CN115031885A - 螺栓紧固力监测装置及其监测方法 - Google Patents

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高纬栋
陈国伟
孙秉毅
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Abstract

本发明公开了螺栓紧固力监测装置及其监测方法，螺栓紧固力监测方法包括步骤S1：将螺栓放置于所述主体部分的螺栓放置区域，以使得安装于主体部分的弹性体在受到螺栓压力时产生形变，从而安装于所述弹性体的应变片的电阻值发生变化。本发明公开的螺栓紧固力监测装置及其监测方法，采用环形结构设计在装置小型化的基础上实现大量程测量，采用应变片的双方向分布实现温度补偿进而实现高精度测量以及解决螺栓偏心问题，采用可更换电池和天线的模组部件设计实现长期免维护运行，解决螺栓紧固力监测装置现有的体积大、量程小、精度低、成本高、实用性差等问题。

Description

螺栓紧固力监测装置及其监测方法
技术领域
本发明属于螺栓紧固力监测技术领域，具体涉及一种螺栓紧固力监测装置和一种螺栓紧固力监测方法。
背景技术
螺栓连接是一种得到广泛应用的结构连接形式，其连接质量直接影响装备、设施或建筑体的使用性能。若螺栓连接发生失效，会带来安全隐患，甚至造成事故或灾难的发生。因此，确保螺栓连接可靠，是工程中不可回避的问题。通过扭矩法进行螺栓安装和检查已不能满足工程要求，特别是需要定期巡检的结构连接部位，人工扳手循环效率低、成本高，而且不能量化对连接质量的评定。
目前螺栓连接的紧固力监测方法中，在螺栓中植入应变片的方法，需要对螺栓打孔，影响螺栓强度，而且对螺栓制备要求高，不适合大规模工程应用。螺栓转动角监测能起到定性的评价效果，但定量评估效果差。超声波和光纤光栅法对螺栓的制备要求很高，同时存在成本高、误差大等问题。
因此，基于应变式的原理采用环形结构的力学传感器，通过测量压力来评估螺栓紧固力，是一种应用成熟、适合规模化应用的监测方法。但这种方法会改变螺栓连接结构，因此需要传感器尽量小型化、易安装，对原来的连接结构造成的影响尽可能小。此外，这种方法需要面对螺栓安装时的偏心问题，因此在应变片的布设时需要更多考虑。
因此，针对上述问题，予以进一步改进。
发明内容
本发明的主要目的在于提供螺栓紧固力监测装置及其监测方法，采用环形结构设计在装置小型化的基础上实现大量程测量，采用应变片的双方向分布实现温度补偿进而实现高精度测量以及解决螺栓偏心问题，采用可更换电池和天线的模组部件设计实现长期免维护运行，解决螺栓紧固力监测装置现有的体积大、量程小、精度低、成本高、实用性差等问题，从而实现螺栓紧固力的实时智能在线监测和规模化推广应用。
本发明的另一目的在于提供螺栓紧固力监测装置及其监测方法，其在螺栓紧固力监测过程中解决螺栓偏心问题和温度补偿问题，以提高监测精度。
为达到以上目的，本发明提供一种螺栓紧固力监测方法，用于监测螺栓紧固力，包括以下步骤：
步骤S1：将螺栓放置于主体部分的螺栓放置区域(优选为环形)，以使得安装于主体部分的弹性体在受到螺栓压力时产生形变，从而安装于所述弹性体的应变片的电阻值发生变化；
步骤S2：与应变片连接的PCB板将感受到电阻变化信号进行转化分析处理，以使得将生成的紧固力数据依次通过主体部分的下导电体和模组部分的上导电体传输到天线，进而通过天线将紧固力数据进行无线传输，最终实现实时智能在线监测。
作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，步骤S1中，在弹性体受到螺栓压力产生形变时，由于受到相同的压力作用，从而使得应变片的轴向应变片的变化量大于周向应变片，从而使得产生的变化量之差被PCB板感受到。
作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，螺栓放置区域为环形(弹性体也为环形，相当于被监测的螺栓放置于弹性体的中间)，并且轴向应变片和周向应变片依次交替分布于弹性体的外周围的平面区域，从而使得轴向应变片和周向应变片呈环形等角度扇形分布，进而使得位于螺栓放置区域的螺栓产生的压力无论偏到任何一侧，均可以使得轴向应变片和周向应变片产生应变，以解决在监测过程中产生的螺栓偏心问题。
作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，当环境温度发生变化时，粘贴在弹性体上的轴向应变片和周向应变片产生的电阻变化量相同，从而不会产生变化量之差，进而不会造成电信号的改变从而被PCB板监测到，以在监测过程中进行温度补偿。
为达到以上目的，本发明还提供一种螺栓紧固力监测装置，应用于所述的一种螺栓紧固力监测方法，包括主体部分和模组部分，所述主体部分和所述模组部分连接，其中：
所述主体部分包括弹性体、应变片、第一外壳、PCB板和下导电体，所述弹性体、所述应变片、所述PCB板和所述下导电体均内置于所述第一外壳，所述第一外壳的中间设有螺栓放置区域，所述应变片固定安装于所述弹性体并且所述应变片与所述PCB板电性连接，所述PCB板与所述下导电体电性连接；
所述模组部分包括第二外壳、电池、天线和上导电体，所述电池、所述天线和所述上导电体均内置于所述第二外壳并且所述第二外壳与所述第一外壳连接，所述电池和所述天线分别与所述上导电体电性连接并且所述上导电体和所述下导电体电性连接。
作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，所述弹性体的外周围均匀分布有平面区域，所述应变片固定安装于所述平面区域；
所述应变片包括数量相同的若干轴向应变片和周向应变片，所述轴向应变片和所述周向应变片不产生电气连接。
作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，所述轴向应变片和所述轴向应变片之间电气连接并且互相串联后与所述PCB板电性连接；
所述周向应变片和所述周向应变片之间电气连接并且互相串联后与所述PCB板电性连接。
作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，所述应变片和所述第一外壳之间绝缘，所述PCB板和所述第一外壳之间绝缘，所述下导电体和所述第一外壳之间绝缘
作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，所述第一外壳设有第一通孔，所述第二外壳设有第二通孔，所述下导电体依次通过所述第一通孔和所述第二通孔与所述上导电体电性连接。
本发明的有益效果在于：
相比现有技术，本实用新型能够解决螺栓紧固力监测装置现有的体积大、量程小、精度低、实用性差等问题，从而实现螺栓紧固力的实时智能在线监测。具体技术包括采用环形结构设计在装置小型化的基础上实现大量程测量，采用应变片的双方向分布实现温度补偿进而实现高精度测量以及解决螺栓偏心问题，采用可更换电池和天线的模组设计实现长期免维护运行。
附图说明
图1是本发明的螺栓紧固力监测装置及其监测方法的结构示意图。
图2A是本发明的螺栓紧固力监测装置及其监测方法的模组部分的结构示意图。
图2B是本发明螺栓紧固力监测装置及其监测方法的主体部分的结构示意图。
图3A是本发明的螺栓紧固力监测装置及其监测方法的剖视图。
图3B是本发明的螺栓紧固力监测装置及其监测方法的弹性体的结构示意图。
附图标记包括：100、主体部分；110、弹性体；111、平面区域；120、应变片；121、轴向应变片；122、周向应变片；130、第一外壳；131、螺栓放置区域；132、第一通孔；140、PCB板；150、下导电体，200、模组部分；210、第二外壳；211、第二通孔；220、电池；230、天线；240、上导电体。
具体实施方式
以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。
在本发明的优选实施例中，本领域技术人员应注意，本发明所涉及的螺栓等可被视为现有技术。
优选实施例。
本发明公开了一种螺栓紧固力监测方法，用于监测螺栓紧固力，包括以下步骤：
步骤S1：将螺栓放置于主体部分100的螺栓放置区域131(优选为环形)，以使得安装于主体部分100的弹性体110在受到螺栓压力时产生形变，从而安装于所述弹性体110的应变片120的电阻值发生变化；
步骤S2：与应变片120连接的PCB板140将感受到电阻变化信号进行转化分析处理，以使得将生成的紧固力数据依次通过主体部分100的下导电体150和模组部分的上导电体240传输到天线230，进而通过天线230将紧固力数据进行无线传输，最终实现实时智能在线监测。
具体的是，步骤S1中，在弹性体110受到螺栓压力产生形变时，由于受到相同的压力作用，从而使得应变片120的轴向应变片121的变化量大于周向应变片122，从而使得产生的变化量之差被PCB板140感受到。
更具体的是，螺栓放置区域131为环形(弹性体也为环形，相当于被监测的螺栓放置于弹性体的中间)，并且轴向应变片121和周向应变片122依次交替分布于弹性体110的外周围的平面区域111，从而使得轴向应变片121和周向应变片122呈环形等角度扇形分布，进而使得位于螺栓放置区域131的螺栓产生的压力无论偏到任何一侧，均可以使得轴向应变片121和周向应变片122产生应变，以解决在监测过程中产生的螺栓偏心问题。
进一步的是，当环境温度发生变化时，粘贴在弹性体110上的轴向应变片121和周向应变片122产生的电阻变化量相同，从而不会产生变化量之差，进而不会造成电信号的改变从而被PCB板140监测到，以在监测过程中进行温度补偿(现有的应变片的栅网都是沿着单一方向分布，布设于应变敏感区域，从而在受力时获得最大的应变变化量。但这样形成的惠斯通电桥是单臂电桥，无法实现温度补偿，且灵敏度低，或者采用多个应变片，造成产品体积和成本的增加。在环境温度发生变化时，温度会对应变片的电阻值变化产生较大影响，从而极大影响产品的测量精度)。
本发明还公开了一种螺栓紧固力监测装置，应用于所述的一种螺栓紧固力监测方法，包括主体部分100和模组部分200，所述主体部分100和所述模组部分200(可拆卸)连接，其中：
所述主体部分100包括弹性体110(优选为环形)、应变片120、第一外壳130、PCB板140和下导电体150，所述弹性体110、所述应变片120、所述PCB板140和所述下导电体150均内置于所述第一外壳130，所述第一外壳130的中间设有螺栓放置区域131(使得螺栓穿过，从而进行紧固力监测)，所述应变片120固定安装于所述弹性体110并且所述应变片120与所述PCB板140电性连接，所述PCB板140与所述下导电体150电性连接；
所述模组部分200包括第二外壳210、电池220、天线230和上导电体240，所述电池220、所述天线230和所述上导电体240均内置于所述第二外壳210并且所述第二外壳210与所述第一外壳130连接，所述电池220和所述天线230分别与所述上导电体240电性连接并且所述上导电体240和所述下导电体150电性连接(所述电池依次通过所述上导电体和所述下导电体与所述PCB板电性连接，以此供电；所述PCB电路板依次通过所述下导电体和所述上导电体与所述天线连接，以将监测数据远程外发)。
具体的是，所述弹性体110的外周围均匀分布有平面区域111，所述应变片120固定安装于所述平面区域111；
所述应变片120包括数量相同的若干轴向应变片121和周向应变片122，所述轴向应变片121和所述周向应变片122不产生电气连接。
更具体的是，所述轴向应变片121和所述轴向应变片121之间电气连接并且互相串联后与所述PCB板140电性连接；
所述周向应变片122和所述周向应变片122之间电气连接并且互相串联后与所述PCB板140电性连接。
进一步的是，所述应变片120和所述第一外壳130之间绝缘，所述PCB板140和所述第一外壳130之间绝缘，所述下导电体150和所述第一外壳130之间绝缘。
更进一步的是，所述第一外壳130设有第一通孔132，所述第二外壳210设有第二通孔211，所述下导电体150依次通过所述第一通孔132和所述第二通孔211与所述上导电体240电性连接。
进一步的，主体部分100用于实现测量和支撑安装的功能。
进一步的，模组部分200用于实现供电和无线通信的功能。
弹性体具有高承载能力。
进一步的，弹性体110为环形结构，弹性体110的内径不大于对应规格平垫的内径，弹性体110的外径不小于对应规格平垫的外径。
进一步的，弹性体110采用高弹性的金属材料。
进一步的，弹性体110包含平面区域111，平面区域111在圆周上均匀分布，用于黏贴应变片120。
优选的，平面区域111的数量为4及以上的偶数。
优选的，轴向应变片121和周向应变片122同一种规格的应变片。
优选的，粘贴在弹性体110上的轴向应变片121和周向应变片122的数量相同。
轴向应变片和PCB板产生电气连接，周向应变片和PCB板产生电气连接。
进一步的，有多个轴向应变片，轴向应变片相互串联后，再和PCB板通过导线产生电气连接。
轴向应变片的电阻值发生变化，PCB板能够接受并转化信号，通过无线方式发送数据。
进一步的，有多个周向应变片，周向应变片相互串联后，再和PCB板通过导线产生电气连接。
周向应变片的电阻值发生变化，PCB板能够接受并转化信号，通过无线方式发送数据。
第一外壳具有良好的密封性和耐候性，能够封装弹性体、应变片和PCB板。
进一步的，第一外壳采用金属材料或者耐候工程塑料。
进一步的，第一外壳采用导电材料，应变片和第一外壳保持绝缘，PCB板和第一外壳保持绝缘。
下导电体和PCB板产生电气连接。
进一步的，下导电体和PCB板通过导线或者焊接产生电气连接。
进一步的，第一外壳采用导电材料，下导电体和第一外壳保持绝缘。
第二外壳具有良好的密封性和耐候性，能够封装电池和天线。
进一步的，第二外壳采用金属材料或者耐候工程塑料。
上导电体和电池产生电气连接，上导电体和天线产生电气连接。
进一步的，上导电体和电池通过导线或者焊接产生电气连接，上导电体和天线通过导线或者焊接产生电气连接。
进一步的，为保证天线使用效果，天线和电池保持一定物理空间距离。
下导电体和上导电体产生电气连接。
进一步的，下导电体和上导电通过相互接触产生电气连接。
电池经由上导电体和下导电体与PCB板产生电气连接，为PCB板供电。
天线经由上导电体和下导电体与PCB板产生电气连接，实现无线信号的传输。
下导电体固定在第一外壳，上导电体固定在第二外壳。
进一步的，固定方式包括焊接、铆接、镶嵌、螺栓连接、涂胶。
本发明的原理为：
当弹性体受到螺栓压力产生形变时，应变片的电阻值发生变化。相同压力作用，轴向应变片的变化量大于周向应变片，PCB板感受到电阻变化信号，信号经过转化分析后，经由下导电体、上导电体，最终从天线实现对外无线数据传输。
当环境温度发生变化时，粘贴在弹性体上的轴向应变片和周向应变片的电阻变化量相同，因此不会造成电信号的改变，因此实现了装置的温度补偿。
电池经由上导电体和下导电体，给PCB板持续不间断供电。
电池电量耗尽或者模组部分损坏后，可以拆卸原来的模组部分并装配全新的模组部分，不需要同步更换主体部分，不需要拆卸安装螺栓连接结构，更具有安全性和经济性。
值得一提的是，本发明专利申请涉及的螺栓等技术特征应被视为现有技术，这些技术特征的具体结构、工作原理以及可能涉及到的控制方式、空间布置方式采用本领域的常规选择即可，不应被视为本发明专利的发明点所在，本发明专利不做进一步具体展开详述。
对于本领域的技术人员而言，依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种螺栓紧固力监测方法，用于监测螺栓紧固力，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：将螺栓放置于主体部分的螺栓放置区域，以使得安装于主体部分的弹性体在受到螺栓压力时产生形变，从而安装于所述弹性体的应变片的电阻值发生变化；
步骤S2：与应变片连接的PCB板将感受到电阻变化信号进行转化分析处理，以使得将生成的紧固力数据依次通过主体部分的下导电体和模组部分的上导电体传输到天线，进而通过天线将紧固力数据进行无线传输，最终实现实时智能在线监测。
2.根据权利要求1所述的一种螺栓紧固力监测方法，其特征在于，步骤S1中，在弹性体受到螺栓压力产生形变时，由于受到相同的压力作用，从而使得应变片的轴向应变片的变化量大于周向应变片，从而使得产生的变化量之差被PCB板感受到。
3.根据权利要求2所述的一种螺栓紧固力监测方法，其特征在于，螺栓放置区域为环形，并且轴向应变片和周向应变片依次交替分布于弹性体的外周围的平面区域，从而使得轴向应变片和周向应变片呈环形等角度扇形分布，进而使得位于螺栓放置区域的螺栓产生的压力无论偏到任何一侧，均使得轴向应变片和周向应变片产生应变，以解决在监测过程中产生的螺栓偏心问题。
4.根据权利要求3所述的一种螺栓紧固力监测方法，其特征在于，当环境温度发生变化时，粘贴在弹性体上的轴向应变片和周向应变片产生的电阻变化量相同，从而不会产生变化量之差，进而不会造成电信号的改变从而被PCB板监测到，以在监测过程中进行温度补偿。
5.一种螺栓紧固力监测装置，应用于权利要求1-4任一项所述的一种螺栓紧固力监测方法，其特征在于，包括主体部分和模组部分，所述主体部分和所述模组部分连接，其中：
所述主体部分包括弹性体、应变片、第一外壳、PCB板和下导电体，所述弹性体、所述应变片、所述PCB板和所述下导电体均内置于所述第一外壳，所述第一外壳的中间设有螺栓放置区域，所述应变片固定安装于所述弹性体并且所述应变片与所述PCB板电性连接，所述PCB板与所述下导电体电性连接；
所述模组部分包括第二外壳、电池、天线和上导电体，所述电池、所述天线和所述上导电体均内置于所述第二外壳并且所述第二外壳与所述第一外壳连接，所述电池和所述天线分别与所述上导电体电性连接并且所述上导电体和所述下导电体电性连接。
6.根据权利要求5所述的一种螺栓紧固力监测装置，其特征在于，所述弹性体的外周围均匀分布有平面区域，所述应变片固定安装于所述平面区域；
所述应变片包括数量相同的若干轴向应变片和周向应变片，所述轴向应变片和所述周向应变片不产生电气连接。
7.根据权利要求6所述的一种螺栓紧固力监测装置，其特征在于，所述轴向应变片和所述轴向应变片之间电气连接并且互相串联后与所述PCB板电性连接；
所述周向应变片和所述周向应变片之间电气连接并且互相串联后与所述PCB板电性连接。
8.根据权利要求7所述的一种螺栓紧固力监测装置，其特征在于，所述应变片和所述第一外壳之间绝缘，所述PCB板和所述第一外壳之间绝缘，所述下导电体和所述第一外壳之间绝缘。
9.根据权利要求8所述的一种螺栓紧固力监测装置，其特征在于，所述第一外壳设有第一通孔，所述第二外壳设有第二通孔，所述下导电体依次通过所述第一通孔和所述第二通孔与所述上导电体电性连接。
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