智能螺栓及其系统的制作方法
【专利摘要】当经受应变时变形的螺栓(100)包括腔(104)、用于确定应变并在预定值发出警报的智能机构和装置(105)。
【专利说明】
智能螺栓及其系统
技术领域
[0001] 本发明设及测量诸如紧固装置(例如螺栓)的机械构件的应变。
【背景技术】
[0002] 根据现有技术(例如根据US4553124)已知在螺栓内部安装应变计，W感测应变。然 而，运些已知的应变计复杂而且昂贵。另一缺陷在于，运些应变计是依赖于溫度的。
[0003] 肝-A-11183280描述了如下螺栓紧固或加紧方法:在进行螺栓的加紧的同时，测量 螺栓的伸长量。当伸长量达到预定值时，终止紧固或加紧操作。用来测量伸长量的方法包括 对激光器进行操作的步骤。在该已知方法中，当正在紧固/加紧螺栓时，监测螺栓的伸长量， 但是当紧固终止时，无法得到伸长量的进一步的信息。因此，如果螺栓松弛，则无法获得信 息。
[0004] 在 US2010/0050778 和 US2007/0204699 中公开了进一步的【背景技术】。
[0005] 根据W上，理解到还有改进空间。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于增强安全性，并提供具有通信装置并允许智能分析的新型应变 测量结构，运相对于现有技术有所改进，并且消除了或至少减轻了 W上讨论的缺陷。
[0007] 现在，已通过所附独立权利要求中定义的技术，并且利用从属权利要求中提及的 优选实施例实现了该目的。
[0008] 在本发明的第一方面中，提供了一种机械构件，该机械构件具有当经受应变时变 形（即伸长)的部分。所述部分包括腔。所述构件进一步包括光学单元，所述光学单元被构造 为向所述腔中发出光。所述光学单元还被构造为检测被反射的光。所述构件进一步包括与 光学单元连接的控制单元。所述控制单元被构造为确定由所发出的光引起的信号响应特 征，所发出的光已从所述光学单元行进到所述腔中、已被反射、并已行进返回到所述光学单 元。此外，所述控制单元被构造为根据所确定的信号响应特征来确定所述机械构件的所述 部分的物理变形，从而确定应变数据。所述构件进一步包括通信单元，所述通信单元与所述 控制单元连接并被构造为将所述机械构件的应变数据传达到外部设备。确定所述机械构件 的物理变形是有利的，运是由于所述物理变形可W被用来确定所述构件的应变。所述构件 包括通信单元也是有利的，运使得所述构件能够发送和接收数据，例如应变数据。
[0009] 所述控制单元可W被构造为通过飞行时间方法或通过干设测量法来确定物理变 形。确定所述机械构件的物理变形是有利的，运是由于所述物理变形可W被用来确定所述 构件的应变。
[0010] 所述光学单元可W包括发光器和光检测器，从而能够发送出和接收光。所述光学 单元还可W包括反射器、分束器和/或其他光学部件。此外，所述控制单元可W是微控制器， 所述微控制器可W被构造为控制所述发光器及其他部件。具有控制单元从而能够控制所述 机械构件中包括的其他部件是有利的。
[0011] 优选地，所述光学单元包括激光器。使用激光器作为光学单元是有利的，运是由于 激光器相干地发出光。因此，能够照射腔的底部，而不照射壁部，照射壁部会导致对应变数 据的不正确计算。
[0012] 所述机械构件可W包括充电单元，所述充电单元被构造为从周围环境采集能量。 所述机械构件还可W包括能量存储单元，所述能量存储单元被构造为存储由所述充电单元 采集的能量，并将能量提供给所述控制单元和所述通信单元。所述能量存储单元可W包括 蓄能器，优选为可充电电池。很可能W远程且无法接近的方式安装所述机械构件。因此，优 选所述构件能够提取和存储能量，从而能够为所述控制单元和所述通信单元二者供电，并 且不依赖于一定的电池寿命。
[0013] 在另一实施例中，所述构件包括存储器单元，所述存储器单元被构造为存储例如 预设的制造数据、所确定的应变数据和/或处理后的应变数据或伸长量数据。由此，能够存 储各种数据，W等待被进一步传达或等待未来的用途。
[0014] 在实施例中，所述通信单元为无线的。运在所述机械构件被安装在远处位置时为 优选，运是由于无需技术人员赶到装配位置来从机械构件收集存储的数据。在另一实施例 中，所述机械构件可W使用固定链接。运在所述机械构件位于已存在运种基础设施的位置 时为优选。
[0015] 在一个实施例中，所述机械构件包括支撑传感器单元。所述支撑传感器单元可W 向所述控制单元提供要在确定所述构件的应变时使用的附加的有用的输入数据。所述支撑 传感器可W多于一个，并且所使用的传感器的类型可W是用于所述机械构件的各特定应用 领域的合适传感器的组合。
[0016] 支撑传感器的一个示例为溫度传感器，运在所述机械构件位于可W影响应变确定 的高溫或低溫环境中的情况下是有益的。
[0017] 支撑传感器的另一示例为定位设备，运在车辆中安装所述机械构件的情况下是有 益的。然后，能够确定所述构件位于何处，并且作为示例，确定需要在车辆的所计划的停车 站中的哪个停车站处加紧所述构件。
[0018] 支撑传感器的又一示例为湿度传感器，运在所述机械构件位于具有可W影响应变 确定或引起腐蚀的高湿度或低湿度的环境中的情况下是有益的。
[0019] 在优选实施例中，所述机械构件被包括在网络中，所述网络还包括中屯、软件，所述 中屯、软件被构造为监测所述网络中包括的所有构件的应变数据。所述中屯、软件还被构造为 自动报告正常功能、故障或偏差。所有机械构件被构造为与所述网络中包括的其他相应构 件通信。具有构件的网络从而在构件之间共享信息或向构件转送信息是有益的。
[0020] 所述机械构件可W是被构造为将两个部分一起加紧或错紧的紧固元件，例如螺 栓、螺钉或馴钉。利用先前或之后描述的特征，能够估计紧固元件是否松弛并需要被加紧， 并且如果是，则还能够估计何时进行该维护是紧要的。还能够避免由于疲劳、被错紧的部分 的分离或被错紧的部分之间的运动而导致的接缝破损。
[0021] 在优选实施例中，所述机械构件中的所述腔为细长孔。细长孔是有利的，运是由于 细长孔允许光脉冲串在孔的底部被反射并开始行进返回之前行进一定距离。较长的孔产生 更好的测量和计算精度。
[0022] 在一个实施例中，所述腔包括光学纤维。该结构的优点在于，该纤维作为保险丝来 工作。如果由于任何原因而将所述构件伸长到超出所述光学纤维能够伸展的程度，则所述 光学纤维将断开，并且将无法进行测量，由此所述机械构件能够报告出现了错误。此外，能 够将传感器设定为在所述构件过载(即使所述纤维未断开)的情况下发出警告。
[0023] 在本发明的第二方面中，提供了一种测量机械构件的应变的方法，所述机械构件 具有腔。所述方法包括如下步骤:从光学单元向所述腔中发出光脉冲串，通过所述光学单元 检测被反射的光脉冲串，确定由所发出的光引起的信号响应特征，根据所确定的信号响应 特征确定所述机械构件的物理变形，从而确定应变数据，并将确定的应变数据传达到外部 设备，所发出的光已从所述光学单元行进到所述腔中、已被反射、并已行进返回到所述光学 单元。
[0024] 在一个实施例中，通过飞行时间方法或通过干设测量法来确定所述物理变形。
[0025] 在一个实施例中，所述应变数据被传达到手持设备。运在W可接近的方式定位所 述机械构件时W及在优选操作员由于某原因而在现场时是有利的。运在装配期间也是有利 的。
[0026] 在另一实施例中，经由无线通信系统传达所述应变数据。当W无法接近的方式定 位所述构件时，或者当优选操作员不在现场时，优选该通信方法。
[0027] 在又一实施例中，在所述机械构件的网络中传达所述应变数据。在W无法接近的 方式定位所述构件时并且在错过了与外部设备直接进行无线通信的可能性的情况下、或者 在期望从作为一个封装的几个构件发送数据时，运是有利的。
[0028] 在本发明的第=方面中，提供了一种系统，所述系统包括多个如上所述的机械构 件。所述系统进一步包括中屯、软件和基础设施，所述中屯、软件和基础设施被构造为监测所 述系统中包括的所有机械构件的应变数据，并还报告正常功能、故障或偏差。
[0029] 在一个实施例中，能够从所述系统中包括的所述机械构件中读取信息/将信息写 入所述机械构件。例如，如果预设的制造数据被证明为错误，则可W将新的正确的数据上传 到所述系统中包括的所有构件。
[0030] 在本发明的第四方面中，提供了一种诸如机翼的结构元件，所述结构元件包括多 个如上所述的机械构件。所述结构元件中包括的所述机械构件可W被连接在网络中。使部 件被包括在结构元件中的优点在于，可W利用部件制造整个元件，并运输该整个元件，W替 代分部分运输该结构用于现场装配。
[0031] 在一个方面中，提供了一种组件，所述组件包括当经受应变时变形的机械构件。所 述构件包括腔。所述系统进一步包括光学单元，所述光学单元被构造为向所述腔中发出光， 并检测被反射的光。所述系统进一步包括控制单元，所述控制单元与所述光学单元连接并 被构造为确定由所发出的光从所述光学单元行进到所述腔中、在那被反射、并行进返回到 所述光学单元而引起的信号响应特征。所述控制单元进一步被构造为根据所述信号响应特 征确定所述机械构件的物理变形，W根据所述物理变形来确定应变数据。所述系统进一步 包括通信单元，所述通信单元与所述控制单元连接并被构造为将所述机械构件的应变数据 传达到外部设备。
【附图说明】
[0032] W下将参照例示了如何能够使发明构思付之实践的非限制性示例的附图，来描述 本发明的实施例。
[0033] 图1是根据一个实施例的螺栓的截面图。
[0034] 图2示出了根据本发明的一个实施例的机翼中包括的多个螺栓。
[0035] 图3示出了根据本发明的另一实施例的机翼中包括的多个螺栓。
[0036] 图4示出了根据飞行时间方法的应变确定过程的流程图。
[0037] 图5示出了根据干设测量法的应变确定过程的流程图。
[0038] 图6示出了根据可替换实施例的螺栓。
[0039] 图7示出了测量到的应变数据的图。
【具体实施方式】
[0040] 下文中将参照附图更加充分地描述某些实施例。然而，本发明可W W许多不同形 式来实施，并且不应当被解释为限于运里提及的实施例;而是通过示例来提供运些实施例， 使得本公开将是充分的和完整的，并且向本领域技术人员充分表达了本发明的范围。
[0041] 参照图1，在横截面中示意性示出了智能螺栓1的形状的机械构件或组件。螺栓1具 有轴2和头部3,细长孔或腔4从螺栓1的头部3延伸到轴2中。在仍保持螺栓1的强度的情况 下，孔4被优选制成尽可能长且窄。孔4W底部结束。孔4的横截面优选为圆柱形。孔4的直径 优选尽可能窄，范围例如在0.1皿到1cm。
[0042] 螺栓1具有上部5,上部5容纳控制单元6、存储器单元7、充电单元8、能量存储单元 9、通信单元10、支撑传感器单元11和光学单元12。在另一实施例中，部件6-12也可W被安装 在螺栓1的头部3的内部，或者部件6-12可W W任何其他方式与螺栓1连接。根据螺栓1的预 期用途，螺栓1还可W包括其他部件组。下文中，上部5也被称为电子封装。
[0043] 控制单元6控制光学单元12、存储器单元7、通信单元10和支撑传感器单元11。使用 合适的控制单元技术来实现它，例如但并不限于微控制器、CPU或微忍片等。控制单元6优选 通过RFID技术来实现，并且它优选为小尺寸，例如大约为2 X 3mm。
[0044] 光学单元12被构造为将光脉冲串发送到螺栓1的孔4中。它优选为发光单元，更加 优选为激光器，但是可W使用二极管或任何其他合适的光源。光学单元12还包括光检测器， 光检测器被构造为检测被反射的光。
[0045] 充电单元8包括能量采集元件，能量采集元件包括从周围环境采集能量的任何合 适部件，例如但不限于从螺栓上的外部应变、太阳能、热能、风能、盐度梯度或动能。充电单 元8被构造为向能量存储单元9供给电力。
[0046] 能量采集的其他可替换方案有利用光传感器充电或振动能量采集，光传感器将阳 光转换为能量。
[0047] 其他选择有通过感应充电。然后将电流分离的充电线圈（未示出）置于提供有电子 封装的螺栓1的头部的顶部上。线圈通过感应将能量传递到能量存储单元。
[0048] 能量存储单元9包括用于存储电力的电池（未示出）。螺栓1还可W连接到输电干 线，或者它可W使用输电干线的任何组合。能量存储单元9被构造为向例如控制单元6供给 电力。
[0049] 通信单元10经由无线连接、有线接口、或其任何组合来操作。无线连接可W使用任 何无线传输技术，例如但不限于WLAN、IR、蓝牙?、无线电、声波、电磁感应。通信单元10优选 使用蓝牙?技术来实现，并且被构造为将所确定的应变数据传达到例如在网络中包括的中 屯、软件13或手持设备14。
[0化0] 存储器单元7通过存储器技术来实现，例如但不限于ROM、RAM、SRAM、DRAM、CMOS、 FLA甜、孤R或SDRAM等。该单元7被构造为存储所确定的应变数据和/或预设的制造数据。
[0051] 支撑传感器单元11例如可W是溫度或湿度传感器、定位设备、或可W向测量供给 相关输入数据的任何其他传感器。该单元11可W包括用于测量不同变量(例如湿度和溫度） 的多个传感器/设备。
[0052] 在大部分实施例中，螺栓1被设定为当应变足W维持螺栓1的特定张力时进行记录 并报告。运例如可W通过螺栓本身上可见的绿灯(未示出）来获得。在大部分实施例中，优选 的应变边界的出厂设置被存储在存储器单元7中。出厂设置可W包括但不限于制造商名称、 批号、唯一的螺栓ID、批次日期和时间、应变窗口、装配工姓名、所使用的力矩、环境溫度、环 境湿度、装配后的应变、装配日期、数据库中的随着时间的偏差和/或维护警报。
[0053] 在一个实施例中，螺栓1需要被校准。如果要将螺栓1置于(例如具有低溫/高溫的） 恶劣天气条件的位置，则当确定应变数据时优选考虑校准。校准可W是在工厂和/或校准现 场进行的过程校准。工厂校准例如可W考虑螺栓将加紧哪些材料和加工批次。
[0054] -个实施例关注于基本应变检测。例如可W使用手持设备14,来从螺栓1获取应变 数据，从而确定应变是否在预设边界值的范围内。运经由控制单元6来进行，其中，控制单元 6从存储器单元7接收应变值，并经由通信单元10将应变值传达至手持设备14。螺栓1基于自 充电系统，在自充电系统处，使用外部通信设备来向螺栓1询问螺栓1的状态。在该实施例 中，螺栓1优选被配备有控制单元6、通信单元10、能量存储单元9和充电单元8。外部通信设 备可W是手持设备14。螺栓1检查应变是否在范围之内，如果是，则指示合适的加紧。
[0055] 在另一实施例中，螺栓1是自动系统的一部分。除了充电单元8W外，该实施例的螺 栓1包括无线通信单元10。螺栓1根据如下原理进行操作:在一定可调节长度的时间（该时间 取决于电池电量）内螺栓1处于空闲状态，唤醒，确定应变状态，传达所确定的应变状态，并 回退到休眠。还可W经由通信设备与螺栓1进行通信，该通信设备可W是手持通信设备。在 装配并指示充分的应变之后，可W经由通信设备加载数据(例如制造边界值），并将该数据 上传到螺栓的存储器单元7。当完成时，可W有信息已被接收到并存储的指示。可W通过通 信设备从螺栓1手动下载应变的指示。还可W通过螺栓检查应变是否在范围之内、指示充分 的加紧并根据需要发送信息(例如所确定的应变数据)来自动进行。
[0056] 在又一实施例中，螺栓1通过将所确定的应变数据与制造数据一起存储在存储器 单元7中，而了解应变，并且螺栓1能够记住偏差，该偏差也被存储在存储器单元7中。当应变 下降到/超出阔值时可W发送出警报。该系统中包括的螺栓IW每秒一次到每年一次之间的 频率间隔监测应变，并且能够自动报告正常功能、偏差和故障，并且还能够确定潜在维护的 时间。系统进一步包括中屯、软件和基础设施13。在装配并指示精确的应变之后，能够从计算 机寻址螺栓1。还能够向螺栓1写信息/从螺栓1读取信息。通过中屯、软件，能够管理螺栓1并 得到与系统连接的所有螺栓的状态的概要。螺栓1确定应变是否在范围之内，指示充分的加 紧或偏差/故障，根据需要或W规则的时间间隔发送信息，并且是具有日志和存储器的智能 系统的一部分。
[0057] 可W W上述通信方式的任何组合来发送根据螺栓1的伸长量来测量的应变数据。 例如，在装配期间利用手持设备14可W从螺栓I获取应变数据，并可W在操作期间，在不同 的构件之间将数据发送到一个最终螺栓1，该最终螺栓1经由无线通信转送数据，或者存储 数据直到操作者利用手持设备14提取数据。
[0058] 在图1的实施例中，可选的光学纤维20被插入螺栓1的孔4中，W引导从光学单元12 发出的光。该实施例中的主要测量方法为:通过光学纤维20将光脉冲串向下发送到螺栓1的 孔中。脉冲串将行进通过被布置在孔4中的纤维20,在孔1的底壁被反射，并通过被布置在孔 4中的纤维20行进返回到光学单元12的检测器。控制单元6确定该过程花费的时间，并通过 飞行时间方法来确定应变数据。另外，光学纤维20还可W作为保险丝或安全控件来工作;纤 维20在被暴露于纵向应变时非常易碎。因此，当螺栓1经受过度应变时，光学纤维20将损坏， 并且由此应变测量将无法继续工作。运将是对某物已发生故障的指示。
[0059] 在图1的实施例中，控制单元師角定螺栓1的信号响应特征，从而通过飞行时间方法 来确定物理变形，例如伸长量。该方法基于如下原理:测量光脉冲串（包括一个单一光脉冲） 从光学单元12行进到腔4的底部、在底部被反射、并行进返回到光学单元所花费的时间。飞 行时间方法可W被用于在腔中具有光学纤维20的情况和不具有光学纤维20的情况二者。
[0060] 在另一实施例中，控制单元師角定螺栓1的信号响应特征，从而通过自由空间光学 通信(FSO)来确定物理变形，例如伸长量。自由空间光学通信是意味着如下的技术：W与先 前描述的光学纤维20相同的方式使用腔4,而不具有纤维20。
[0061] 在又一实施例中，控制单元師角定螺栓1的信号响应特征，从而通过干设测量法(优 选为光学干设测量法)来确定物理变形，例如伸长量。干设测量法为如下测量方法:将波叠 加，从而提取关于波的信息。
[0062] 在W上实施例中，物理变形（例如伸长量)是纵向的应变，但是它也可W是其他物 理变形，例如由外力引起的扭转或断裂。W上测量方法还可W被用于应变控制，也就是说， 该方法被用来检测偏差或故障，例如力矩、干扰或错误结果。
[0063] 参照图2,示出了被安装到结构元件(运里被实施为机翼W)的智能螺栓1的系统14。 该系统进一步包括中屯、软件和基础设施13。因此，系统14中包括的螺栓1通过W上测量方法 之一，W例如每秒一次到每年一次之间的频率间隔监测应变。W-个螺栓1从所有其他螺栓 1接收数据的方式，螺栓1在相互之间进行通信。从所有其他螺栓1接收到数据的螺栓1将从 系统中包括的所有螺栓1收集的信息发送到中屯、软件13。该特定过程的有益之处在于，可W 不使用无线网络连接。一个示例可W是沿铁路隧道安装的螺栓1，在该铁路隧道中，一个螺 栓例如经由蓝牙?.与下一个螺栓通信，W此类推，直到数据到达隧道外部的螺栓，然后，该 螺栓使用无线网络通信将所有数据传达到中屯、软件13。
[0064] 在图3中，示出了与图2类似的结构，其中智能螺栓1的系统14被紧固到机翼W。系统 14进一步包括中屯、软件和基础设施13。系统14中包括的螺栓1频繁地监测应变，但是在本实 施例中，各智能螺栓1与中屯、软件13直接通信。
[0065] 图4示出了如下流程图，其中，参照W上提及的类型的螺栓1来描述根据飞行时间 方法的测量方法400。
[0066] 第一步骤401为:控制单元6控制发光器将光脉冲串发出到机械构件1的腔4中，同 时控制单元6通过在时间Tl启动时钟来开始时间测量。发出的光脉冲串行进通过腔4,并在 步骤402中光脉冲串到达底部，在该底部反射光脉冲串。从那里，光脉冲串开始通过腔4向检 测器行进返回。在步骤403中，通过检测器检测被反射的脉冲串，并在时间T2终止时间测量。
[0067] 在步骤404中，控制单元6分析脉冲串的信号响应特征，即，例如信号强度、幅度和 脉冲形状。步骤409描述了如下情况:在一定量的时间之内未检测到脉冲串，或者是否W某 种方式干扰了所检测到的信号。然后，控制单元6控制错误消息。运可W经由通信单元10或 例如通过可视手段(例如通过二极管(未示出）颜色从绿变为红)来进行。另一方面，如果检 测到的脉冲没问题(在步骤405中描述它），则控制单元師角定脉冲从腔4的顶部行进到底部、 并再次行进返回到顶部所花费的时间，经过T2-T1。然后，使用该时间和飞行时间方法来确 定螺栓的物理变形，在运种情况为应变数据或伸长量。
[0068] 在步骤406中，控制单元則尋所确定的应变数据或伸长量与基准值相比较。如果应 变数据在预设的可接受范围内，则控制单元6可W控制通信单元10将所确定的值发送到外 部单元13、14(例如计算机），并且/或者它可W启动绿色二极管(步骤407)，或者控制单元6 还可W将所确定的应变数据存储在存储器单元7中（步骤408)。在某些实施例中，它可W进 行步骤407和步骤408二者。
[0069] 在步骤410中，所确定的应变数据不在预设的可接受范围内，并且控制单元6发出 关于应变不足的某种警报。运例如可W通过到外部单元13、14(例如计算机)的错误消息，或 者通过点亮红色二极管来进行。控制单元6还可W(步骤411)将确定的应变数据存储在存储 器单元7中。在某些实施例中，它可W进行步骤410和步骤411二者。
[0070] 图5示出了如下流程图，其中，参照W上提及的类型的螺栓1来描述根据干设测量 方法的测量方法500。
[0071] 第一步骤501为:控制单元控制发光器将光脉冲串发出到机械构件1的腔4中，并且 同时控制单元6通过在时间T1启动时钟来开始时间测量。发出的光脉冲串行进通过腔4，并 在步骤502中它到达底部，在该底部光脉冲串被反射。从那里，光脉冲串开始通过腔4向检测 器行进返回。在步骤503中，通过检测器检测被反射的脉冲串，并在时间T2终止时间测量。
[0072] 在步骤504中，控制单元6分析该脉冲的信号响应特征，即，例如干设图案、信号强 度、幅度和脉冲形状。步骤509描述了如下情况:在一定量的时间之内未检测到被反射的脉 冲串，或者是否W某种方式干扰了被检测到的信号。然后，控制单元6控制错误消息。运可W 经由通信单元10或例如通过可视手段(例如通过二极管(未示出）颜色从绿变为红)来进行。 另一方面，如果所检测到的脉冲没问题(在步骤505中描述它），则控制单元6分析干设图案。 然后，使用干设测量法来确定螺栓的物理变形，在运种情况下为应变或伸长量。
[0073] 在步骤506中，控制单元則尋所确定的应变数据与基准值相比较。如果应变数据在 预设的可接受范围内，则控制单元6可W控制通信单元10将所确定的值发送到外部单元13、 14(例如计算机），并且/或者它可W点亮绿色二极管(步骤507)，或者控制单元6还可W将所 确定的应变数据存储在存储器单元7中（步骤508)。在某些实施例中，它可W进行步骤507和 步骤508二者。
[0074] 在步骤510中，所确定的应变数据或伸长量不在预设的可接受范围内，并且控制单 元6控制关于应变不足的某种警报。运例如可W通过到外部单元13、14(例如计算机)的错误 消息，或者通过点亮红色二极管来进行。在步骤511中，控制单元6还可W将所确定的应变数 据存储在存储器单元7中。在某些实施例中，它可W进行步骤510和步骤511二者。
[0075] 在图6中，示出了针对水下使用而开发的螺栓100的水面下应用。该螺栓100包括头 部103和轴102,其中细长孔或腔104从螺栓的头部103延伸到轴102中。螺栓100被提供有电 子封装105,电子封装105包括与先前描述的螺栓1基本相同的部件、W及与该螺栓相同的特 征，但是螺栓100在其头部上进一步被配备有帽或封装101。在帽封装101内部，提供了用于 接收无线电信号的接收器1〇7。运些信号可W来自于蓝牙发射器，可能是低能量蓝牙@发 射器(未示出），或者是在电子封装105中提供的任何其他合适的发射器。帽封装101进一步 被配备有线圈108, W向电子封装105进行免接触感应能量传输。螺栓100被提供有导线106， 导线106与其他螺栓连接，或者与外部数据收集设备直接连接。
[0076] 因此，电子封装105和帽封装101没有相互直接接触，无电流接触，但是仍然实现了 二者之间的通信和电力传输。电子封装105被密封在螺栓100的头部103之内，并因此免受外 部元件影响。因此，螺栓100适于在水下深处使用；螺栓100保持在水面下几千米。运在例如 海洋行业中是非常有用的。
[0077] 图7中示出了所测量到的值的图解表示的示例。当控制员或检查员使用手持设备 检查螺栓的应变数据时，他/她可W在显示器上得到该图解表示。在另一实施例中，当W规 则间隔询问测量值时，可W在外部设备的显示器上示出该图解表示。
[0078] 该图在y轴示出了预载并在X轴示出了时间。在现实应用中，将针对当前应用而定 制轴上的单位。将分别W合适的单位表达预载和时间二者。该图包括=个区域，代表了高、 低和可接受预载。期望由星表示的所有测量值在可接受范围内。如果值结束在低范围区域 中，则螺栓可能是松弛的。如果值结束在高范围区域中，则螺栓可能由于过大的预载而损 坏，并且在最坏的情况下裂成两半。
[0079] 当进行测量时，即当控制员从螺栓读取应变值时，运里，在图中W星的形式出了标 记。当下次测量同一螺栓的值时，在图中示出新的标记。因此，图中的示例图示出了一个特 定螺栓的六个测量值。示例中示出的前四个值W及最后一个值是没问题的；运些值在可接 受范围内。另一方面，第四个值在过低的边界上，第五个值明显过低。运对于控制员来说是 有帮助的工具;他/她能够看到预载如何随时间而改变，甚至能够预测何时需要加紧螺栓。 还可W通过外部设备来处理收集到的预载数据，并且例如通过对所测量到的值的外推，能 够计算并预测预载将接近于低范围的时间。为了进一步帮助检查员，可接受范围外部的值 可W被彩色编码，例如如果值过低，则W红色标记。
[0080] 应当意识到，发明构思不限于上述实施例，在所附权利要求中提及的本发明的范 围内，许多变型例可行。如从说明书可理解到的那样，本发明的系统不仅适用于紧固装置， 而且适用于诸如螺纹紧固件的其他机械构件，例如螺钉、螺栓、双头螺栓、特殊形成的外螺 纹紧固件或螺纹杆。确定上述机械构件的应变的技术适用于具有高安全性要求的许多各种 各样的领域内，例如石油行业、核能行业、风能行业、飞机行业、汽车行业、加工行业或采矿 行业内，W及如测量技术和振动测量的领域内。
【主权项】
1. 一种机械构件，所述机械构件具有当经受应变时变形的部分并包括腔（4; 104)，其 中，所述构件进一步包括光学单元（12)、控制单元(6)以及通信单元（10)，所述光学单元 (12)被构造为向所述腔(4)中发出光，并检测被反射的光，所述控制单元(6)与所述光学单 元（12)连接并被构造为确定由所发出的光从所述光学单元（12)行进到所述腔(4; 104)中、 被反射、并行进返回到所述光学单元（12)而引起的信号响应特征，其中，所述控制单元(6) 进一步被构造为根据所述信号响应特征来确定所述机械构件（1; 1〇〇)的所述部分的物理变 形，以根据所述物理变形来确定应变数据，所述通信单元（10)与所述控制单元(6)连接并被 构造为将所述机械构件(1; 100)的应变数据传达到外部设备(13; 14)。2. 根据权利要求1所述的机械构件，其中，所述控制单元(6)被构造为通过飞行时间方 法或通过干涉测量法来确定物理变形。3. 根据权利要求1或2所述的机械构件，其中，所述光学单元（12)包括发光器和光检测 器;并且所述控制单元(6)包括微控制器，所述微控制器被构造为控制所述发光器。4. 根据前述权利要求中的任何一项所述的机械构件，其中，所述光学单元（12)包括激 光器。5. 根据前述权利要求中的任何一项所述的机械构件，所述机械构件进一步包括充电单 元(8)，所述充电单元(8)被构造为从周围环境采集能量。6. 根据权利要求5所述的机械构件，所述机械构件进一步包括能量存储单元(9)，所述 能量存储单元(9)被构造为存储由所述充电单元(8)采集的能量，并将能量提供给所述控制 单元(6)和所述通信单元(10)。7. 根据权利要求6所述的机械构件，其中，所述能量存储单元(9)包括蓄能器，优选为电 池。8. 根据前述权利要求中的任何一项所述的机械构件，所述机械构件进一步包括存储器 单元(7 )，所述存储器单元(7)被构造为存储预设的制造数据和所述应变数据。9. 根据前述权利要求中的任何一项所述的机械构件，其中，所述通信单元（10)为无线 的。10. 根据前述权利要求中的任何一项所述的机械构件，所述机械构件进一步包括支撑 传感器单元(11)。11. 根据权利要求10所述的机械构件，其中，所述支撑传感器单元（11)包括温度传感 器。12. 根据权利要求10所述的机械构件，其中，所述支撑传感器单元(11)包括定位设备。13. 根据权利要求10所述的机械构件，其中，所述支撑传感器单元（11)包括湿度传感 器。14. 根据前述权利要求中的任何一项所述的机械构件，其中，所述构件（1; 100)被包括 在网络中，所述网络还包括中心软件（13)，所述中心软件（13)被构造为监测所述网络（15) 中包括的所有构件(1;1〇〇)的所述应变数据，并自动报告正常功能、故障或偏差。15. 根据权利要求14所述的机械构件，其中，所有构件（1; 100)被构造为与所述网络中 包括的其他相应构件(1; 100)通信。16. 根据前述权利要求中的任何一项所述的机械构件，其中，所述构件（1; 100)为被构 造为将两个部分一起加紧的紧固元件，例如螺栓、螺钉或铆钉。17. 根据前述权利要求中的任何一项所述的机械构件，其中，所述腔为所述构件（I; 100)中的细长孔(4;104)。18. 根据前述权利要求中的任何一项所述的机械构件，其中，所述腔(4; 104)包含光学 纤维(20)。19. 一种用于测量机械构件（1; 100)的应变的方法，所述机械构件（1; 100)具有腔(4; 104)，所述方法包括如下步骤： 从光学单元(12)向所述腔(4; 104)中发出光脉冲串； 通过所述光学单元(12)检测被反射的光脉冲串； 确定由所发出的光从所述光学单元（12)行进到所述腔(4; 104)中、被反射、并行进返回 到所述光学单元（12)而引起的信号响应特征，并根据所确定的信号响应特征来确定所述机 械构件(1; 100)的物理变形，以根据所述物理变形来确定应变数据；以及 将应变数据传达到外部设备（13，14)。20. 根据权利要求19所述的方法，其中，通过飞行时间方法或干涉测量法来确定所述物 理变形。21. 根据权利要求19或20所述的方法，其中，所述应变数据被传达到手持通信设备 (14)〇22. 根据权利要求19至21中的任何一项所述的方法，其中，经由无线通信系统传达所述 应变数据。23. 根据权利要求19至22中的任何一项所述的方法，其中，在机械构件的网络中传达所 述应变数据。24. -种系统，所述系统包括： 多个根据权利要求1至18中的任何一项所述的机械构件（1; 100);以及 中心软件和基础设施（13)，所述中心软件和基础设施（13)被构造为监测所述系统中包 括的所有构件(1;1〇〇)的所述应变数据，并自动报告正常功能、故障或偏差。25. 根据权利要求24所述的系统，其中，从所述机械构件（1; 100)中读取信息/将所述信 息写入所述机械构件(1; 100)。26. -种诸如机翼(W)的结构元件，所述结构元件包括多个根据权利要求1至18中的任 何一项所述的机械构件(1; 100)。27. 根据权利要求26所述的结构元件，其中，所述机械构件（1; 100)被连接在网络中。
【文档编号】G01L5/24GK105960582SQ201580002535
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2015年4月2日
【发明人】莉娜·维丁·克拉森
【申请人】应变实验室有限公司