波曲线中所包含的由于所受预紧力变化引起的紧固件伸长量、声时差等信息。实用化的传感器必须具备等同于紧固件基体1的环境适应性和寿命，环境温度、振动等都会对紧固件中传输的超声波信号产生影响，采用该追踪方法，超声波设备始终能捕获测量峰信号，保证预紧力应力剧烈变化下的测量结果的可靠性和准确性。

为了实现紧固件轴向预紧力的超声波单波快速高精度测量，解决现有技术存在的传感器环境适应性差、测量精度不高、方法实施细节模糊、设备相对复杂、超声波波形畸变造成测量失效等问题。轴向预紧力单波测量方法基于原位生长在紧固件端面的超声波薄膜传感器8，实现超声波纵波及其反射回波的一体收发，简化测量设备，可以解决传感器环境耐候性问题，做到螺栓全寿命周期轴向预紧力监测；综合考虑紧固件直径、有效装夹长度、与紧固件材质相关的参数、超声波纵波声速、声弹性模量、温度补偿系数等参数，可以有效避免螺栓质量以及温度引起声速和螺栓长度变化造成的测量误差；引入超声波纵波动态追踪技术，实时跟踪超声纵波回波信号，即使波形因为应力引起畸变，也不会造成超声波信号的丢失。通过对比紧固件在不同的状态下的声时差信号，分析计算得到紧固件基体1的轴向预紧力(轴力、应力、载荷)。

如图2所示，该轴向预紧力单波测量方法，包括：

步骤1，在紧固件基体1的一个端面原位集成一个超声波薄膜传感器8。该超声波薄膜传感器8通过对超声波纵波信号的收发，可以实现对紧固件基体1的轴向预紧力测量。薄膜压电换能传感器中压电层3为传感器的主要功能层，实现电信号和机械信号的相互转换，电极层5用于接收和向外导出电信号。通过测量设备为电极层5提供脉冲信号，压电层3在脉冲电压下产生压电效应和逆压电效应实现超声波信号的收发。

该测量方法适用于各种紧固件基体1的测量，例如螺栓、螺杆、螺钉等，紧固件基体1的形式和材料不受限制。

优选的，在紧固件端面标有识别码。该识别码优选采用二维码，二维码的位置以方便扫描识别为主。优选的，识别码位于紧固件基体1的上端面，因为下端面有可能是不暴露在外面的，从而影响了紧固件身份的识别。一般二维码的大小为2mm*2mm，当然二维码大小可以调节，主要依据紧固件端面的尺寸来定，在超声波薄膜传感器8以外或传感器上都可以。对每一个紧固件标上识别码，进行唯一化，确认身份ID，可以实现批量紧固件基体1的相关信息和预紧力变化数据库式管理，且不会造成数据的混淆。

步骤2，确定紧固件基体1的参数。

其中，上述参数包括：测量采用的与材质相关的超声波声速，紧固件基体1的材料参数(例如弹性模量、屈服强度等)和紧固件基体1的使用状态参数(例如采用螺栓的螺栓规格、螺栓直径、螺栓牙距、装夹长度等)，这些参数都存储在数据库中。每个紧固件都具有一个识别码，通过识别该识别码，可以实现对每个紧固件参数的直接调用和批量管理。基于同一批次的紧固件，可以选择其中一个紧固件来测量对应的参数，减少对数据的采集量和存储量。

步骤3，在不同温度下，测量超声波纵波发出到接收纵波第一次回波的声时差，获取紧固件基体1的温度补偿标定曲线。

其中，温度补偿标定曲线的数据也存储在数据库中供调用和管理。

超声波纵波声速和紧固件伸长长度都受到温度的影响，温度升高，超声波纵波声速变慢，紧固件基体1的长度也会较室温伸长，都会引起超声波纵波在紧固件中传播时间的测量误差，因此，对于同一批次的紧固件需要优先建立温度补偿标定曲线。在一种可选的实施方式中，在进行温度补偿系数标定时所采用的方法为：将紧固件依次置于5个不同的温度(参考点越多，标定曲线得到的校准系数会更准确，为确保标定系数的准确性，至少需要3个点)下一定时间，使紧固件本身的温度与环境温度一致，分别测量超声波纵波发出到接收被紧固件底面反射回来的纵波第一次回波的声时差，建立超声波纵波的声时差随温度变化的关系曲线，通过线性拟合确定温度补偿系数。

由于温度会引起紧固件长度的伸缩，且不同温度下超声波纵波的声速也会有变化，这些均会造成超声波纵波声时差的测量误差，导致得到的预紧力数值严重偏离真实值。同一种紧固件在受载荷和不受载荷的情况下，紧固件基体1的超声波声时差与温度变化存在着线性关系，(T＝A+B*X，T为超声波纵波声时差，A、B为线性关系拟合值，X为紧固件温度)，且在受载荷和不受载荷两种情况下斜率相近，即温度补偿系数B可以认为一致。因此，得到的温度补偿系数B可以对超声波测量预紧力时计算公式里面超声波纵波声时差进行修正，使得测试值更加接近于真实值，提高轴向预紧力的测试精度。

如图3所示，本实施例给出了采用本方法对螺栓进行温度标定得到的温度补偿标定曲线示意图。

步骤4，在紧固件处于不受力的自然状态下，测量超声波纵波发出到接收纵波第一次回波的声时差，并将接收的纵波第一次回波作为参考回波。该参考回波作为后续测试声时差变化的基准线。

其中，紧固件不受力的状态即初始状态，所测量的参考回波数据需存储在数据库中。对同批次的每个紧固件，由于初始长度不一定完全相同，受到预紧力后伸长量变化比较小仅为微米级，紧固件初始长度的差异带来的误差不可估量，因此每个紧固件测试时，都是与自身不受力状态进行对比的，需要分别测量其初始状态数据进行存储。

步骤5，参考紧固件基体1的实际使用状态，基于声弹性原理，获取相同工况下超声波纵波的声时差与紧固件轴向预紧力之间的轴向预紧力标定曲线。

声弹性原理，即紧固件在自由状态下，紧固件内部不存在预紧力(不考虑残余应力)，而在紧固状态下，由于预紧力的作用，紧固件将发生形变，因此此时紧固件基体1的变形量为ΔL，变形量ΔL与预紧力F之间的数学关系如式(1)。

上式中，F为紧固件基体1的预紧力，E为紧固件材质的弹性模量，S为紧固件截面积，ΔL为紧固件基体1的变形量，L为紧固件基体1的装夹长度。

如图4所示，超声波纵波测量原理基于发射和接收超声波脉冲电信号，测量计算发射和回波电信号之间的时间差。紧固件在自由状态下，发射和接收脉冲电信号之间的时间差为T₀，紧固件在紧固状态下，发射和接收脉冲电信号之间的时间差为T₁，依据脉冲电信号收发时间差与紧固件基体1的变形量之间的关系，如式(2)，得到紧固件基体1的变形量。

步骤4所获得的参考回波即是超声波纵波测量原理中的初始值，即T₀的位置。

基于声弹性原理，紧固件所受应力的大小与紧固件基体1的形变伸长量成正比关系，在一种可选的实施方式中，标定超声波纵波声时差与紧固件轴向预紧力之间对应关系所采用的方法为：基于紧固件基体1的实际使用状态，采用电子万能试验机从0KN到紧固件屈服范围内，等距给定一组5个(参考点越多，标定曲线得到的校准系数会更准确，为确保标定系数的准确性，至少需要5个点)标准的拉力值，测量对应拉力状态下超声波纵波的声时差，建立该工况下的超声波声时差与紧固件轴向预紧力之间的标定曲线。

紧固件不受力和受力状态下超声波纵波声时差△T与紧固件轴向预紧力F之间变化存在着线性关系，参考公式(1)和公式(2)，此时，将前述温度补偿系数带入轴向预紧力公式中进行修正。

其中，紧固件基体1的实际使用状态数据和轴向预紧力标定曲线均存储在数据库中，供直接调用和管理。

至此，同一批次的紧固件基体1的所有相关信息，包括超声波声速、材料的弹性模量、屈服强度、螺栓规格、螺栓直径、螺栓牙距、装夹长度等，以及温度补偿标定曲线、超声波纵波声时差与紧固件轴向预紧力之间的轴向预紧力标定曲线、以及采用超声波测量预紧力时的初始状态数据、采用超声波测量预紧力时的实际使用状态数据(螺栓使役环境温度、声时差、伸长量、数据波动标准差、超声波测量的预紧力等)都存储在数据库中供调用和管理。

图5示出了本方法测量预紧力时，纵波回波强度与变形量之间的曲线示意图。

步骤6，对紧固件施以预紧力，测量超声波纵波的声时差，对照上述轴向预紧力标定曲线，得出该超声波纵波的声时差相对应的紧固件轴向预紧力。

前述步骤1-5已经完成了同一批次的紧固件基体1的相关参数标定，对于该批次中其他的紧固件在使用过程中需要测量轴向预紧力时，对该紧固件采用步骤6的方法进行测量。

在一种可选的实施方式中，还包括：采用闭环反馈信号处理方法，记录参考回波的初始波形和位置，并根据紧固件受到预紧力伸长后纵波第一次回波信号移动的方向，锁定回波信号波，实时追踪纵波的回波波形。追踪到实时的回波波形后需要及时反馈数据，获取超声波纵波第一次回波曲线中所包含的由于所受预紧力变化引起的紧固件伸长量、声时差等信息。实用化的传感器必须具备等同于紧固件基体1的环境适应性和寿命，环境温度、振动等都会对紧固件中传输的超声波信号产生影响，采用该追踪方法，超声波设备始终能捕获测量峰信号，保证预紧力应力剧烈变化下的测量结果的可靠性和准确性。

本实施例提供的薄膜换能传感系统适用于一切对于螺栓预紧力的检测和监测的场合，可用于检测重要装备关键连接部位特别是高空环境、水下环境、狭小空间、高温场景和辐射场景等所有人力不容易企及的场景。进一步优选的，重要装备关键连接部位包括飞机发动机相关部位、机翼尾翼与机身连接螺栓，风电机组风机固定基座、高架铁塔，轨道交通领域的接触网、抱轴瓦以及路基连接螺栓，汽车发动机缸盖、轮毂和刹车盘螺栓。

该薄膜换能传感系统不仅操作简单，在测量过程中还无需考虑摩擦的影响，大大提高了对预紧力的测量精度可达±3％。

综上，本实用新型提供的一种具有应力传感功能的紧固件，该紧固件包括紧固件基体，超声波薄膜传感器，第一电极引线和第二电极引线；当第一电极引线和第二电极引线被输入脉冲电信号后，超声波薄膜传感器的压电层将脉冲电信号转换成超声波声信号，超声波声信号沿杆部传输到超声波反射面，再由超声波反射面沿杆部传输回到超声波薄膜传感器压电层，由压电层转换为带有应力信息的电信号输出；该紧固件的传感模块体积小，加工过程对紧固件本身没有改变，通过安装过程的布线连接可以实现离线检测和在线监测两种不同的应用模式，节约成本操作方便。具有该紧固件的薄膜换能传感系统在测量过程中无需考虑摩擦的影响，大大提高了对预紧力的测量精度可达±3％。

Claims (22)

1.一种具有应力传感功能的紧固件，其特征在于，包括：

紧固件基体（1），包括具有上端面和下端面的端头和从所述端头下端面向远离端头方向纵向延伸的杆部，所述端头的上端面为端头的自由端，所述杆部在远离端头上端面的预设长度处形成超声波反射面，所述超声波反射面与所述杆部纵向轴线夹角θ为：0°<θ<180°；

超声波薄膜传感器（8），在所述端头上端面且至少与杆部对应的区域形成一薄膜器件层；

所述薄膜器件层包括多个功能层，所述多个功能层以所述紧固件基体（1）的端头上端面为基底面，依次向上形成有压电层（3）和电极层（5），所述压电层（3）对所述电极层（5）和基底面具有电隔离作用；

第一电极引线（7）和第二电极引线（6），其中第一电极引线（7）与所述基底面电连接，第二电极引线（6）与所述电极层（5）电连接；

所述第一电极引线（7）和第二电极引线（6）用于接收和向外输出电信号;当所述第一电极引线（7）和第二电极引线（6）被输入脉冲电信号后，所述压电层（3）利用逆压电效应将所述脉冲电信号转换成超声波声信号，所述超声波声信号沿杆部传输到超声波反射面，再由所述超声波反射面反射后沿杆部传输回到所述超声波薄膜传感器（8）的压电层（3），由所述压电层（3）利用压电效应转换为带有应力信息的电信号输出。

2.如权利要求1所述的具有应力传感功能的紧固件，其特征在于，所述杆部的下端面为自由端面，所述预设长度延伸到所述杆部的下端面，所述超声波反射面由所述杆部的下端面形成，并与所述杆部纵向轴线夹角θ为90°，所述超声波薄膜传感器（8）形成在端头上端面受应力最小的区域。

3.如权利要求1-2任一项所述的具有应力传感功能的紧固件，其特征在于，所述电极层（5）采用图案化电隔离处理，所述第一电极引线（7）、第二电极引线（6）在压电层（3）一侧引出。

4.如权利要求3所述的具有应力传感功能的紧固件，其特征在于，所述超声波薄膜传感器（8）在紧固件基体（1）基底面上依次生长各功能层，薄膜层与基底之间、各功能层之间均为原子级别结合。

5.如权利要求4所述的具有应力传感功能的紧固件，其特征在于，所述原子级别结合采用物理气相沉积技术、化学气相沉积技术和脉冲激光沉积技术中的任一种。

6.如权利要求1-2任一项所述的具有应力传感功能的紧固件，其特征在于，所述压电层（3）与所述基底之间还形成有过渡层（2）。

7.如权利要求1-2任一项所述的具有应力传感功能的紧固件，其特征在于，在所述压电层（3）和电极层（5）之间设置一隔离层（4）。

8.如权利要求1-2任一项所述的具有应力传感功能的紧固件，其特征在于，所述超声波薄膜传感器（8）所在端面为一整体平面或形成一个或多个下沉平台。

9.如权利要求1-2任一项所述的具有应力传感功能的紧固件，其特征在于，所述超声波薄膜传感器（8）薄膜层设有多个单元，其中一个单元设置在紧固件纵向中心轴线位置，其余单元环绕在该单元外周，并相对紧固件纵向轴线对称分布。

10.如权利要求1-2任一项所述的具有应力传感功能的紧固件，其特征在于，所述超声波薄膜传感器（8）薄膜层设有多个单元，所述多个单元成矩阵分布。

11.如权利要求1-2任一项所述的具有应力传感功能的紧固件，其特征在于，所述超声波薄膜传感器（8）薄膜层外周环设有温度感应装置，所述温度感应装置环设在超声波薄膜传感器（8）薄膜层的外周并形成超声波薄膜传感器（8）薄膜层的拓扑边，所述温度感应装置能够显示温度的数值。

12.一种具有应力传感功能的紧固件，其特征在于，包括：

紧固件基体（1），包括具有上端面和下端面的端头和从所述端头下端面向远离端头方向纵向延伸的杆部，所述杆部的下端面为自由端面；

超声波薄膜传感器（8），在所述杆部的下端面形成一薄膜器件层；

所述薄膜器件层包括多个功能层，所述多个功能层以所述紧固件的杆部的下端面为基底面，依次形成有压电层（3）和电极层（5），所述压电层（3）对所述电极层（5）和基底面具有电隔离作用；

第一电极引线（7）和第二电极引线（6），其中第一电极引线（7）与所述基底面电连接，第二电极引线（6）与所述电极层（5）电连接；

所述第一电极引线（7）和第二电极引线（6）用于接收和向外输出电信号;当所述第一电极引线（7）和第二电极引线（6）被输入脉冲电信号后，所述压电层（3）利用逆压电效应将所述脉冲电信号转换成超声波声信号，所述超声波声信号沿杆部传输到超声波反射面，再由所述超声波反射面反射后沿杆部传输回到超声波薄膜传感器（8）的压电层（3），由所述压电层（3）利用压电效应转换为带有应力信息的电信号输出。

13.如权利要求12所述的具有应力传感功能的紧固件，其特征在于，所述电极层（5）采用图案化电隔离处理，所述第一电极引线（7）、第二电极引线（6）在压电层（3）一侧引出。

14.如权利要求13所述的具有应力传感功能的紧固件，其特征在于，所述超声波薄膜传感器（8）在紧固件基体（1）基底面上依次生长各功能层，薄膜层与基底之间、各功能层之间均为原子级别结合。

15.如权利要求14所述的具有应力传感功能的紧固件，其特征在于，所述原子级别结合采用物理气相沉积技术、化学气相沉积技术和脉冲激光沉积技术中的任一种。

16.如权利要求12所述的具有应力传感功能的紧固件，其特征在于，所述压电层（3）与所述基底之间还形成有过渡层（2）。

17.如权利要求12所述的具有应力传感功能的紧固件，其特征在于，在所述压电层（3）和电极层（5）之间设置一隔离层（4）。

18.如权利要求12所述的具有应力传感功能的紧固件，其特征在于，所述超声波薄膜传感器（8）所在端面为一整体平面或形成一个或多个下沉平台。

19.如权利要求12所述的具有应力传感功能的紧固件，其特征在于，所述超声波薄膜传感器（8）薄膜层设有多个单元，其中一个单元设置在紧固件纵向中心轴线位置，其余单元环绕在该单元外周，并相对紧固件纵向轴线对称分布。

20.如权利要求12所述的具有应力传感功能的紧固件，其特征在于，所述超声波薄膜传感器（8）薄膜层设有多个单元，所述多个单元成矩阵分布。

21.如权利要求12所述的具有应力传感功能的紧固件，其特征在于，所述超声波薄膜传感器（8）薄膜层外周环设有温度感应装置，所述温度感应装置环设在超声波薄膜传感器（8）薄膜层的外周并形成超声波薄膜传感器（8）薄膜层的拓扑边，所述温度感应装置能够显示温度的数值。

22.一种薄膜换能传感系统，其包括外部控制系统，其特征在于，还包含如权利要求1-21任一项所述的具有应力传感功能的紧固件，所述紧固件中的超声波薄膜传感器（8）与所述外部控制系统连接。

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