CN214617397U - 一种高温多模式永久禁固型智能螺栓及螺栓阵列 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种连接件，尤其是基于压电薄膜的在线监测、离线诊断、离线快速装载的智能螺栓及螺栓阵列。一种高温多模式永久禁固型智能螺栓，包括螺栓和预紧力监控装置，所述螺栓上设有压电传感器；所述的压电传感器从上到下依次为金属电极层、保护层和压电层；所述的压电层为掺杂有居里温度高的微粒的锆钛酸铅基复合薄膜。本实用新型通过实时监测装载螺栓的预紧力，离线快速装载，离线诊断获取编辑存储预紧力值，达到精确控制螺栓预紧力，快速装载目的。由于压电复合薄膜中加入居里温度高的微粒，使螺栓能够在高温环境下工作。压电复合薄膜通过溶胶凝胶法喷涂或旋涂制备，实现一定范围内的薄膜厚度控制，避免了耦合剂的使用。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种连接件，尤其是基于压电薄膜的在线监测、离线诊断、离线快速装载的智能螺栓及螺栓阵列。
背景技术
螺栓连接件，广泛用于核工业设备，深海航空航天设备及石油化工设备管道。质检过关的螺栓，发生意外事故主要在安装和检测维修方面。
在螺栓安装过程中必须拧紧，在承受工作载荷之前这个预加的作用力称为预紧力。若螺栓预载荷超过范围上限，螺栓会发生非弹性形变，甚至被拉断；若螺栓预载荷与范围下限，两联接件间产生缝隙，在运行过程中机件的应力最大可比正常时增加95%，造成螺栓断裂。因此，实时精确监测螺栓预紧力对于确保结构的可靠性和安全性具有重要意义，而紧急复杂情况下，离线状态通过扫描二维码或条形码获取和编辑螺栓位置信息ID和长时间内预紧力值变化曲线也是必要的。
很多机械系统，需要在高温下使用，因此可在高温条件下工作是十分必要的。大多数机械螺栓连接件在不同受力状态受力载荷具有很大不同，更小预紧力可以保证材料的耐用度，提高机械使用的安全性。本实用新型提出与现分析常用运动模式下的连接件受力情况作为运动模式的预紧力分析，更加精准有效的分析不同受力模式下的预紧力和实际载荷的大小，选取更小预紧力，增加材料得到使用时间，减少事故的发生。
中国实用新型专利202020598691.0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。但该实用新型的紧固件同样不能在高温下使用，不涉及螺栓阵列，不涉及网页存储及可编辑网页信息，不涉及多模式监测如运动及静力模式下的监测。
实用新型内容
为了解决上述现有技术中存在的问题，本实用新型提供一种基于压电薄膜可在高温下使用，可控薄膜厚度，在线高效监测运动模式、静力模式下的预紧力，离线诊断，离线快速装载的一种多模式永久禁固新型智能螺栓阵列，目的在于可在高温下远距离在线高效监测运动模式静力模式的预紧力，离线诊断获取存储预紧力值，获取螺栓位置等信息，离线快速装载。
为达到上述目的，本实用新型的技术方案如下：
一种多模式高温智能螺栓，包括螺栓和预紧力监控装置，所述螺栓上设有压电传感器；所述的压电传感器从上到下依次为金属电极层、保护层和压电层；所述的压电层为掺杂有居里温度高的微粒的锆钛酸铅（PZT）基复合薄膜。
进一步优选地，所述的居里温度高的微粒为钛酸铋（BIT）粉末或铌酸锂（LN）粉末。
进一步优选地，所述的PZT基复合薄膜的厚度为10-200微米。
进一步优选地，所述的PZT基复合薄膜通过溶胶凝胶法喷涂或旋涂在所述螺栓的表面。
进一步优选地，所述的预紧力监控装置包括在线监测模块和离线监测模块；所述在线监测模块与所述压电传感器配合，通过超声波脉冲和回波时间差实时监测螺栓的预紧力；所述的离线监测模块用于获取或编辑离线状态下螺栓的预紧力和位置信息。
进一步优选地，所述的离线监测模块包括设置在所述螺栓上的二维码或条形码，所述二维码或条形码中储存有网页地址，通过扫描二维码或条形码获取或编辑网页信息。
一种多模式高温智能螺栓阵列，包括若干所述的高温智能螺栓、多通道信号采集模块，多通道信号采集模块用于接收超声波在每个螺栓中传播的回波信号，并通过接口转换模块传输至分析处理装置进行分析处理。
进一步优选地，还包括模式选择模块和加速度传感器，所述加速度传感器用于检测所述螺栓的加速度，所述模式选择模块用于根据所述加速度传感器的测量信号手动或自动选择不同的预紧力模式。
本实用新型高温多模式永久禁固型智能螺栓及螺栓阵列，通过实时监测装载螺栓准确的预紧力，离线快速装载，离线诊断获取编辑存储预紧力值，达到精确控制螺栓预紧力，快速装载目的。高温智能螺栓由于加入居里温度高的微粒如BIT微粒，工作温度最高可达350°C。压电复合薄膜通过溶胶凝胶法喷涂或旋涂制备，通过多次喷涂和旋涂的方式实现一定范围内的薄膜厚度控制，避免了耦合剂的使用。
附图说明
图1为本实用新型一种高温多模式永久禁固型智能螺栓俯视示意图；1、顶电极，2、二维码/条形码，3、保护层，4、压电薄膜，5、螺栓；
图2为本实用新型一种高温多模式永久禁固型智能螺栓的剖面示意图；
图3是在线监测模块结构原理示意图；
图4为离线监测模块的结构原理示意图；
图5为本实用新型一种高温多模式永久禁固型智能螺栓阵列俯视示意图；
图6为一种高温多模式永久禁固型智能螺栓阵列在线监测模式工作原理示意图；
图7为一种高温多模式永久禁固型智能螺栓阵列离线模式工作原理示意。
具体实施方式
为了便于理解本实用新型，下面结合附图和具体实施例，对本实用新型进行更详细的说明。附图中给出了本实用新型的较佳的实施例。但是，本实用新型可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本实用新型公开内容的理解更加透彻全面。
实施例1：本实施例提供一种高温多模式永久禁固型智能螺栓，该螺栓的结构如图1和图2所示，主要包括螺栓5和预紧力监控装置，其中螺栓5的螺帽表面设有薄膜型压电传感器，该压电传感器从上到下依次为顶电极1、保护层3和PZT压电薄膜4。
本实施例中，压电薄膜4采用BIT/PZT复合薄膜，即在PZT中掺杂有居里温度高的BIT粉末，厚度为60微米，工作温度为150°C。
压电薄膜采用溶胶凝胶喷涂法制备，具体制备方法为：（1）配制PZT溶液；（2）研磨居里温度高的粉末如BIT、LN，掺杂在PZT溶液中；（3）形成溶胶凝胶，喷涂或旋涂到螺栓的表面；（4）干燥、烧制、淬火；（5）重复（3）、（4）过程已达到合适薄膜厚度；（6）极化，添加保护层、溅射正电极。
预紧力监控装置包括在线监测模块和离线监测模块。
如图3所示，在线监测装置与压电传感器配合，通过超声波脉冲和回波时间差实时监测螺栓的预紧力。在线监测装置包括超声换能器、信号采集模块、接口转换模块及分析处理装置；分析处理装置包括计算模块、诊断模块及显示模块、温度检测模块。超声换能器通过与压电传感式螺栓的头部接触产生超声波，由信号采集模块接收超声波在螺栓中传播的返回信号，并通过接口转换模块传输至分析处理装置进行分析处理；计算模块用于超声横波、纵波在螺栓里传播的时间与螺栓轴向应力的线性关系计算螺栓残余预紧力值；诊断模块用于根据残余预紧力值，判断螺栓的紧固状态，并进行提前预警及寿命预测；显示模块用于显示残余预紧力值及诊断模块的诊断结果数据。温度检测模块用于检测螺栓温度，通过接口转换模块与分析处理装置连接，用于分析处理过程中的温度补偿。
如图4所示，离线监测模块包括设置在螺栓5上激光编码2。激光编码2采用二维码，激光编码存储网页地址信息，网页中存储“超声长度”信息、螺栓位置和ID号等信息，在线监测的超声长度信息改变都可编辑存储到网页中。离线时，通过扫描二维码，可以获取或编辑网页中的信息。
实施例2：本实施例提供一种高温多模式永久禁固智能螺栓阵列，如图5所示，该阵列有若干高温多模式永久禁固型智能螺栓组成，使用多通道超声波脉冲，多通道信息传输系统制成螺栓阵列，实现高效监测预紧力。加速度传感器用于检测螺栓的加速度，通过计算不同加速度值下螺栓的载荷，自动或手动切换模式选择预先设定的螺栓的预紧力模式，实现不同受力模式下的预紧力的精准化监测。
如图6和7所示，通过加速度传感器自动或手动切换模式，调节预紧力警报值；在线时，单元螺栓预紧力在线监控模块与压电传感式螺栓配合，用于针对装载螺栓，基于超声横波、纵波在螺栓里传播的时间与螺栓轴向应力的线性关系，得出螺栓残余预紧力，以确定是否需要对装载螺栓进行复拧；离线时，采用扫描条形码/二维码方式获取编辑单元螺栓和螺栓阵列信息。
本实施例中，压电薄膜采用 LN/PZT复合薄膜，厚度为60微米，工作温度为150°C，压电薄膜采用溶胶凝胶旋涂法制备，激光编码采用二维码，使用手动切换监测模式，采用在线实时监测螺栓阵列，或采用离线时通过扫描二维码码可获取或编辑网页中预紧力、螺栓位置等信息实现阵列螺栓的单元化精准记录编辑。
Claims (7)
1.一种高温多模式永久禁固型智能螺栓，包括螺栓和预紧力监控装置，所述螺栓上设有压电传感器；所述的压电传感器从上到下依次为金属电极层、保护层和压电层；其特征在于：所述的压电层为掺杂有居里温度高的微粒的锆钛酸铅基复合薄膜。
2.根据权利要求1所述的高温多模式永久禁固型智能螺栓，其特征在于：所述的锆钛酸铅基复合薄膜的厚度为10-200微米。
3.根据权利要求1所述的高温多模式永久禁固型智能螺栓，其特征在于：所述的锆钛酸铅基复合薄膜通过溶胶凝胶法喷涂或旋涂在所述螺栓的表面。
4.根据权利要求1-3任一项所述的高温多模式永久禁固型智能螺栓，其特征在于：所述的预紧力监控装置包括在线监测模块和离线监测模块；所述在线监测模块与所述压电传感器配合，通过超声波脉冲和回波时间差实时监测螺栓的预紧力；所述的离线监测模块用于获取或编辑离线状态下螺栓的预紧力和位置信息。
5.根据权利要求4所述的高温多模式永久禁固型智能螺栓，其特征在于：所述的离线监测模块包括设置在所述螺栓上的二维码或条形码，所述二维码或条形码中储存有网页地址，通过扫描二维码或条形码获取或编辑网页信息。
6.一种高温多模式永久禁固型智能螺栓阵列，其特征在于：包括若干如权利要求5所述的高温多模式永久禁固型智能螺栓、多通道信号采集模块，多通道信号采集模块用于接收超声波在每个螺栓中传播的回波信号，并通过接口转换模块传输至分析处理装置进行分析处理。
7.根据权利要求6所述的高温多模式永久禁固型智能螺栓阵列，其特征在于：还包括模式选择模块和加速度传感器，所述加速度传感器用于检测螺栓的加速度，所述模式选择模块用于根据所述加速度传感器的测量信号手动或自动选择不同的预紧力模式。
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