一种智能紧固件、智能紧固件监测系统及监测方法与流程

1.本发明属于紧固件领域，尤其涉及一种智能紧固件、智能紧固件监测系统及监测方法。


背景技术：

2.紧固件连接是工程中应用最为广泛的机械连接方式，工业上常用扭矩扳手进行紧固连接，通过扭矩间接控制紧固件的预紧力。但由于各个紧固件的螺纹面或接触面摩擦系数的离散性，测量和控制精度有限。实际应用中，即使在确保加工精度和良好润滑的情况下，对实施同一扭矩下紧固件的预紧力也会有10％-30％的偏差。
3.对于传统扭矩法测量预紧力具有较大偏差的问题，近年来出现了电磁超声法、激光超声法、脉冲回波反射法、相位法等基于超声波技术的紧固件轴向应力无损检测技术也能获取紧固件的预紧力值大小，但针对振动条件下的紧固件实时预紧力测量则不能实现。
4.振动条件下，紧固件会随着工件一起振动，其受力不均匀，预紧力会瞬间增大或减小，应用上述方法时信号激发和接收探头不能伴随紧固件一起振动，且振动情况下激励信号困难、测量结果误差较大，对紧固件的动态实时预紧力不能测量。
5.有鉴于此特提出本发明。


技术实现要素：

6.本发明要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种智能紧固件、智能紧固件监测系统及监测方法，通过控制紧固件的薄膜传感器的固有频率和超声波功率，使其区别于振动条件下的紧固件的振幅和频率，实现了振动条件下紧固件预紧力的精准测量。
7.为解决上述技术问题，本发明第一方面提供了一种智能紧固件，包括紧固件，其顶部形成有一超声波薄膜传感器，超声波薄膜传感器的固有频率与紧固件的固有频率不同。
8.进一步可选地，超声波薄膜传感器从上到下依次为电极层、保护层、压电层、隔离层。
9.本发明第二方面提供了一种智能紧固件监测系统，包括如第一方面提供的智能紧固件；
10.预紧力测量仪，预紧力测量仪与智能紧固件连接，预紧力测量仪响应于控制命令发射与超声波薄膜传感器的固有频率相匹配的第一脉冲电信号；
11.在振动条件下，当智能紧固件接收到第一脉冲电信号后，将第一脉冲电信号转换为超声波信号，并使超声波信号沿紧固件的纵向传播，在超声波信号经紧固件底部反射回后，将超声波信号转换为与第一脉冲电信号对应的第二脉冲电信号；
12.预紧力测量仪，还用于接收与第一脉冲电信号对应的第二脉冲电信号，根据第一脉冲电信号和第二脉冲电信号确定预紧力信息，并发送至控制终端；
13.控制终端，与预紧力测量仪相连接，控制终端用于发送控制命令，并接收预紧力信
息，以及根据预紧力信息计算智能紧固件的预紧力。
14.进一步可选地，控制终端包括：
15.工控机，工控机用于发送控制命令，接收预紧力信息，并将预紧力信息发送给数据处理终端；
16.数据处理终端，用于根据预紧力信息计算智能紧固件的预紧力。
17.进一步可选地，数据处理终端设置有不同智能紧固件的安全阈值，当接收到预紧力时，将预紧力与对应的安全阈值进行比较，在预紧力超过对应的安全阈值时，生成报警信息。
18.进一步可选地，预紧力信息包括第一脉冲电信号和第二脉冲电信号之间的时间差。
19.进一步可选地，数据处理终端存储有不同脉冲电信号的频率、脉冲次数；
20.数据处理终端还存储有不同智能紧固件的参数及对应的超声波薄膜传感器的固有频率，其中，参数包括超声波在紧固件内的传播速度，紧固件的载荷f、弹性模量e、规格尺寸及装夹长度l，以及紧固件的温度补偿参数、应力补偿参数。
21.进一步可选地，数据处理终端根据预紧力信息计算智能紧固件的预紧力，包括：
22.采用如下公式(1)和(2)计算预紧力：
[0023][0024][0025]
其中，t0为紧固件在自由状态下，发射和接收电信号之间的时间差，t1为第一脉冲电信号与第二脉冲电信号之间的时间差，v为超声波信号在紧固件内的传播速度。
[0026]
进一步可选地，数据处理终端设置有多通道实时测量管理模块，多通道实时测量管理模块可同时对多个智能紧固件的预紧力进行检测。
[0027]
进一步可选地，预紧力测量仪包括检测探头，预紧力测量仪通过检测探头与智能紧固件连接，以发送或接收脉冲电信号，当检测探头为多个时，多个检测探头采集的预紧力信息对应输入至多通道实时测量管理模块的各个模块。
[0028]
进一步可选地，
[0029]
工控机还用于将预紧力信息及对应的智能紧固件信息上传至云服务端；
[0030]
数据处理终端还用于将智能紧固件的预紧力的异常信息上报至云服务端。
[0031]
本发明第三方面提供了一种用于第二方面提供的智能紧固件监测系统的监测方法，包括：
[0032]
获取待监测智能紧固件的复合层薄膜传感器的固有频率；
[0033]
根据复合层薄膜传感器的固有频率生成对应的控制命令，以使第一脉冲电信号的频率与复合层薄膜传感器的固有频率相匹配；
[0034]
接收预紧力信息；
[0035]
根据预紧力信息计算紧固件的预紧力。
[0036]
进一步可选地，该监测方法还包括：
[0037]
将预紧力与对应待监测智能紧固件的预紧力阈值进行比较；
[0038]
根据比较结果判断待监测智能紧固件的预紧力是否正常。
[0039]
采用上述技术方案后，本发明具有以下有益效果：
[0040]
振动条件下，紧固件会随着工件发生振动，其受力不均匀，载荷会随着振动瞬间增大或缩小，应用该项技术通过控制智能紧固件薄膜传感器的固有频率和超声波功率，使其与振动条件下紧固件的振幅和频率相匹配，可避免超声探头伴随紧固件一起振动产生激励信号困难、测量结果误差较大的问题发生，实现了振动条件下紧固件载荷的精确测量。进一步地，通过工控机wifi控制器与云存储设备将测试数据传输到手持终端或电脑终端上，实现振动条件下紧固件载荷的实时监测。
[0041]
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。
附图说明
[0042]
附图作为本发明的一部分，用来提供对本发明的进一步的理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。显然，下面描述中的附图仅仅是一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。在附图中：
[0043]
图1是根据本发明一种实施例的智能紧固件的结构示意图。
[0044]
图2是根据本发明一种实施例的紧固件预紧力监测系统的监测示意图。
[0045]
图3是根据本发明一种实施例的用于紧固件预紧力监测系统的方法的流程示意图。
[0046]
其中：1-智能紧固件，10-紧固件，12-超声波薄膜传感器，14-预紧力测量仪，16-数据处理终端，18-工控机。
[0047]
需要说明的是，这些附图和文字描述并不旨在以任何方式限制本发明的构思范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本发明的概念。
具体实施方式
[0048]
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0049]
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“接触”、“连通”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0050]
振动条件下，紧固件会随着工件一起振动，其受力不均匀，预紧力会瞬间增大或减小，应用上述方法时信号激发和接收探头不能伴随紧固件一起振动，且振动情况下激励信号困难、测量结果误差较大，对紧固件的动态实时预紧力不能测量。为此，本实施例提供了一种智能紧固件，利用原位生长的技术使得紧固件表面带有永久固化的薄膜传感器，从而避免了现有超声测量方法中涂抹耦合剂的环节来配合超声测应力技术进行紧固件实时载
荷的监测，可避免上述误差的产生，实现紧固件载荷的高精度测量和控制。
[0051]
下面结合附图，对根据本发明实施例的智能紧固件、紧固件预紧力监测系统及其方法进行说明。
[0052]
参照图1，该智能紧固件1，包括：
[0053]
紧固件10，其顶部形成有一超声波薄膜传感器12，超声波薄膜传感器12的固有频率与紧固件10的固有频率不同。
[0054]
智能紧固件1是在普通紧固件的头部采用原位生长技术制备的具有超声波薄膜传感器12的紧固件，紧固件的材质和规格型号不做限定。上述频率均是指共振频率，也叫自然频率、固有频率，此频率为传感器或零件材料、结构决定的固有频率，是可使传感器或零件产生共振现象的固有频率。在本实施例中，监测振动条件下的紧固件的预紧力，前提是控制超声波薄膜传感器12的固有频率与紧固件的固有频率不同，这样可避免超声波薄膜传感器12在紧固件10振动时与之共振，从而能够实现振动条件下紧固件预紧力的精确测量。
[0055]
在本实施例中，可通过控制超声波薄膜传感器12的厚度达到控制器频率的目的，通常厚度越小，其频率越高，厚度越大，其频率越低。
[0056]
进一步可选地，参照图1，超声波薄膜传感器12从上到下依次为电极层、保护层、压电层、隔离层；
[0057]
在振动条件下，当智能紧固件1接收到第一脉冲电信号后，超声波薄膜传感器12将第一脉冲电信号转换为超声波信号，并使超声波信号沿紧固件的纵向传播，在超声波信号经紧固件底部反射回后，将超声波信号转换为与第一脉冲电信号对应的第二脉冲电信号。
[0058]
具体地，在真空环境下，在紧固件10顶部形成一超声波薄膜传感器12，第一层是电极层，第二层是保护层，第三层是压电层，第四层是隔离层。这种原位生长压电陶瓷薄膜制成压电传感式紧固件，集超声波发射和接收信号于一体。当预紧力测量仪14接触到此薄膜传感器时，第一脉冲电信号加到压电陶瓷上，使其产生超声波，超声波在紧固件中传播，返回信号由超声波薄膜传感器12接收并转换为第二脉冲电信号，而后被数据处理终端16分析处理计算出当前紧固件的实时预紧力。
[0059]
本实施例还提供了一种智能紧固件监测系统，结合图2的监测示意图，该智能紧固件监测系统包括：
[0060]
如第一方面实施例的智能紧固件1；
[0061]
预紧力测量仪14，预紧力测量仪14与智能紧固件1连接，预紧力测量仪14响应于控制命令发射与超声波薄膜传感器12的固有频率相匹配的第一脉冲电信号；
[0062]
在振动条件下，当智能紧固件1接收到第一脉冲电信号后，将第一脉冲电信号转换为超声波信号，并使超声波信号沿紧固件10的纵向传播，在超声波信号经紧固件10底部反射回后，将超声波信号转换为与第一脉冲电信号对应的第二脉冲电信号；
[0063]
预紧力测量仪14，还用于接收与第一脉冲电信号对应的第二脉冲电信号，根据第一脉冲电信号和第二脉冲电信号确定预紧力信息，并发送至控制终端；
[0064]
控制终端，与预紧力测量仪14相连接，控制终端用于发送控制命令，并接收预紧力信息，以及根据预紧力信息计算智能紧固件1的预紧力。
[0065]
具体地，控制终端可为工控机或手机等智能终端。
[0066]
进一步可选地，结合图1的流程示意图，控制终端包括：
[0067]
工控机18，工控机18用于发送控制命令，接收预紧力信息，并将预紧力信息发送给数据处理终端16；
[0068]
数据处理终端16，用于根据预紧力信息计算智能紧固件1的预紧力。
[0069]
具体地，系统通过手持终端或电脑终端对紧固件预紧力测量仪进行无线远程控制，紧固件预紧力测量仪14根据控制部分的指令发生脉冲电信号，智能紧固件1接收信号并通过信号限位装置和超声波薄膜传感器12将脉冲电信号转变为机械超声波，超声波经紧固件底部反射形成超声波回波，超声波薄膜传感器12将接收该超声回波并转变为电信号并经过信号限位装置将电信号传回至紧固件预紧力测量仪14。紧固件预紧力测量仪14将接收到的回波电信号加以时间标记，经工控机wifi控制器传送至手持终端或电脑终端，通过手持终端或电脑终端的紧固件载荷远程监测系统，即可以精确得到智能紧固件1当前的载荷。
[0070]
进一步可选地，数据处理终端16设置有不同智能紧固件1的安全阈值，当接收到预紧力时，将预紧力与对应的安全阈值进行比较，在预紧力超过对应的安全阈值时，生成报警信息。
[0071]
具体地，在监测系统中，根据紧固件的应用设计值设置对应的监测阈值，实时监测载荷异常时则自动报警。
[0072]
进一步可选地，预紧力信息包括第一脉冲电信号和第二脉冲电信号之间的时间差。预紧力测量仪14将第二脉冲电信号加以时间标记发送给控制终端，控制终端根据其发送控制命令时刻与第二脉冲电信号上携带的时间标记计算时间差。
[0073]
进一步可选地，数据处理终端16存储有不同脉冲电信号的频率、脉冲次数；
[0074]
数据处理终端16还存储有不同智能紧固件1的参数及对应的超声波薄膜传感器12的固有频率，其中，参数包括超声波在紧固件内的传播速度v，紧固件的载荷f、弹性模量e、规格尺寸及装夹长度l，以及紧固件的温度补偿参数、应力补偿参数。
[0075]
具体地，数据处理终端16包括手持终端或电脑终端，其可实现以下功能：(1)设置不同的脉冲电信号频率、脉冲次数等；(2)设置使用的紧固件参数：紧固件的规格尺寸、有效夹持长度、紧固件直径等；(3)设置不同螺栓材质的弹性模量、温度补偿参数、应力补偿参数等。通过设置不同的脉冲电信号频率和脉冲次数等信息可控制工控机18发送对应的控制信号，以使预紧力测量仪14发射与当前智能紧固件的薄膜传感器的固有频率相匹配的脉冲电信号，并可控制脉冲发生次数，从而采集到更为精准的预紧力信息。进一步将上述参数结合预紧力测量仪14采集的预紧力信息计算智能紧固件的预紧力，计算结果更为准确。
[0076]
进一步可选地，数据处理终端16根据预紧力信息计算智能紧固件的预紧力，包括：
[0077]
采用如下公式(1)和(2)计算预紧力：
[0078][0079][0080]
其中，t0为紧固件在自由状态下，发射和接收电信号之间的时间差，t1为第一脉冲电信号与第二脉冲电信号之间的时间差，v为超声波信号在紧固件内的传播速度。
[0081]
应用在紧固件载荷测量上的主要技术是声弹性原理，即紧固件在自由状态下，紧固件内部不存在载荷(不考虑残余应力)，而紧固件在紧固状态下，由于载荷的作用，紧固件
将发生形变，因此此时紧固件的变形量为δl，依据δl与载荷f之间的数学关系即上述公式(1)，依据公式(1)，智能紧固件测试系统依据δl计算得到当前智能紧固件的载荷f。
[0082]
智能紧固件系统发射和接收超声波脉冲电信号、测量并计算发射和回波电信号之间时间差。紧固件在自由状态下，发射和接收电信号之间的时间差为t0，紧固件在紧固状态下，紧固件发射和接收电信号之间的时间差为t1，由此依据电信号收发时间差与紧固件的变形量的关系，得到紧固件的变形量，式中v为机械纵波在紧固件内的传播速度，最终由智能紧固件测试系统依据δl并结合公式(2)可得到当前状态下的智能紧固件的预紧力。
[0083]
通过智能紧固件测试系统实时检测紧固件的长度，根据紧固件的长度变化，通过电信号无线传递到主控系统，把电信号换算出紧固件的载荷，实现紧固件载荷远程在线实时监测。通过紧固件载荷的变化来辨识紧固件应力松弛和断裂趋势，并通过设定紧固件载荷阈值来实现自动报警功能。
[0084]
进一步可选地，数据处理终端16设置有多通道实时测量管理模块，多通道实时测量管理模块16可同时对多个智能紧固件1的预紧力进行检测。
[0085]
具体地，数据处理终端16包括手持终端或电脑终端，其还可实现以下功能：设置多螺栓多通道实时测量等管理参数。由此在关键部位的连接紧固件，选择多个紧固件，对其载荷远程实时在线监测。实用性更强，效率更高。
[0086]
进一步可选地，预紧力测量仪14包括检测探头，预紧力测量仪14通过检测探头与智能紧固件1连接，以发送或接收脉冲电信号，当检测探头为多个时，多个检测探头采集的预紧力信息对应输入至多通道实时测量管理模块的各个模块。
[0087]
具体地，当预紧力测量仪14的检测探头为多个时，可通过多个检测探头同时对多个智能紧固件1的预紧力信息进行采集。多个预紧力信息被对应分配至数据处理终端16的多个处理通道，从而同步检测多个智能紧固件1的预紧力，并监测其是否异常。
[0088]
进一步可选地，工控机18还用于将预紧力信息及对应的智能紧固件信息上传至云服务端；数据处理终端16还用于将智能紧固件1的预紧力的异常信息上报至云服务端。
[0089]
具体地，数据处理终端16还可实现如下功能：随时访问云存储设备进行上传和下载数据；提供云存储和云计算等大数据分析功能。手持终端或电脑终端将测试得到的智能紧固件的当前载荷上传至云存储，并可随时访问下载云存储中的历史数据，掌握智能紧固件的载荷变化情况。
[0090]
本发明第三方面实施例提供了一种用于第二方面实施例提供的智能紧固件监测系统的监测方法，结合图3的流程示意图，该监测方法包括s1～s4，其中：
[0091]
s1，获取待监测智能紧固件的超声波薄膜传感器的固有频率；
[0092]
s2，根据超声波薄膜传感器的固有频率生成对应的控制命令，以使第一脉冲电信号的频率与超声波薄膜传感器的固有频率相匹配；
[0093]
s3，接收预紧力信息；
[0094]
s4，根据预紧力信息计算紧固件的预紧力。
[0095]
进一步可选地，预紧力信息为第一脉冲电信号与第二脉冲电信号之间的时间差。
[0096]
进一步可选地，该监测方法还包括s5～s6，其中：
[0097]
s5，将预紧力与对应待监测智能紧固件的预紧力阈值进行比较；
[0098]
s6，根据比较结果判断待监测智能紧固件的预紧力是否正常。
[0099]
本实施例提供的智能紧固件、智能紧固件监测系统及其方法，振动条件下，紧固件会随着工件发生振动，其受力不均匀，载荷会随着振动瞬间增大或缩小，应用该项技术通过控制智能紧固件的超声波薄膜传感器的频率和超声波功率，使其与振动条件下紧固件的振幅和频率相匹配，可避免超声探头伴随紧固件一起振动产生激励信号困难、测量结果误差较大的问题发生，实现了振动条件下紧固件载荷的精确测量。进一步地，通过工控机wifi控制器与云存储设备将测试数据传输到手持终端或电脑终端上，实现振动条件下紧固件载荷的实时监测。另外在监测系统中，根据紧固件的应用设计值设置对应的监测阈值，实时监测载荷异常时则自动报警。手持终端或电脑终端将测试得到的智能紧固件的当前载荷上传至云存储，并可随时访问下载云存储中的历史数据，掌握智能紧固件的载荷变化情况。
[0100]
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
[0101]
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干命令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
[0102]
以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专利的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述提示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明方案的范围内。