[發(fā)明專利]一種用于監(jiān)測螺栓連接動態(tài)受力狀況的智能螺栓裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201610865884.6
• 申請日: 2016-09-29
• 公開（公告）號: CN106402124B
• 公開（公告）日: 2018-11-09
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 霍林生;陳冬冬;宋鋼兵
• 申請（專利權(quán)）人: 大連理工大學(xué)
• 主分類號: G01L5/24
• 分類號: G01L5/24;F16B35/00
• 代理公司: 大連理工大學(xué)專利中心 21200
• 代理人: 溫福雪;李寶元

本發(fā)明屬于土木工程以及機械工程的螺栓連接領(lǐng)域，一種用于監(jiān)測螺栓連接動態(tài)受力狀況的智能螺栓裝置。螺栓在施工工程中由于受到機械力進(jìn)行緊固，不同機械力體現(xiàn)在螺栓上則是受力狀態(tài)不同。利用這個特點，當(dāng)螺栓連接界面發(fā)生松動時，超聲波的傳播路徑會被影響，智能螺栓進(jìn)行發(fā)射和接收信號就會發(fā)生變化，而利用接收到的信號能量的變化可以反過來推測螺栓連接界面所處的狀態(tài)，包括主動傳感測量方法和螺栓阻抗變化情況。這種基于壓電陶瓷的智能螺栓裝置為工程上螺栓連接動態(tài)受力監(jiān)測提供一種簡便可行的方法。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明主要用于土木工程以及機械工程的螺栓連接領(lǐng)域，具體而言，螺栓在施工工程中由于受到機械扭矩進(jìn)行緊固，不同機械扭矩體現(xiàn)在螺栓上則是受力狀態(tài)不同。利用這個特點，當(dāng)螺栓連接界面發(fā)生松動時，超聲波的傳播路徑會被影響，智能螺栓進(jìn)行發(fā)射和接收信號就會發(fā)生變化，而利用接收到的信號能量的變化可以反過來推測螺栓連接界面所處的狀態(tài)，包括主動監(jiān)測，被動監(jiān)測方法和螺栓阻抗變化情況。這種基于壓電陶瓷的智能螺栓裝置為工程上螺栓連接動態(tài)受力監(jiān)測提供一種簡便可行的方法。

背景技術(shù)

螺栓連接是現(xiàn)在連接方式中最重要的方式之一。現(xiàn)代大型土木結(jié)構(gòu)，例如大跨度鋼橋，超高層建筑以及大型輸電塔等結(jié)構(gòu)中，螺栓都是之中不可或缺的連接方式，所以螺栓可靠性是保證工程質(zhì)量及結(jié)構(gòu)正常服役的基礎(chǔ)。因此，螺栓在施工階段的安裝質(zhì)量以及服役階段的連接狀況越來越受到人們的重視。

壓電陶瓷作為一種新型的智能材料運用在很多方面。它具有的壓電效應(yīng)是任何壓電材料都具有的一項重要特性。在滿足一定的溫度條件下，當(dāng)對壓電元件施加機械變形時，就會引起內(nèi)部正負(fù)電荷中心發(fā)生相對移動而產(chǎn)生點的極化，從而導(dǎo)致元件兩個表面上出現(xiàn)符號相反的束縛電荷，且電荷密度與外力成比例，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。反之，在壓電元件兩個表面上施加電壓，由于電場的作用，造成壓電元件內(nèi)部正負(fù)電荷中心產(chǎn)生相對位移，導(dǎo)致壓電元件的變形，即逆壓電效應(yīng)。本發(fā)明正是利用壓電陶瓷所特有的這種正壓電與逆壓電效應(yīng)。

對傳統(tǒng)螺栓施工而言，螺栓眾多，施工工程中很難判斷螺栓是否達(dá)到該有的預(yù)緊力。施工過程監(jiān)測不僅費時費力而且對于一些特殊結(jié)構(gòu)的檢測還具有一定危險性。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決上述問題，一種用于監(jiān)測螺栓連接動態(tài)受力狀況的智能螺栓裝置，智能螺栓裝置的實物模型(如圖1)，主要由三部分構(gòu)成，一部分是原始的螺栓，一部分開槽的環(huán)形保護(hù)槽，剩下一部分是環(huán)形/片形壓電陶瓷。

需要說明的是智能螺栓監(jiān)測螺栓動態(tài)受力可以是主動監(jiān)測，也可以根據(jù)螺栓與壓電陶瓷整體阻抗值變化進(jìn)行監(jiān)測。

主動監(jiān)測是指智能螺栓與一些其他主動監(jiān)測的方法進(jìn)行搭配使用，螺栓動態(tài)受力工程中連接的界面會發(fā)生改變，從而智能螺栓發(fā)射的超聲波信號所經(jīng)過的路徑的改變，導(dǎo)致接收的超聲波信號改變，根據(jù)接收的信號改變信息可以判斷出螺栓所處的受力狀態(tài)。

機械阻抗法是利用了壓電陶瓷的力－電耦合特性，是一種綜合考慮壓電陶瓷動態(tài)特性和被測結(jié)構(gòu)阻抗信息的一種實時監(jiān)測方法。在這種方法中，同一壓電陶瓷片既作傳感器又作驅(qū)動器。其原理為：一端粘貼在結(jié)構(gòu)上的壓電陶瓷片在交變電壓V的作用下產(chǎn)生縱向伸縮的高頻振動，這使得壓電陶瓷片耦合了周圍結(jié)構(gòu)振動的信息，從而結(jié)構(gòu)的振動特性可以通過測量壓電片的阻抗特性來獲取。由壓電陶瓷的振動方程得到，與頻率有關(guān)的電導(dǎo)納表達(dá)式如式(1)所示，其中，l_a,w_a,和h_a分別為壓電陶瓷片的長度、寬度和厚度，d₃₁是壓電應(yīng)變常數(shù)，是壓電陶瓷在常壓應(yīng)力情況下的復(fù)介電常數(shù)。為壓電陶瓷材料在常電場情況下的復(fù)彈性模量，δ和η分別表示壓電陶瓷的介電損失因子和機械損失因子。ω、κ、Z_a和Z分別表示角頻率、波數(shù)、壓電陶瓷的機械阻抗和主體結(jié)構(gòu)的機械阻抗。