一种能够实时测量压力和压强的螺栓结构的制作方法

本发明属于机电工程技术领域，具体涉及一种能够实时测量压力和压强的螺栓结构。

背景技术：

螺栓(或螺钉)组连接是仪器仪表等机电产品装配中最常用的连接方式之一，对于机电产品装配应用之后的压力测量，采用传统的电阻应变测试法将应变片贴在螺栓螺杆处易忽略螺栓头部分受力影响，或用专门测力仪器测力，增加了精力与物力。

仪器装配过程中的压力测量在如今网络数字时代已越来越常见。目前螺栓连接中的压力没有直接测量方法，且螺栓所承受的预紧力及装置之间的作用力能够反映出整个装置的装配质量和可靠性，因此通过螺栓来测量其预紧力和螺栓所受连接仪器的压力是极其必要的。特别是对一些桥梁、航空、机械工程等应用场合实时监测某一部分所受压力大小不仅与生产效率、仪器使用寿命及装置正常运行有关，甚至与安全息息相关。例如桥梁的各个铁锁、桥柱及栏杆之间必定需要螺栓连接，若某一测力螺栓测得受力值超过极限值时会发出报警，可以防止安全事故的发生。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种能够实时测量压力和压强的螺栓结构，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：一种能够实时测量压力和压强的螺栓结构，包括有测力螺栓、压力测量模块、无线传输模块、单片机模块和数据显示模块，所述压力测量模块设置在测力螺栓上，所述压力测量模块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，所述单片机模块与数据显示模块电性连接；

所述测力螺栓为沉头螺栓，包括有螺栓头部和螺栓杆部，所述螺栓头部和螺栓杆部开设有贯穿的导线通孔，所述螺栓杆部上沿轴向间隔设置有多个贴片凹槽，所述贴片凹槽与导线通孔连通；

所述压力测量模块包括有头部测力单元和杆部测力单元，所述头部测力单元包括有垫片，所述垫片贴合螺栓头部设置，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，所述杆部测力单元包括有多个应变片，所述应变片设置在贴片凹槽内；

所述无线传输模块包括有无线网关和导线，所述导线贯穿导线通孔，所述导线连接无线网关、微型力传感器阵列和应变片。

优选的，所述微型力传感器阵列由若干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，所述头部测力单元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，所述应变片采用半导体材料，所述贴片凹槽的数量为五圈，每圈包括有均匀分布的八个凹槽，每个凹槽内设置有应变片。

优选的，所述单片机模块包括有单片机和a/d转换器；

所述单片机可对微型力传感器阵列进行加权平均值算法处理，判断受力是否均匀，若受力不均匀，则通过加权算法求出平均值减少误差；

可将应变片产生的差动输出信号传给放大器，放大后的模拟信号再通过a/d转换器转换为数字信号。

优选的，所述数据显示模块包括有液晶显示器、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及压强值；

所述数值设置按钮是供用户根据实际情况设置测力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，一种通过螺栓结构实时测量压力和压强的方法，采用权利要求1-7任一所述的一种能够实时测量压力和压强的螺栓结构，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，从里到外的系数比分别为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：贴片凹槽内所贴的应变片受到压力时造成电桥不平衡，输出压差信号，在这一过程中所设计的电桥电路自动对温度进行补偿；

步骤三：导线将微型力传感器阵列测得的信号与应变片产生的压差信号传输给无线节点，通过无线网关传给单片机接收、处理与输出；

步骤四：运算放大器将单片机接收的原始信号放大到数据采集卡可以识别的电信号；

步骤五：a/d转换器将数据采集卡采集的放大后的电信号转换为数字信号；

步骤六：单片机将压力值与内部算法计算出的压强值输出给液晶显示器，并且实时对用户设定安全值与测力螺栓测量值进行比较；

步骤七：直观显示单片机输出值，并且对输出值超过设定值的情况实时报警，及时提醒使用者停止操作。

有益效果：

(1)本发明的一种能够实时测量压力和压强的螺栓结构，通过贴合在垫片上的微型力传感器阵列获得压力数值，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压力大小。

(2)本发明的一种能够实时测量压力和压强的螺栓结构，螺栓头部采用微型力传感器阵列，螺栓杆部采用贴片凹槽内设置应变片电桥，螺栓杆部除贴片凹槽外的其余部分采用紧固螺纹，两者有效结合，兼备连接与测力功能，既能保证测力的准确性，又能保证成本低廉。

(3)本发明的一种能够实时测量压力和压强的螺栓结构，采用无线节点传输压差信号，可以避免因导线连接导致装配复杂的情况。

(4)本发明的一种能够实时测量压力和压强的螺栓结构，通过按钮设置安全值，当实时测量的压力值大于或等于安全值时，报警器立刻发出报警声，并通过单片机及无线网关停止装备继续运行，既可以保护设备又可以提醒安全员。

(5)本发明的一种能够实时测量压力和压强的螺栓结构，测力螺栓与垫片均是符合生产配合标准的套件，既符合装配要求又能起到测量力的作用，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测量压力和压强的螺栓结构的整体结构框图。

图2为本发明一种能够实时测量压力和压强的螺栓结构的整体装配示意图。

图3为本发明一种能够实时测量压力和压强的螺栓结构的部分结构示意图。

图4为本发明一种能够实时测量压力和压强的螺栓结构的垫片上微型力传感器阵列设计图。

图5为本发明一种能够实时测量压力和压强的螺栓结构的螺栓杆部上应变片部分贴片设计图。

图6为本发明一种能够实时测量压力和压强的螺栓结构的应变片电桥电路图。

图7为本发明一种能够实时测量压力和压强的螺栓结构的无线节点与单片机连接示意图。

图8为本发明一种能够实时测量压力和压强的螺栓结构的数值显示器与报警器示意图。

图9位本发明一种能够实时测量压力和压强的螺栓结构的控制流程图。

图中：1-测力螺栓，11-螺栓头部，12-螺栓杆部，13-导线通孔，14-贴片凹槽，2-压力测量模块，21-头部测力单元，211-垫片，212-微型力传感器阵列，213-第一保护垫圈，214-第二保护垫圈，22-杆部测力单元，221-应变片；

r1、r2、r3、r4构成惠斯通电桥，r5、r6以及npn型q1构成温度补偿系统，vi为外界供给电压，vo为电桥输出电压。

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1-9所示，一种能够实时测量压力和压强的螺栓结构，兼备连接与测力功能，包括有测力螺栓1、压力测量模块2、无线传输模块、单片机模块和数据显示模块，所述压力测量模块2设置在测力螺栓1上，所述压力测量模块2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，所述单片机模块与数据显示模块电性连接；

所述测力螺栓1为沉头螺栓，包括有螺栓头部11和螺栓杆部12，所述螺栓头部11和螺栓杆部12开设有贯穿的导线通孔13，所述螺栓杆部12上沿轴向间隔设置有多个贴片凹槽14，所述贴片凹槽14与导线通孔13连通；

所述压力测量模块2包括有头部测力单元21和杆部测力单元22，所述头部测力单元21包括有垫片211，所述垫片211贴合螺栓头部11设置，所述螺栓杆部12贯穿垫片211，所述垫片211上设置有微型力传感器阵列212，所述杆部测力单元22包括有多个应变片221，所述应变片221设置在贴片凹槽14内；

所述无线传输模块包括有无线网关和导线，所述导线贯穿导线通孔13，所述导线连接无线网关、微型力传感器阵列212和应变片221。

所述微型力传感器阵列212由若干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。

所述头部测力单元21还包括有第一保护垫圈213和第二保护垫圈214，所述第一保护垫圈213和第二保护垫圈214分别设置在垫片211的两侧，用来保护垫片211上所贴的微型力传感器阵列212和导线，避免因受外力造成损坏。

所述应变片221采用半导体材料，所述贴片凹槽14的数量为五圈，每圈包括有均匀分布的八个凹槽，每个凹槽内设置有应变片221。

所述单片机模块包括有单片机和a/d转换器；

所述单片机可对微型力传感器阵列212进行加权平均值算法处理，判断受力是否均匀，若受力不均匀，则通过加权算法求出平均值减少误差；

可将应变片221产生的差动输出信号传给放大器，放大后的模拟信号再通过a/d转换器转换为数字信号。

所述数据显示模块包括有液晶显示器、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及压强值；

所述数值设置按钮是供用户根据实际情况设置测力螺栓1所在装置所能承受的安全极限值；

所述报警器是当测力螺栓1测得的数值大于用户设定的安全值时发出报警声。

一种通过螺栓结构实时测量压力和压强的方法，采用权利要求1-7任一所述的一种能够实时测量压力和压强的螺栓结构，包括以下步骤：

步骤一：在垫片211上分布三圈微型力传感器阵列212，从里到外的系数比分别为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：贴片凹槽14内所贴的应变片221受到压力时造成电桥不平衡，输出压差信号，在这一过程中所设计的电桥电路自动对温度进行补偿；

步骤三：导线将微型力传感器阵列212测得的信号与应变片221产生的压差信号传输给无线节点，通过无线网关传给单片机接收、处理与输出；

步骤四：运算放大器将单片机接收的原始信号放大到数据采集卡可以识别的电信号；

步骤五：a/d转换器将数据采集卡采集的放大后的电信号转换为数字信号；

步骤六：单片机将压力值与内部算法计算出的压强值输出给液晶显示器，并且实时对用户设定安全值与测力螺栓1测量值进行比较；

步骤七：直观显示单片机输出值，并且对输出值超过设定值的情况实时报警，及时提醒使用者停止操作。

主要包括以下四步程序：

第一步：压力信号的获取：

测量压力和压强的螺栓装置的压力信号来自两部分：一部分是贴在与螺栓头部11配合的垫片211上的微型力传感器阵列212测得的压力大小；另一部分是螺栓杆部12贴片凹槽14内的应变片221因电阻变化产生的电压差。螺栓用来装配仪器，垫片211与螺栓配合既可以夹紧装置，又能实时测量压力大小。微型力传感器阵列212测得信号直接通过导线传给单片机，由单片机内部算法处理进行加权平均值计算；贴在贴片凹槽14内的应变片221构成具有温度补偿功能的电桥，当外界对螺栓所在零件部位施加压力时，应变片221因电阻变化使得电桥不平衡进而产生差动输出信号。

第二步：无线节点传输信号：

通过导线与电桥电路连接，一是将每圈的测力传感器所测得数值通过无线网关传给单片机，二是将螺栓杆部12贴片凹槽14内的应变片221产生的差动信号通过无线网关传输给单片机。

第三步：信号的放大与处理：

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数处理，再由各圈系数计算出最后总的螺栓头部11受力平均值；其次对螺栓杆部12处应变片221产生的压差信号处理；最后单片机通过内部压力压强转化算法得出压强值，并实时比较设定的安全值与测量值。

第四步：信号的显示与报警：

单片机将处理之后的数字信号及计算结果传输给液晶显示屏显示，当检测到测量值大于安全值时，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测量压力和压强的螺栓结构，通过贴合在垫片211上的微型力传感器阵列212获得压力数值，并且垫片211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压力大小。

本发明的一种能够实时测量压力和压强的螺栓结构，螺栓头部11采用微型力传感器阵列212，螺栓杆部12处采用贴片凹槽14内设置应变片电桥，螺栓杆部12除贴片凹槽14外的其余部分采用紧固螺纹，两者有效结合，既能保证测力的准确性，又能保证成本低廉。

本发明的一种能够实时测量压力和压强的螺栓结构，采用无线节点传输压差信号，可以避免因导线连接导致装配复杂的情况。

本发明的一种能够实时测量压力和压强的螺栓结构，通过按钮设置安全值，当实时测量的压力值大于或等于安全值时，报警器立刻发出报警声，并通过单片机及无线网关停止装备继续运行，既可以保护设备又可以提醒安全员。

本发明的一种能够实时测量压力和压强的螺栓结构，测力螺栓1与垫片211均是符合生产配合标准的套件，既符合装配要求又能起到测量力的作用，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。