CN110953233A - 一种能够实时精密测量压力的双头螺栓结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种能够实时精密测量压力的双头螺栓结构，包括有测力双头螺栓、第一压力测量模块、第二压力测量模块、无线传输模块和单片机模块；测力双头螺栓包括有螺栓杆部和螺母，螺栓杆部和螺母内部开设有贯穿连通的导线通孔，螺母内开设有螺母螺纹盲孔和弹簧测力计通道；第一压力测量模块包括有垫片，垫片靠近螺母设置，螺栓杆部贯穿垫片，垫片上设置有微型力传感器阵列，第二压力测量模块包括有弹簧测力计阵列，弹簧测力计阵列设置在弹簧测力计通道中，第一压力测量模块和第二压力测量模块贴合设置。本发明与螺母配套的垫片采用微型力传感器阵列，螺母内部采用弹簧测力计阵列，通过双重测量求平均值的方法达到减少误差、精密测量的目的。
Description
技术领域
本发明属于机械工程技术领域，具体涉及一种能够实时精密测量压力的双头螺栓结构。
背景技术
螺栓(或螺钉)组连接是现代机械工程应用及产品装配等场合最常用的连接方式之一。对于产品装配之前的预紧力测量、产品装配应用之后的相互作用力测量，采用专门的测力仪器测量不仅操作麻烦，还增加了劳动力与财务支出。
工程应用及仪器装配过程中的压力测量在当今时代已越来越常见。目前螺栓连接两装置之间的相互作用力没有直接测量方法，且螺栓不仅可以连接两装置，还能测量装置所承受的预紧力及相互之间的作用力，因此通过双头螺栓来测量其预紧力和螺栓所受连接装置之间的相互作用力能够反映出整个装置的装配质量和可靠性。特别是对一些生产机械、装配现场、桥梁、汽车和大型建筑等应用场合实时监测某一部分所受压力大小不仅直接决定仪器能否正常运行，甚至关乎人员安全。例如大型设备的安装过程中，需要安装减速机架、机械密封座等附件，就需要双头螺栓一端拧入主体，另一端通过螺母与附件固定，同时需要实时监测主体与附件之间相互作用力的大小。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够实时精密测量压力的双头螺栓结构，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种能够实时精密测量压力的双头螺栓结构，包括有测力双头螺栓、第一压力测量模块、第二压力测量模块、无线传输模块和单片机模块，所述第一压力测量模块和第二压力测量模块均分别设置在测力双头螺栓上，所述第一压力测量模块和第二压力测量模块均分别与无线传输模块电性连接，所述无线传输模块与单片机模块电性连接；
所述测力双头螺栓包括有螺栓杆部和螺母，所述螺母设置在螺栓杆部的一端，所述螺栓杆部和螺母内部开设有贯穿连通的导线通孔，所述螺母内开设有螺母螺纹盲孔和弹簧测力计通道，所述弹簧测力计通道环绕螺母螺纹盲孔设置，所述导线通孔贯穿螺母螺纹盲孔；
所述第一压力测量模块包括有垫片，所述垫片靠近螺母设置，所述螺栓杆部贯穿垫片，所述垫片上设置有微型力传感器阵列，所述第二压力测量模块包括有弹簧测力计阵列，所述弹簧测力计阵列设置在弹簧测力计通道中，所述第一压力测量模块和第二压力测量模块相互贴合设置；
所述无线传输模块包括有无线网关、无线节点和导线，所述导线穿过导线通孔，所述导线连接无线网关、无线节点、微型力传感器阵列和弹簧测力计阵列。
优选的，所述微型力传感器阵列由多个微型力传感器排列成三圈，包括有从里到外分别为四、八、十六个共二十八个微型力传感器。
优选的，所述微型力传感器可选用压电式或气压式力传感器。
优选的，所述第一压力测量模块还包括有第一保护垫圈和第二保护垫圈，所述第一保护垫圈和第二保护垫圈分别设置在垫片的两侧。
优选的，所述弹簧测力计阵列包括有八个竖直设置的微型弹簧测力计，每个所述微型弹簧测力计通过导线相连，并将信号传给无线网关。
优选的，所述单片机模块包括有单片机、A/D转换器、液晶显示器、数值设置按钮和报警器；
所述液晶显示器是用来显示单片机输出的压力值；
所述数值设置按钮是供用户根据实际情况设置测力双头螺栓所在装置所能承受的安全极限值；
所述报警器是当测力双头螺栓测得的数值大于用户设定的安全值时发出报警声。
优选的，一种通过双头螺栓结构实时测量压力的方法，包括以下步骤：
步骤一：在垫片上分布三圈微型力传感器阵列，依次从里到外均匀间隔分布，每圈的系数分别设为k1、k2、k3,每一圈测量的数值大小通过单片机处理得到加权平均值并乘以各自系数得到最终的测力结果；
步骤二：螺母内部的微型弹簧测力计受到压力时，数值发生变化并输出数值差信号；
步骤三：导线将微型力传感器阵列测得的信号与弹簧测力计阵列产生的数值差信号通过无线网关传输给无线节点；
步骤四：运算放大器将单片机接收的微型力传感器阵列和弹簧测力计阵列两路原始信号放大到数据采集卡足够识别接收的电信号，A/D转换器将模拟信号转换为数字信号；
步骤五：对微型力传感器阵列进行加权平均算法处理，对弹簧测力计阵列进行加权递推平均滤波处理，再对两者测量结果进行平均处理；
步骤六：液晶显示器显示单片机输出的压力值，实时将用户设定的安全初始值与双头螺栓的测量值进行比较并报警。
有益效果：
(1)本发明的一种能够实时精密测量压力的双头螺栓结构，采用双头螺栓的结构，便于大型机械应用场合的拆装；与螺母配套的垫片采用微型力传感器阵列，螺母内部采用弹簧测力计阵列，通过双重测量求平均值的方法达到减少误差、精密测量的目的。
(2)本发明的一种能够实时精密测量压力的双头螺栓结构，配合测力双头螺栓的螺母内部设有弹簧测力计，避免在外部受摩擦造成仪器损坏；通过贴合在垫片上的微型力传感器阵列获得压力值，并且垫片上下配合着保护垫圈，可以避免因操作过程中摩擦、震动造成结果不准的情况，便于在任意场合测量力的大小。
(3)本发明的一种能够实时精密测量压力的双头螺栓结构，采用无线节点传输信号，可以避免因导线连接导致装配复杂的情况；通过数值设置按钮设置安全值，当实时测量值大于或等于安全值时，报警器立刻发出报警声，既可以保护设备又可以提醒安全员，便于在大型建筑、桥梁、机械等应用场合的远程控制。
(4)本发明的一种能够实时精密测量压力的双头螺栓结构，测力双头螺栓、螺母及垫片均是符合生产配合标准的套件，既能起到紧固连接作用又能起到测力效果，不需要再外加其它测力仪器，简化使用过程。
附图说明
图1为本发明一种能够实时精密测量压力的双头螺栓结构的整体结构框图。
图2为本发明一种能够实时精密测量压力的双头螺栓结构的整体分布示意图。
图3为本发明一种能够实时精密测量压力的双头螺栓结构的装配图。
图4为本发明一种能够实时精密测量压力的双头螺栓结构的垫片处微型力传感器阵列设计图。
图5为本发明一种能够实时精密测量压力的双头螺栓结构的螺母处弹簧测力计阵列设计图。
图6为本发明一种能够实时精密测量压力的双头螺栓结构的螺母剖面示意图。
图7为本发明一种能够实时精密测量压力的双头螺栓结构的螺杆示意图。
图8为本发明一种能够实时精密测量压力的双头螺栓结构的无线节点与单片机连接示意图。
图9为本发明一种能够实时精密测量压力的双头螺栓结构的数值显示与报警器示意图。
图10位本发明一种能够实时精密测量压力的双头螺栓结构的控制流程图。
图中：1-测力双头螺栓，11-螺栓杆部，12-螺母，13-导线通孔，14-螺母螺纹盲孔，15-弹簧测力计通道，2-垫片，3-微型力传感器阵列，4-弹簧测力计阵列，5-第一保护垫圈，6-第二保护垫圈。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的实施例。
如图1-10所示，一种能够实时精密测量压力的双头螺栓结构，兼备连接与测力功能，包括有测力双头螺栓1、第一压力测量模块、第二压力测量模块、无线传输模块和单片机模块，所述第一压力测量模块和第二压力测量模块均分别设置在测力双头螺栓1上，所述第一压力测量模块和第二压力测量模块均分别与无线传输模块电性连接，所述无线传输模块与单片机模块电性连接；
所述测力双头螺栓1包括有螺栓杆部11和螺母12，所述螺母12设置在螺栓杆部11的一端，所述螺栓杆部11和螺母12内部开设有贯穿连通的导线通孔13，所述螺母12内开设有螺母螺纹盲孔14和弹簧测力计通道15，所述弹簧测力计通道15环绕螺母螺纹盲孔14设置，所述导线通孔13贯穿螺母螺纹盲孔14，螺母螺纹盲孔14用于固定和拧紧螺栓；
所述第一压力测量模块包括有垫片2，所述垫片2靠近螺母12设置，所述螺栓杆部11贯穿垫片2，所述垫片2上设置有微型力传感器阵列3，所述第二压力测量模块包括有弹簧测力计阵列4，所述弹簧测力计阵列4设置在弹簧测力计通道15中，所述第一压力测量模块和第二压力测量模块相互贴合设置；
所述无线传输模块包括有无线网关、无线节点和导线，所述导线穿过导线通孔13，所述导线连接无线网关、无线节点、微型力传感器阵列3和弹簧测力计阵列4。
所述微型力传感器阵列3由多个微型力传感器排列成三圈，包括有从里到外分别为四、八、十六个共二十八个微型力传感器。
所述微型力传感器可选用压电式或气压式力传感器。
所述第一压力测量模块还包括有第一保护垫圈5和第二保护垫圈6，所述第一保护垫圈5和第二保护垫圈6分别设置在垫片2的两侧。
所述弹簧测力计阵列4包括有八个竖直设置的微型弹簧测力计，每个所述微型弹簧测力计通过导线相连，并将信号传给无线网关。
所述单片机模块包括有单片机、A/D转换器、液晶显示器、数值设置按钮和报警器；
所述液晶显示器是用来显示单片机输出的压力值；
所述数值设置按钮是供用户根据实际情况设置测力双头螺栓所在装置所能承受的安全极限值；
所述报警器是当测力双头螺栓测得的数值大于用户设定的安全值时发出报警声。
一种通过双头螺栓结构实时测量压力的方法，包括以下步骤：
步骤一：在垫片2上分布三圈微型力传感器阵列3，依次从里到外均匀间隔分布，每圈的系数分别设为k1、k2、k3,每一圈测量的数值大小通过单片机处理得到加权平均值并乘以各自系数得到最终的测力结果；
步骤二：螺母12内部的微型弹簧测力计受到压力时，数值发生变化并输出数值差信号；
步骤三：导线将微型力传感器阵列3测得的信号与弹簧测力计阵列4产生的数值差信号通过无线网关传输给无线节点；
步骤四：运算放大器将单片机接收的微型力传感器阵列3和弹簧测力计阵列4两路原始信号放大到数据采集卡足够识别接收的电信号，A/D转换器将模拟信号转换为数字信号；
步骤五：对微型力传感器阵列3进行加权平均算法处理，对弹簧测力计阵列4进行加权递推平均滤波处理，再对两者测量结果进行平均处理；
步骤六：液晶显示器显示单片机输出的压力值，实时将用户设定的安全初始值与双头螺栓的测量值进行比较并报警。
主要包括以下四步程序：
1、信号的获取:
测量压力的力信号来自两部分：一部分是贴在与螺母12配合的垫片2上的微型力传感器阵列3测得的压力大小；另一部分是与测力双头螺栓1配合的螺母12内部弹簧测力计阵列4因受力产生的数值差。测力双头螺栓1用来装配仪器，测力双头螺栓1及垫片2配合既可以夹紧装置，又能实时测量压力大小。
2、信号的传输：
每圈的测力传感器所测得数值和与螺母12内部弹簧测力计阵列4测得的数值通过导线连接至无线网关，最后信号通过无线节点传输给单片机。
3、信号的处理：
无线节点传输给无线网关的模拟信号太弱不足以被直接转换为数字信号，首先需要经放大电路放大，再经A/D转换器将模拟信号转为数字信号。单片机首先对每一圈测力传感器进行加权平均算法处理，再由各圈系数计算出最后总的垫片受力平均值；其次对螺母12内部微型弹簧测力计测得的数值进行加权递推平均滤波；再将两者测得的结果进行平均值处理。液晶显示器将结果显示出来，并实时比较设定的安全值与测量值，当检测到测量值大于或等于安全值时，立即响应中断，切断电源并发出报警声。
本发明的一种能够实时精密测量压力的双头螺栓结构，采用双头螺栓的结构，便于大型机械应用场合的拆装；与螺母12配套的垫片2采用微型力传感器阵列3，螺母12内部采用弹簧测力计阵列4，通过双重测量求平均值的方法达到减少误差、精密测量的目的。
本发明的一种能够实时精密测量压力的双头螺栓结构，配合测力双头螺栓1的螺母12内部设有弹簧测力计，避免在外部受摩擦造成仪器损坏；通过贴合在垫片2上的微型力传感器阵列3获得压力值，并且垫片2上下配合着保护垫圈，可以避免因操作过程中摩擦、震动造成结果不准的情况，便于在任意场合测量力的大小。
本发明的一种能够实时精密测量压力的双头螺栓结构，采用无线节点传输信号，可以避免因导线连接导致装配复杂的情况；通过数值设置按钮设置安全值，当实时测量值大于或等于安全值时，报警器立刻发出报警声，既可以保护设备又可以提醒安全员，便于在大型建筑、桥梁、机械等应用场合的远程控制。
本发明的一种能够实时精密测量压力的双头螺栓结构，测力双头螺栓1、螺母12及垫片2均是符合生产配合标准的套件，既能起到紧固连接作用又能起到测力效果，不需要再外加其它测力仪器，简化使用过程。
以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都涵盖在本发明范围内。
Claims (7)
1.一种能够实时精密测量压力的双头螺栓结构，其特征在于：
包括有测力双头螺栓(1)、第一压力测量模块、第二压力测量模块、无线传输模块和单片机模块，所述第一压力测量模块和第二压力测量模块均分别设置在测力双头螺栓(1)上，所述第一压力测量模块和第二压力测量模块均分别与无线传输模块电性连接，所述无线传输模块与单片机模块电性连接；
所述测力双头螺栓(1)包括有螺栓杆部(11)和螺母(12)，所述螺母(12)设置在螺栓杆部(11)的一端，所述螺栓杆部(11)和螺母(12)内部开设有贯穿连通的导线通孔(13)，所述螺母(12)内开设有螺母螺纹盲孔(14)和弹簧测力计通道(15)，所述弹簧测力计通道(15)环绕螺母螺纹盲孔(14)设置，所述导线通孔(13)贯穿螺母螺纹盲孔(14)；
所述第一压力测量模块包括有垫片(2)，所述垫片(2)靠近螺母(12)设置，所述螺栓杆部(11)贯穿垫片(2)，所述垫片(2)上设置有微型力传感器阵列(3)，所述第二压力测量模块包括有弹簧测力计阵列(4)，所述弹簧测力计阵列(4)设置在弹簧测力计通道(15)中，所述第一压力测量模块和第二压力测量模块相互贴合设置；
所述无线传输模块包括有无线网关、无线节点和导线，所述导线穿过导线通孔(13)，所述导线连接无线网关、无线节点、微型力传感器阵列(3)和弹簧测力计阵列(4)。
2.根据权利要求1所述的一种能够实时精密测量压力的双头螺栓结构，其特征在于：
所述微型力传感器阵列(3)由多个微型力传感器排列成三圈，包括有从里到外分别为四、八、十六个共二十八个微型力传感器。
3.根据权利要求2所述的一种能够实时精密测量压力的双头螺栓结构，其特征在于：
所述微型力传感器可选用压电式或气压式力传感器。
4.根据权利要求1所述的一种能够实时精密测量压力的双头螺栓结构，其特征在于：
所述第一压力测量模块还包括有第一保护垫圈(5)和第二保护垫圈(6)，所述第一保护垫圈(5)和第二保护垫圈(6)分别设置在垫片(2)的两侧。
5.根据权利要求1所述的一种能够实时精密测量压力的双头螺栓结构，其特征在于：
所述弹簧测力计阵列(4)包括有八个竖直设置的微型弹簧测力计，每个所述微型弹簧测力计通过导线相连，并将信号传给无线网关。
6.根据权利要求1所述的一种能够实时精密测量压力的双头螺栓结构，其特征在于：
所述单片机模块包括有单片机、A/D转换器、液晶显示器、数值设置按钮和报警器；
所述液晶显示器是用来显示单片机输出的压力值；
所述数值设置按钮是供用户根据实际情况设置测力双头螺栓所在装置所能承受的安全极限值；
所述报警器是当测力双头螺栓测得的数值大于用户设定的安全值时发出报警声。
7.一种通过双头螺栓结构实时测量压力的方法，其特征在于，采用权利要求1-6任一所述的一种能够实时精密测量压力的双头螺栓结构，包括以下步骤：
步骤一：在垫片(2)上分布三圈微型力传感器阵列(3)，依次从里到外均匀间隔分布，每圈的系数分别设为k1、k2、k3,每一圈测量的数值大小通过单片机处理得到加权平均值并乘以各自系数得到最终的测力结果；
步骤二：螺母(12)内部的微型弹簧测力计受到压力时，数值发生变化并输出数值差信号；
步骤三：导线将微型力传感器阵列(3)测得的信号与弹簧测力计阵列(4)产生的数值差信号通过无线网关传输给无线节点；
步骤四：运算放大器将单片机接收的微型力传感器阵列(3)和弹簧测力计阵列(4)两路原始信号放大到数据采集卡足够识别接收的电信号，A/D转换器将模拟信号转换为数字信号；
步骤五：对微型力传感器阵列(3)进行加权平均算法处理，对弹簧测力计阵列(4)进行加权递推平均滤波处理，再对两者测量结果进行平均处理；
步骤六：液晶显示器显示单片机输出的压力值，实时将用户设定的安全初始值与双头螺栓的测量值进行比较并报警。
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