CN218411510U - 一种超声波传感设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种超声波传感设备，适于监测待测螺栓，超声波传感设备包括：超声敏感单元，适于安装于所述待测螺栓的端口部位；探头主体，与所述超声敏感单元分离，适于吸附安装于所述待测螺栓，且所述探头主体适于与所述超声敏感单元弹性接触，并与所述超声敏感单元电气连接。根据本实用新型的超声波传感设备，可以更加精确地测量螺栓预紧力，而且，通过采用分体式结构，可以预先将超声敏感单元可以安装在待测螺栓的端口部位，从而便于工业现场的批量交付。

Description

一种超声波传感设备

技术领域

本实用新型涉及监测技术领域，尤其涉及一种超声波传感设备。

背景技术

螺栓连接具有拆卸简单、连接可靠、承载力高等优点，是日常生活中最常见的连接方式，被广泛应用于各种大型工程。然而，螺栓连接部位在一个完整的结构体系中属于较为薄弱的部分，在实际工程应用中由于振动、荷载的存在，以及在结构服役过程中的其他因素综合作用下，会导致螺栓产生轴向松动，从而会对结构产生重大影响，降低结构的可靠度和稳定性，产生较大的安全隐患。

因此，如何测量出螺栓紧固时的紧固力或螺杆内的应力，以及，在长期的使用螺栓的过程中，如何随时对重要部位的螺栓进行应力测量或螺栓对紧急情况做出即时告警，且低成本、可大规模的工业化生产与交付，对于重要的结构件的稳定性和安全性具有重要的意义。

现有技术中，广泛应用的是使用扭矩扳手法，来控制连接结构中的螺栓预紧力。然而，由于螺纹副以及螺栓与零件接触面之间的摩擦系数存在较大的分散性，采用扭矩法测得的螺栓预紧力并不精确，从而无法准确判断结构的连接状态。相关研究表明，同一规格的螺栓在同一扭矩下的预紧力误差可以高达30％。

为了更加精确地测量螺栓预紧力，准确判断结构的连接状态，可以应用超声波测量应力技术。超声波测量法建立的是螺栓轴向应力与超声波声时的关系，测量的是超声波传播时间，螺栓拧紧扭矩的大小与工件接触面的状态无关，因此可以消除摩擦力等因素的影响。

为此，需要一种超声波传感设备，以解决上述技术方案中存在的问题。

实用新型内容

为此，本实用新型提供了一种超声波传感设备，以解决或至少缓解上面存在的问题。

根据本实用新型的一个方面，提供了一种超声波传感设备，适于监测待测螺栓，包括：超声敏感单元，适于安装于所述待测螺栓的端口部位；探头主体，与所述超声敏感单元分离，适于吸附安装于所述待测螺栓，且所述探头主体适于与所述超声敏感单元弹性接触，并与所述超声敏感单元电气连接。

可选地，在根据本实用新型的超声波传感设备中，所述探头主体通过压环和弹性探针，与所述超声敏感单元弹性接触，并与所述超声敏感单元电气连接。

可选地，在根据本实用新型的超声波传感设备中，所述超声敏感单元包括：金属保护壳；压电陶瓷圆片，布置在所述金属保护壳内；陶瓷匹配层，布置在所述压电陶瓷圆片的底部，并固定于所述金属保护壳的底部；正极触块，固定在所述压电陶瓷圆片上，并向上凸出于所述金属保护壳。

可选地，在根据本实用新型的超声波传感设备中，所述正极触块与所述压电陶瓷圆片的正极固定，并与所述压电陶瓷圆片的正极电气连接；所述压电陶瓷圆片的负极与所述金属保护壳电气连接。

可选地，在根据本实用新型的超声波传感设备中，所述陶瓷匹配层与所述压电陶瓷圆片的底部胶合固定；所述陶瓷匹配层与所述金属保护壳胶合固定。

可选地，在根据本实用新型的超声波传感设备中，所述探头主体包括：压环；绝缘环，固定在所述压环内；弹性探针，固定在所述绝缘环的中心孔，且所述弹性探针与所述压环之间电气绝缘。

可选地，在根据本实用新型的超声波传感设备中，所述探头主体还包括：金属外壳，所述压环、绝缘环以及弹性探针安装在所述金属外壳内；磁铁，固定在所述金属外壳上，所述探头主体适于通过所述磁铁吸附安装于所述待测螺栓。

可选地，在根据本实用新型的超声波传感设备中，所述探头主体还包括：盖体；弹性件，布置于所述压环的中部，并与所述盖体弹性顶底；射频连接器，固定在所述金属外壳的一侧，并与所述弹性探针电气连接。

可选地，在根据本实用新型的超声波传感设备中，所述金属保护壳内的空隙部位适于填充吸波填充物。

可选地，在根据本实用新型的超声波传感设备中，所述压电陶瓷圆片为PZT-5压电陶瓷圆片。

根据本实用新型的技术方案，提供了一种超声波传感设备，通过超声波传感设备可以更加精确地测量螺栓预紧力，以便准确判断结构的连接状态，有利于提高结构件的稳定性和安全性。具体地，本实用新型的超声波传感设备采用分体式结构，包括相互分离的超声敏感单元和探头主体，其中，超声敏感单元可安装于待测螺栓的端口部位，探头主体可吸附安装于待测螺栓，且探头主体适于与超声敏感单元弹性接触，并与超声敏感单元电气连接。这样，在实际应用过程中，可以预先将超声敏感单元可以安装在待测螺栓的端口部位，从而便于工业现场的批量交付。而且，超声敏感单元结构小巧，安装面积较小，可适用于多种应用场景。

进一步地，通过在超声敏感单元增加陶瓷匹配层，这样，有利于提高信号传递效率，同时，对压电陶瓷圆片的表面进行了有效保护，使得超声波传感设备适应各种恶劣环境的安装使用。

此外，探头主体通过采用弹性探针和压环组成的双活动部件，使得电极接触部位可以根据超声敏感单元的安装位置进行自适应调整，这样，使得本实用新型的超声波传感设备适应于监测多种螺栓。

上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本实用新型的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本实用新型的具体实施方式。

附图说明

为了实现上述以及相关目的，本文结合下面的描述和附图来描述某些说明性方面，这些方面指示了可以实践本文所公开的原理的各种方式，并且所有方面及其等效方面旨在落入所要求保护的主题的范围内。通过结合附图阅读下面的详细描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显。遍及本公开，相同的附图标记通常指代相同的部件或元素。

图1示出了根据本实用新型一个实施例的超声波传感设备100的安装结构示意图；

图2、图3分别示出了根据本实用新型一个实施例的超声敏感单元110的结构示意图；

图4示出了根据本实用新型一个实施例的探头主体120的结构示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

针对现有技术中测得的螺栓预紧力不精确，无法准确判断结构的连接状态的技术问题，本实用新型提出了一种超声波传感设备100，通过超声波传感设备100可以更加精确地测量螺栓预紧力，以便准确判断结构的连接状态，有利于提高结构件的稳定性和安全性。

图1示出了根据本实用新型一个实施例的超声波传感设备100的安装结构示意图。

如图1所示，超声波传感设备100可以安装在待测螺栓130上，用于监测待测螺栓130，具体可以精确监测待测螺栓130的预紧力。超声波传感设备100为分体式结构。具体地，超声波传感设备100包括探头主体120、超声敏感单元110，探头主体120与超声敏感单元110相互分离，并可以分别安装在待测螺栓130上。

其中，超声敏感单元110可以安装于待测螺栓130的端口部位，具体可安装在待测螺栓130的上端口部位。

探头主体120可以吸附安装于待测螺栓130。具体地，探头主体120可以吸附安装在待测螺栓130的上端面。并且，探头主体120可以与超声敏感单元110弹性接触，并与超声敏感单元110实现电气连接。

在一个实施例中，探头主体120可通过压环23和弹性探针21与超声敏感单元110弹性接触，并实现与超声敏感单元110的电气连接。具体地，探头主体120与超声敏感单元110的正负极之间，可通过压环23和弹性探针21进行弹性接触，以实现探头主体120与超声敏感单元110的正负极之间的电气导通。这样，探头主体120与超声敏感单元110之间，可以传递电压信号和超声波信号，以便实现精确监测待测螺栓130的预紧力。

根据本实用新型的超声波传感设备100，采用分体式结构，探头主体120与超声敏感单元110相互分离，这样，在实际应用过程中，可以预先将超声敏感单元110可以安装在待测螺栓130的端口部位，这样便于工业现场的批量交付。后续再将探头主体120安装在待测螺栓130的上端面。

还需要说明的是，超声敏感单元110结构小巧，可安装在待测螺栓130端口的中心孔。在一种实现方式中，待测螺栓130例如可以实现为风力机组的叶根螺栓。

在一个实施例中，探头主体120可以通过磁性吸附安装在待测螺栓130的上端面，以实现与待测螺栓130安装固定。这种安装方式，简便快捷且稳定可靠。

需要说明的是，超声敏感单元110是一种超声波纵波收发装置，其可以通过电脉冲信号激发产生超声波信号，同时可以接收待测螺栓130的界面反射回来的超声信号，以便实现对待测螺栓130的监测。

图2、图3分别示出了根据本实用新型一个实施例的超声敏感单元110的结构示意图。

如图2和图3所示，超声敏感单元110包括：金属保护壳111、压电陶瓷圆片112、陶瓷匹配层113、正极触块115。

其中，压电陶瓷圆片112布置在金属保护壳111内。在一种实现方式中，压电陶瓷圆片112可以实现为PZT-5压电陶瓷圆片。PZT-5压电陶瓷圆片为超声波专用压电陶瓷，其频率可以根据实际需求来选择。

陶瓷匹配层113布置在压电陶瓷圆片112的底部，并固定于金属保护壳111的底部。正极触块115固定在压电陶瓷圆片112上，并向上凸出于金属保护壳111。

其中，正极触块115与压电陶瓷圆片112的正极固定，并与压电陶瓷圆片112的正极电气连接(导通)。压电陶瓷圆片112的负极与金属保护壳111电气连接(导通)。

在一种实现方式中，正极触块115与压电陶瓷圆片112的正极之间，可通过导电胶水或者焊接方式进行固定，并实现电气导通。压电陶瓷圆片112的负极与金属保护壳111之前，也可以通过导电胶水或者焊接方式进行固定，并实现电气导通。

在一种实现方式中，陶瓷匹配层113与金属保护壳111可以紧密胶合固定。陶瓷匹配层113与压电陶瓷圆片112的底部紧密胶合固定。例如，陶瓷匹配层113与压电陶瓷圆片112的底部可以通过结构胶水耦合固定。

在一种实现方式中，陶瓷匹配层113可以采用氧化铝材质，但本实用新型不受限于此。需要说明的是，陶瓷匹配层113的厚度与压电陶瓷圆片112的频率相匹配。换言之，陶瓷匹配层113的厚度可以根据压电陶瓷圆片112的频率进行匹配。

在一种实现方式中，金属保护壳111内的空隙部位可以填充吸波填充物116，即，通过吸波填充物116紧密填充在金属保护壳111内的空隙部位。

根据本实用新型的超声波传感设备100，其中超声敏感单元110增加了陶瓷匹配层113，这样，有利于提高信号传递效率，同时，对压电陶瓷圆片112的表面进行了有效保护，使得超声波传感设备100可适应各种恶劣环境的安装使用。

图4示出了根据本实用新型一个实施例的探头主体120的结构示意图。

如图4所示，探头主体120包括：压环123、绝缘环122、弹性探针121。绝缘环122和弹性探针121均固定于压环123。

具体地，绝缘环122固定在压环123内(压环的孔内)。弹性探针121固定在绝缘环122的中心孔，且弹性探针121与压环123之间需保持电气绝缘。这里，压环123为弹性压环。

在一个实施例中，如图4所示，探头主体120还包括金属外壳125、磁铁124。固定有绝缘环122和弹性探针121的压环123安装在金属外壳125内。也就是说，压环123、绝缘环122、弹性探针121(作为组件)安装在金属外壳125内。

磁铁124固定在金属外壳125上，具体可以固定在金属外壳125的底部。这样，探头主体120可以通过磁铁24吸附安装在待测螺栓130的上端面。

在一个实施例中，如图4所示，探头主体120还包括盖体127(上盖)、弹性件126、射频连接器128。在一种实现方式中，弹性件126例如可以实现为弹簧，但本实用新型不受限于此。

弹性件126可以布置于压环123的中部，并与盖体127弹性顶底。具体地，弹性件126的一端(下端)布置在压环123的中部，另一端(上端)与盖体127弹性顶底。从而，将弹性件126压缩固定在金属外壳125的内部。

射频连接器128可以固定在金属外壳125的一侧，并与弹性探针121电气连接。例如，射频连接器128可通过电子线将其正极线芯与弹性探针121电气连接。

需要说明的是，探头主体120通过采用弹性探针和压环组成的双活动部件，使得电极接触部位可以根据超声敏感单元110的安装位置进行自适应调整，这样，使得本实用新型的超声波传感设备100适应于监测多种螺栓，特别适应于中心带孔的风机叶根螺栓的安装使用。

根据本实用新型的超声波传感设备100，可以更加精确地测量螺栓预紧力，以便准确判断结构的连接状态，有利于提高结构件的稳定性和安全性。具体地，本实用新型的超声波传感设备采用分体式结构，包括相互分离的超声敏感单元和探头主体，其中，超声敏感单元可安装于待测螺栓的端口部位，探头主体可吸附安装于待测螺栓，且探头主体适于与超声敏感单元弹性接触，并与超声敏感单元电气连接。这样，在实际应用过程中，可以预先将超声敏感单元可以安装在待测螺栓的端口部位，从而便于工业现场的批量交付。而且，超声敏感单元结构小巧，安装面积较小，可适用于多种应用场景。

进一步地，通过在超声敏感单元增加陶瓷匹配层，这样，有利于提高信号传递效率，同时，对压电陶瓷圆片的表面进行了有效保护，使得超声波传感设备适应各种恶劣环境的安装使用。

此外，探头主体通过采用弹性探针和压环组成的双活动部件，使得电极接触部位可以根据超声敏感单元的安装位置进行自适应调整，这样，使得本实用新型的超声波传感设备适应于监测多种螺栓。

本说明书的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等均应做广义理解。此外，术语“前”“后”“上”、“下”、“内”、“外”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或单元必须具有特定的方向、以特定的方位构造和操作，因此，不能理解为对本实用新型的限制。

在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本实用新型的实施例可以在没有这些具体细节的情况下被实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个实用新型方面中的一个或多个，在上面对本实用新型的示例性实施例的描述中，本实用新型的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本实用新型要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本实用新型的单独实施例。

本领域那些技术人员应当理解在本文所公开的示例中的设备的模块或单元或组件可以布置在如该实施例中所描述的设备中，或者可替换地可以定位在与该示例中的设备不同的一个或多个设备中。前述示例中的模块可以组合为一个模块或者此外可以分成多个子模块。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本实用新型的范围之内并且形成不同的实施例。

如在此所使用的那样，除非另行规定，使用序数词“第一”、“第二”、“第三”等等来描述普通对象仅仅表示涉及类似对象的不同实例，并且并不意图暗示这样被描述的对象必须具有时间上、空间上、排序方面或者以任意其它方式的给定顺序。

尽管根据有限数量的实施例描述了本实用新型，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本实用新型的范围内，可以设想其它实施例。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本实用新型的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本实用新型的范围，对本实用新型所做的公开是说明性的而非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求书限定。

Claims (10)

1.一种超声波传感设备，适于监测待测螺栓，其特征在于，包括：

超声敏感单元，适于安装于所述待测螺栓的端口部位；

探头主体，与所述超声敏感单元分离，适于吸附安装于所述待测螺栓，且所述探头主体适于与所述超声敏感单元弹性接触，并与所述超声敏感单元电气连接。

2.如权利要求1所述的超声波传感设备，其特征在于：

所述探头主体通过压环和弹性探针，与所述超声敏感单元弹性接触，并与所述超声敏感单元电气连接。

3.如权利要求1所述的超声波传感设备，其特征在于，所述超声敏感单元包括：

金属保护壳；

压电陶瓷圆片，布置在所述金属保护壳内；

陶瓷匹配层，布置在所述压电陶瓷圆片的底部，并固定于所述金属保护壳的底部；

正极触块，固定在所述压电陶瓷圆片上，并向上凸出于所述金属保护壳。

4.如权利要求3所述的超声波传感设备，其特征在于：

所述正极触块与所述压电陶瓷圆片的正极固定，并与所述压电陶瓷圆片的正极电气连接；

所述压电陶瓷圆片的负极与所述金属保护壳电气连接。

5.如权利要求3所述的超声波传感设备，其特征在于：

所述陶瓷匹配层与所述压电陶瓷圆片的底部胶合固定；

所述陶瓷匹配层与所述金属保护壳胶合固定。

6.如权利要求1-5中任一项所述的超声波传感设备，其特征在于，所述探头主体包括：

压环；

绝缘环，固定在所述压环内；

弹性探针，固定在所述绝缘环的中心孔，且所述弹性探针与所述压环之间电气绝缘。

7.如权利要求6所述的超声波传感设备，其特征在于，所述探头主体还包括：

金属外壳，所述压环、绝缘环以及弹性探针安装在所述金属外壳内；

磁铁，固定在所述金属外壳上，所述探头主体适于通过所述磁铁吸附安装于所述待测螺栓。

8.如权利要求7所述的超声波传感设备，其特征在于，所述探头主体还包括：

盖体；

弹性件，布置于所述压环的中部，并与所述盖体弹性顶底；

射频连接器，固定在所述金属外壳的一侧，并与所述弹性探针电气连接。

9.如权利要求3所述的超声波传感设备，其特征在于：

所述金属保护壳内的空隙部位适于填充吸波填充物。

10.如权利要求3所述的超声波传感设备，其特征在于：

所述压电陶瓷圆片为PZT-5压电陶瓷圆片。

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