[發明專利]適于高溫環境下使用的具有應力傳感功能的緊固件及薄膜換能傳感系統

在審

• 申請號: 202010310610.7
• 申請日: 2020-04-20
• 公開（公告）號: CN111504542A
• 公開（公告）日: 2020-08-07
• 發明（設計）人: 廖成;何緒林;葉勤燕;羅坤;鄭興平;冉小龍
• 申請（專利權）人: 中物院成都科學技術發展中心
• 主分類號: G01L5/24
• 分類號: G01L5/24;F16B35/00
• 代理公司: 北京麥寶利知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 11733
• 代理人: 趙艷紅

本發明提供的一種適于高溫環境下使用的具有應力傳感功能的緊固件及薄膜換能傳感系統，該緊固件包括緊固件基體，超聲波薄膜傳感器，第一電極引線和第二電極引線；當第一電極引線和第二電極引線被輸入脈沖電信號后，超聲波薄膜傳感器利用壓電層的逆壓電效應將脈沖電信號轉換成超聲波聲信號，超聲波聲信號沿桿部傳輸到超聲波反射面，再由超聲波反射面反射后沿桿部傳輸回到超聲波薄膜傳感器的壓電層，由壓電層的壓電效應轉換為帶有應力信息的電信號輸出；該緊固件的傳感模塊體積小，加工過程對緊固件本身沒有改變，通過安裝過程的布線連接可以實現離線檢測和在線監測兩種不同的應用模式，節約成本操作方便。

技術領域

本發明涉及緊固件技術領域，尤其涉及一種適于高溫環境下使用的具有應力傳感功能的緊固件及具有其的薄膜換能傳感系統。

背景技術

緊固件，如螺栓是機械應用中常見的一種機械結構，然而一些關鍵部組件的使役環境復雜多變，可能受到高應力沖擊、高過載、快速溫度沖擊和極端溫度等。如安裝在飛機發動機上的燃燒室外部的螺釘或螺栓暴露于超過500℃的溫度，發電站(尤其是核電站)中使用的連接器部件長期暴露于均勻的高溫負載(超過200℃)，軌道交通(高鐵、動車、地鐵等)的剎車系統連接部件暴露于循環的高溫負載(300℃～500℃)，汽車發動機和剎車系統等也處于循環的高溫環境。這些高溫環境中，螺栓的裝配質量主要取決于對螺栓預緊力的控制，螺栓在緊固時沒有達到預設的預緊力，將會降低螺栓的使用壽命；螺栓在使役過程中預緊力的變化會導致松動或斷裂，若對重點結構重點部位的螺栓預緊力監控不到位，將會導致螺栓突然失效，出現嚴重的安全事故。

在實際工程應用中，國內外已經采用的緊固件軸向預緊力的測量技術為扭矩扳手法、電阻應變片法、光測力學法和磁敏電阻傳感器測量法等。力矩法緊固螺栓時預緊力往往會因為螺栓是否涂油潤滑、力矩扳手緊固螺栓時的速度快慢等外界因素干預，以使得螺栓的預緊力精度較差；而其他測量方法則衍生出了許多傳感器，或將預緊力傳感器埋入螺栓端頭直接感應螺栓的受力情況，螺栓的結構會受到破壞，導致測試的應力值偏離真實受力值，或通過增加在螺栓處的墊圈傳感器來間接測量螺帽處的壓力，而環形墊圈要有足夠的大小以安裝感應裝置，對于已經緊固而不能拆卸的螺栓來說使用極不方便，且檢測精度較低，不適用于復雜工況的環境。上述常規預緊力測量技術，能夠實現設備停工狀態的應力測量，但很難滿足高溫環境下緊固件預緊力高精準度實時監測的要求。

現有超聲預緊力測量技術中，大多采用壓電陶瓷片作為超聲波換能器，在緊固件的一端粘貼一個壓電陶瓷傳感器作為超聲波收發端，一方面粘貼的方式、狀態、粘貼膏的厚度無法保證每個緊固件的一致性，批量緊固件的測量數值具有較大的離散性，使得該測量方式存在較大誤差，測量精度不高，另一方面耦合粘貼劑的引入使得產品存在耐高溫性能差的問題，且壓電陶瓷片的居里溫度通常偏低，無法適應于高溫環境測量的需求。

鑒于此，急于提出一種的新的技術方案，來解決高溫環境下緊固件軸向預緊力的實時監測的問題。

發明內容

鑒于此，本發明的目的在于提供一種適于高溫環境下使用的具有應力傳感功能的緊固件及具有其的薄膜換能傳感系統，該薄膜換能傳感系統能夠實現螺栓在高溫使役狀態下的預緊力精準檢測和實時監測，避免了因無法掌握螺栓預緊力的衰減狀況而帶來的安全隱患。