多灵敏度压电式螺栓松动监测装置及其使用与识别方法制造方法及图纸

多灵敏度压电式螺栓松动监测装置及其使用与识别方法，装置包括保护壳，卡环，磁座、动板，弹簧，压电陶瓷，定板，导线，密封板，中轴。本发明专利技术基于压电材料两端电压随其压力变化而变化的原理实现螺栓松动识别目的，压电材料设置有四块，分别对应于四种不同的灵敏度的档位以适用于不同的监测要求。当装置与待监测螺栓连接后，测定压电材料的两端初始电压为U1，当螺栓松动产生转角变化，使得压电材料的压力产生变化，测定压电材料此时的电压为U2，计算电压变化值为松动指标，对螺栓连接状态进行识别。通过测量螺栓预紧力和电压之间的相对关系，对该装置进行标定；根据螺栓设计及检测规范，确定螺栓预紧力阈值。

【技术实现步骤摘要】
多灵敏度压电式螺栓松动监测装置及其使用与识别方法
本专利技术涉及工程结构健康监测
，更具体地涉及多灵敏度压电式螺栓松动监测技术。
技术介绍
结构健康监测（SHM）技术是保障工程结构安全性的重要手段，也是土木工程领域目前研究的热点问题。对于一个健康监测系统而言，传感器监测、采集结构响应及分析处理测量信号进而完成对结构损伤检测与状态的评估是土木工程结构健康监测的核心所在，作为损伤识别与状态监测的源头，传感器对于准确识别工程结构的状态变化具有关键性和决定性的作用。工程结构领域损伤种类繁杂，要想准确识别各种损伤并对结构服役状态进行监测，首先要利用各种的传感技术研制针对性强、灵敏度高的检测装置。螺栓连接是一种重要的工程结构连接方式，其具有承载能力强、便于拆卸等的优点，被广泛应用于土木、机械、航空航天、汽车等领域，尤其是在预制装配式建筑、高铁技术以及风电行业等多个领域，螺栓被大量应用于关键节点部位的连接。直接或间接由于螺栓松动引发的事故在土木工程以及工业领域不胜枚举，下面主要列举了在建筑结构和道路桥梁方面的一些因螺栓松动引发的安全事故。现有的螺栓松动监测的理论和方法主要有以下几种：（1）人工巡检与肉眼识别；（2）基于结构整体动力学特性的检测方法；（3）基于波传播非线性模型的方法；（4）基于声发射螺栓连接状态监测与辨识。其中，第一种人工方法目前最为普遍，但人工成本较高，且受巡检人员的个人经验等人为因素影响较大，而基于结构整体动力学特性的方法对于螺栓连接松动这种结构早期微小损伤具有不敏感的特点，其余方法大都需要较复杂的理论基础支撑或者价格昂贵的设备，而且大部分尚处于研究阶段，不便于大量工程实际应用。因此，目前工程结构领域亟待一种能够简便可靠的螺栓松动监测装置对螺栓连接状态进行监测。
技术实现思路
本专利技术为了解决当前工程结构的螺栓连接状态的监测缺乏准确可靠、针对性强的装置与松动识别方法的问题，提供一种多灵敏度压电式螺栓松动监测装置及其使用与识别方法。本专利技术是多灵敏度压电式螺栓松动监测装置及使用和识别方法，多灵敏度压电式螺栓松动监测装置，包括保护壳1，卡环2，磁座3，动板，弹簧，压电片，定板，导线，密封板9，中轴10，所述外壳四周设置有四块定板，所述定板分为第一定板71、第二定板72、第三定板73以及第四定板74，所述定板上固定有压电片，所述压电片分为第一压电片61、第二压电片62、第三压电片63以及第四压电片64，卡环2环向每隔90度固定有动板，所述动板分为第一动板41、第二动板42、第三动板43以及第四动板44，所述弹簧分为第一弹簧51，第二弹簧52，第三弹簧53以及第四弹簧54，四根弹簧刚度不同，从第一弹簧51至第四弹簧54弹簧的刚度逐渐递减，所述压电片一端粘贴于定板上，另一端与导线相连，所述导线分为第一导线81，第二导线82，第三导线83以及第四导线84，所述导线能与电荷放大器和外部阻抗分析仪相连接，实现信号传输功能，所述弹簧一端与压电片相连，另一端与动板连接，保护壳1底部固定有磁座3；所述卡环2与动板相连，所述卡环2下部开有环形凹槽，所述中轴10为薄壁柱体，能深入卡环2的环形凹槽，使得卡环2产生旋转位移时绕中轴10转动，不发生偏离；所述磁座3为位于保护壳1的底部四周的磁铁，所述保护壳1为方形或圆形；所述保护壳1底部开有圆孔，其孔径能够满足被监测螺栓的螺母/螺帽穿过的要求，所述卡环2开有正六边形孔，尺寸规格与待监测螺栓的螺母/螺帽相同，能够卡紧被监测螺栓的螺母/螺帽的六个端面；所述密封板9在安装时能够取下来，待装置与待监测螺栓安装完成后再进行组装。多灵敏度压电式螺栓松动监测装置的使用方法，其步骤为：步骤（1）将装置与待监测螺栓连接：将装置下端磁座3与待监测螺栓所连接的被连接板连接，使其可靠吸附于被连接板的上端；待监测螺母/螺帽穿过卡环2中间正六边形开口，卡环2与待螺母或螺帽连接，卡住其六个端面；步骤（2）接线，调整卡环2的初始位置，尽量使四根弹簧处于无应力的初始状态；检查装置连接可靠后，盖上密封板9，并检查装置与螺栓连接是否可靠导线与外部压电信号采集仪连接，其接线顺序为：本装置-电荷放大器-信号转换器-波形显示器，接线完成后，读取初始数据，并检查数据是否异常，如无异常则装置进入工作阶段，若有异常，则进行调整。多灵敏度压电式螺栓松动监测装置的松动识别方法，其步骤为：步骤（1）标定阶段：在标准环境条件下，通过标准的标定设备，给螺栓不同预紧力，然后采集本装置的电信号，对本装置进行正、反行程往复循环多次测试，将得到的输出-输入测试数据通过数据拟合得到预紧力与电信号之间的关系曲线；步骤（2）监测阶段：针对某一螺栓，根据其监测需求，采用相应的档位进行监测，首先采集初始状态的数据，初始状态的电压信号，当螺栓松动产生转角变化，使得压电材料的压力产生变化，测定压电材料此时的电压为，计算电压变化值为松动指标，按照相关的标准规范，设定螺栓松动阈值，实际监测阶段按照标定阶段的阈值和相关紧固件规范，定期采集数据，当监测数据超出预警范围时，则进行人工检查，若螺栓松动，则将装置取下，对松动的螺栓进行重新紧固，并重新将装置连接。本专利技术的有益之处是：（1）本装置体积小，加工简单，生产效率高，便于安装，检测精度高，稳定性好，频带宽、灵敏度高、信噪比高、工作可靠和重量轻等。本装置与螺栓的连接方式为机械连接，不影响螺栓正常使用，检测时间短，不影响螺栓原来的连接状态；（2）相比同类基于压电传感原理制作而成的装置，本装置设置有多个压电材料，每块压电材料感受螺栓松动产生的压力不同，因此灵敏度不同，即“多灵敏度”。使用时可针对不同重要程度和松动阈值的螺栓启用不同的档位进行监测，从而增强了本装置的适用性。（3）由于螺母旋转位移往往相对较小，通过卡环伸出的动板，对螺母松动产生的旋转位移有放大效应，从而使得微小转动能够识别。本装置适用范围广，根据本装置的基本原理可针对不同的实际对象研制构造不同的同类装置，本装置及基于本装置基本原理研制的其他装置可广泛应用于风电结构、装配式结构节点、以及高铁关键部件等的螺栓连接的松动识别与状态监测。（4）本装置对工人技术水平要求低，便于使用，可以弥补肉眼识别的疏漏，减少工作量，降低高空作业风险性，适用于各类工程结构的螺栓连接松动识别与监测。附图说明图1为本装置的各组成部分装配关系的三维轴测图；图2为螺栓松动-卡环转动-弹簧压缩-压电陶瓷受力的原理示意图；图3为压电效应原理图；图4为卡环与动板相对关系以及卡环上下面构造示意图；图5为外壳、定板、中轴相对关系示意图；图6为装置的卡环与中心轴部分装配关系示意图；图7为四根刚度不同的弹簧；图8为磁座与保护壳底面连接示意图；图9为本专利技术的使用和识别方法的流程图；图10为本装置与电荷放大器、信号转换器以及显示器连接顺序示意图；图11为本装置的保护壳可采用的其他构造示意图；图12为本装置的实际应用实例示意图（以风本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.多灵敏度压电式螺栓松动监测装置，包括保护壳（1），卡环（2），磁座（3），动板，弹簧，压电材料（6），定板，导线，密封板（9），中轴（10），其特征在于所述外壳四周设置有四块定板，所述定板分为第一定板（71）、第二定板（72）、第三定板（73）以及第四定板（74），所述定板上固定有压电材料（6），所述压电片分为第一压电片（61）、第二压电片（62）、第三压电片（63）以及第四压电片（64），卡环（2）环向每隔90度固定有动板（4），所述动板分为第一动板（41）、第二动板（42）、第三动板（43）以及第四动板（44），所述弹簧分为第一弹簧（51），第二弹簧（52），第三弹簧（53）以及第四弹簧（54），四根弹簧刚度不同，从第一弹簧（51）至第四弹簧（54）弹簧的刚度逐渐递减，所述压电材料（6）一端粘贴于定板上，另一端与导线相连，所述导线分为第一导线（81），第二导线（82），第三导线（83）以及第四导线（84），所述导线能与电荷放大器和外部阻抗分析仪相连接，实现信号传输功能，所述弹簧（5）一端与压电片相连，另一端与动板连接，保护壳（1）底部固定有磁座（3）；所述卡环（2）与动板相连，所述卡环（2）下部开有环形凹槽，所述中轴（10）为薄壁柱体，能深入卡环（2）的环形凹槽，使得卡环（2）产生旋转位移时绕中轴（10）转动，不发生偏离；所述磁座（3）为位于保护壳（1）的底部四周的磁铁，所述保护壳（1）为方形或圆形；所述保护壳（1）底部开有圆孔，其孔径能够满足被监测螺栓的螺母/螺帽穿过的要求，所述卡环（2）开有正六边形孔，尺寸规格与待监测螺栓的螺母/螺帽相同，能够卡紧被监测螺栓的螺母/螺帽的六个端面；所述密封板（9）在安装时能够取下来，待装置与待监测螺栓安装完成后再进行组装。/n...

【技术特征摘要】
1.多灵敏度压电式螺栓松动监测装置，包括保护壳（1），卡环（2），磁座（3），动板，弹簧，压电材料（6），定板，导线，密封板（9），中轴（10），其特征在于所述外壳四周设置有四块定板，所述定板分为第一定板（71）、第二定板（72）、第三定板（73）以及第四定板（74），所述定板上固定有压电材料（6），所述压电片分为第一压电片（61）、第二压电片（62）、第三压电片（63）以及第四压电片（64），卡环（2）环向每隔90度固定有动板（4），所述动板分为第一动板（41）、第二动板（42）、第三动板（43）以及第四动板（44），所述弹簧分为第一弹簧（51），第二弹簧（52），第三弹簧（53）以及第四弹簧（54），四根弹簧刚度不同，从第一弹簧（51）至第四弹簧（54）弹簧的刚度逐渐递减，所述压电材料（6）一端粘贴于定板上，另一端与导线相连，所述导线分为第一导线（81），第二导线（82），第三导线（83）以及第四导线（84），所述导线能与电荷放大器和外部阻抗分析仪相连接，实现信号传输功能，所述弹簧（5）一端与压电片相连，另一端与动板连接，保护壳（1）底部固定有磁座（3）；所述卡环（2）与动板相连，所述卡环（2）下部开有环形凹槽，所述中轴（10）为薄壁柱体，能深入卡环（2）的环形凹槽，使得卡环（2）产生旋转位移时绕中轴（10）转动，不发生偏离；所述磁座（3）为位于保护壳（1）的底部四周的磁铁，所述保护壳（1）为方形或圆形；所述保护壳（1）底部开有圆孔，其孔径能够满足被监测螺栓的螺母/螺帽穿过的要求，所述卡环（2）开有正六边形孔，尺寸规格与待监测螺栓的螺母/螺帽相同，能够卡紧被监测螺栓的螺母/螺帽的六个端面；所述密封板（9）在安装时能够取下来，待装置与待监测螺栓安装完成后再进行组装。


2.根据权利要求1所述的多灵敏度压电式螺栓松动监测装置，其特征在于螺栓松动引起的压电片电压变化的原理在于，当装置通过磁座（3）安装在被连接件上端面并通过卡环（2）与螺栓连接可靠后，此时的压电片初始电压为某一固定数值，当螺栓在外部荷载或者振动过大时产生松动后，产生转角变化，旋转带动卡环（2）旋转，引起弹簧产生拉伸或压缩，定板不可转动，在螺栓松动的过程中，动板能对压电片产生压力，压电片的正负电荷中心分离，产生极化，导致介质两端表面出现符号相反的束缚电荷，导致压电片两端的电压变化；所述压电片其电压对压力变化关系通过压电关系表达式表示：



Q：电荷，d：压电常数，F：压电片受到的压力，更一般的表达式：电荷密度，用单位面积受力表示，其中：i=1，2，3表示晶体的极化方向，指的是与产生电荷面垂直...

【专利技术属性】
技术研发人员：李万润，刘学智，郭艺博，金复来，董芳洁，杜永峰，
申请(专利权)人：兰州理工大学，
类型：发明
国别省市：甘肃;62