一种螺栓弯矩与拉力解耦测试传感器及其测试方法与流程

本发明涉及螺栓载荷研究的技术领域，尤其是指一种螺栓弯矩与拉力解耦测试传感器及其测试方法。

背景技术：

螺栓作为机械结构关键连接件，使用范围极广，但在大型机械结构承力结构件，特别是梁结构件中，螺栓受载复杂多变，螺栓极限断裂、疲劳断裂频繁发生。初期对螺栓的分析是将螺栓看出杆件，仅考虑其拉压受力情况，而现实螺栓断裂往往不仅仅是受拉压载荷，实际也受到弯曲载荷，在对受拉弯混合载荷分析时，发现在螺栓承受较小的弯矩载荷作用分量下，螺栓寿命缩减严重，说明螺栓弯矩载荷对于研究螺栓使用寿命至关重要。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种螺栓弯矩与拉力解耦测试传感器及其测试方法，能够准确的监控测试到螺栓工作状态下，所受到的拉弯载荷，并准确的将拉力载荷和弯矩载荷进行解耦，量化分离两种载荷，同时还可以监控弯矩方向及变化幅度，从而分别分析弯矩和拉力分别对螺栓寿命影响强度，进而优化产品结构及受载。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案，如下：

一种螺栓弯矩与拉力解耦测试传感器，包括有环形保护外壳和置于该环形保护外壳内腔中的多个压电单元，以及配置的一个通讯电缆接头；其中，该多个压电单元沿环形保护外壳的周向均匀分布，所述通讯电缆接头插装在环形保护外壳的外侧面上。

所述环形保护外壳由彼此配对并能结合在一起组装为环形结构的外侧保护面、内侧保护面、上端盖、下端盖组成。

本发明所提供的上述螺栓弯矩与拉力解耦测试传感器的测试方法，如下：

所述传感器模拟螺栓垫片形式，能够直接根据螺栓杆径进行专门定制，像垫片一样安装在螺母和紧固件之间，当紧固件发生拉弯载荷变化时，便会直接传递到上、下端盖，从而传递至均布的多个压电单元上，使得压电单元受到不同程度的挤压作用，之后通过监测每个压电单元的电荷变化量，经解耦便能够将拉力和弯矩以及方向计算出来；其中，压电单元的电荷变化量与受到的拉压力成正比，弯矩载荷方向跟上、下端盖受载方向有关，不同方向将导致该多个压电单元在不同的方位上出现最大或最小的电荷量变化，通过对该多个压电单元电荷量变化的正弦插值拟合，能够快速的找到拟合正弦波的最大、最小值的位置，通过最大、最小位置便能够定位载荷在传感器的受力方向，而传感器的零位在安装时是通过安装工艺进行定位的，这样当获得载荷在传感器上的作用方向及安装定位零位时，便能够准确的定位弯矩载荷在测试部件的受力方向，而通过实时监控相位的变化，便能够准确展现弯矩载荷方向的波动；

当传感器仅受到拉压载荷时，均布的多个压电单元的电荷量变化理论上是相同的，也就是该多个压电单元的电荷变化量的平均值能看做拉压载荷的变化，即：式中，PullForce为拉力载荷，Kp为拉力外力载荷与压电单元电荷变化量的比例系数，Vout_i为第i个压电单元的电荷输出量，n为压电单元个数；

当传感器仅受到弯矩载荷时，将环形保护外壳看做刚体，均布的多个压电单元的电荷变化会呈现正弦趋势，弯矩载荷能够根据正弦插值的方式求出最大值和最小值的差，即正弦趋势的赋值进行等效，弯矩载荷和电荷量之间的关系为：BendingForce＝Kb×(Vout_Max-Vout_Min)，式中，BendingForce为弯矩载荷，Kb为弯矩外力载荷与压电单元电荷变化量正弦插值的幅值的比例系数，Vout_Max为压电单元的电荷变化量最大值，Vout_Min为压电单元的电荷变化量最小值；此外，弯矩载荷也能够用正弦趋势的有效值进行等效，即BendingForce＝Kb2×Vout_rms，Kb2为弯矩外力载荷与压电单元的电荷变量正弦拟合的有效值的比例系数，Vout_rms为压电单元的电荷变化量正弦拟合的有效值。

所述传感器的信号输出采用串口通讯方式发送，实现方式是在传感器内部或者通讯电缆接头处增加采集、处理及信号转换的下位机，该下位机负责采集压电电荷信号，并在内部计算拉力、弯矩和弯矩方向信号，然后将计算结果及原始信号通过串口通讯发送到上位机进行数据收集保存；此外，传感器的采样频率、信号测量范围、放大系数、拉压系数、弯矩系数这些采集配置，均通过上位机与下位机的串口通讯进行设置。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、解耦弯矩和拉力载荷，量化弯矩和拉力分量，全方位监控螺栓运行工况下的受载特征。

2、能够准确定位弯矩受载方向，并能判断破坏与弯矩受载方向的关系，可以准确定位优化结构方向。

3、结构模拟螺栓垫片，安装操作简单，测试采用相对角度，对于定位要求较小。

4、信号采用串口传输，传输简单，通讯距离长，测试信息同时传输实测值及分析后信息，便于现场测试及后期详细处理。

附图说明

图1为本发明的传感器主视图。

图2为本发明的传感器俯视图。

图3为本发明的传感器分解图。

图4为拉弯载荷受力变化示意图。

图5为弯矩方向变化示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1至图3所示，本实施例所述的螺栓弯矩与拉力解耦测试传感器，包括有环形保护外壳1和置于该环形保护外壳内腔中的16个压电单元2，以及配置的一个通讯电缆接头3；该16个压电单元沿环形保护外壳1的周向均匀分布，所述通讯电缆接头3插装在环形保护外壳的外侧面上。所述环形保护外壳1由彼此配对并能结合在一起组装为环形结构的外侧保护面101、内侧保护面102、上端盖103、下端盖104组成。

上述的螺栓弯矩与拉力解耦测试传感器在测试时是模拟螺栓垫片形式，可直接根据螺栓杆径进行专门定制，像垫片一样装在螺母和紧固件之间，当紧固件发生拉弯载荷变化时，便会直接传递到传感器的上、下端盖103、104，从而传递至16个均布的压电材料上，使得压电材料受到不同的挤压作用，通过监测每个压电材料的电荷变化量，然后解耦便可以将拉力和弯矩以及方向计算出来。

如图4所示，图中信号主要由16个均布的压电材料进行采集，压电材料的电荷变化量与受到的拉压力成正比，当传感器仅受到拉压载荷时，16个均布的压电材料的电荷量变化理论上是相同的，也就是16个压电材料的电荷变化量的平均值可以看做拉压载荷的变化，即：式中，PullForce为拉力载荷，Kp为拉力外力载荷与压电单元电荷变化量的比例系数，Vout_i为第i个压电单元的电荷输出量，n为压电单元个数，即为16。

当传感器仅受到弯矩载荷时，由于环形保护外壳可以看做刚体，16个均布的压电材料的电荷变化会呈现正弦趋势，弯矩载荷可以根据正弦插值的方式求出最大值和最小值的差，即正弦趋势的赋值进行等效，弯矩载荷和电荷量之间的关系：BendingForce＝Kb×(Vout_Max-Vout_Min)，式中，BendingForce为弯矩载荷，Kb为弯矩外力载荷与压电单元电荷变化量正弦插值的幅值的比例系数，Vout_Max为压电单元的电荷变化量最大值，Vout_Min为压电单元的电荷变化量最小值；此外，弯矩载荷也能够用正弦趋势的有效值进行等效，即BendingForce＝Kb2×Vout_rms，Kb2为弯矩外力载荷与压电单元的电荷变量正弦拟合的有效值的比例系数，Vout_rms为压电单元的电荷变化量正弦拟合的有效值。

如图5所示，弯矩载荷方向跟上、下端盖受载方向有关，不同方向将导致16个压电材料在不同的方位上出现最大或最小电荷量变化，通过对16个压电材料电荷量变化的正弦插值拟合，可以快速的找到拟合正弦波的最大、最小值的位置，通过最大、最小位置便可以定位载荷在传感器的受力方向，而传感器的零位在安装时是通过安装工艺进行定位，所以当获得载荷在传感器上的作用方向及安装定位零位时，便可以准确的定位弯矩载荷在测试部件的受力方向，而通过实时监控相位的变化，便可准确展现弯矩载荷方向的波动。

此外，为了方便传感器的使用，降低传感器的抗干扰能力，本实施例所述传感器的信号输出采用串口通讯方式发送，实现方式是在传感器内部或者通讯电缆接头处增加采集、处理及信号转换的下位机，该下位机负责采集压电电荷信号，并在内部计算拉力、弯矩和弯矩方向信号，然后将计算结果及原始信号通过串口通讯发送到上位机进行数据收集保存。另外，传感器的采样频率、信号测量范围、放大系数、拉压系数、弯矩系数等采集配置，均通过上位机与下位机的串口通讯进行设置。

综上所述，本发明能够准确的监控测试到螺栓工作状态下，所受到的拉弯载荷，并准确的将拉力载荷和弯矩载荷进行解耦，量化分离两种载荷，同时还可以监控弯矩方向及变化幅度，从而分别分析弯矩和拉力分别对螺栓寿命影响强度，进而优化产品结构及受载，以提供产品可靠性，值得推广。

以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。