用于螺栓载荷超声波监测的复合贴片结构及贴片螺栓制造技术

本申请公开了一种用于螺栓载荷超声波监测的复合贴片结构，复合贴片结构包括靠近螺栓端部的匹配层，远离螺栓的至少一层背衬层，以及位于匹配层和背衬层之间的至少一层压电层，超声波在背衬层远离压电层一侧表面发生多次反射。本申请提出的复合贴片结构有效缩窄超声信号，提升分辨率，实现声能的有效耦合，提升超声回波强度，解决长距离和高衰减问题；并且通过优化背衬层结构使超声波发生反射，提高检测分辨率。分辨率。分辨率。

【技术实现步骤摘要】
用于螺栓载荷超声波监测的复合贴片结构及贴片螺栓


[0001]本申请涉及风力发电检测领域，尤其涉及一种用于螺栓载荷超声波监测的复合贴片结构及贴片螺栓。

技术介绍

[0002]紧固连接螺栓是新能源装备结构安全的重要组成部分。由于过载或者螺栓松动导致的装备失效事故时有发生。因此，测量和监测螺栓载荷已经成为业界关注的重点。
[0003]目前通常采用在螺栓端部贴设一层毫米厚度的压电陶瓷传感材料，通过压电陶瓷材料实现超声波的收发，进而基于声弹性效应，进行螺栓载荷测量。
[0004]例如，专利CN207364060U公开了带有超声压电材料的螺栓结构，在螺栓头上端面设置凹槽区域，凹槽区域内设置一凸台，超声压电材料设置在凸台上表面，在凸台与凹槽区域的内壁之间形成围绕凸台的槽形区域。
[0005]这种单层的贴片结构存在以下问题：
[0006]①
单层贴片超声信号分辨率低，且峰值信号难以正确捕捉。由于贴片厚度较薄，当超声仪器利用高压脉冲机理压电陶瓷片时，接收到的超声波形是带有强烈余震的信号，在示波器上显示为一系列的峰值，难以确认基准信号；此外，在不同的载荷下，不同的峰值呈现此起彼伏的变化，采用捕捉最高峰值法等自动测量方法存在较大的误差。
[0007]②
单层贴片不适用于长度较大且材料声衰减较强的螺栓。由于压电陶瓷和螺栓材料的声阻抗不匹配，导致压电片产生的超声耦合到螺栓材料的效率较低，当螺栓较长或者声衰减较大时，往往得不到螺栓端面的回波信号，从而无法进行测量。
[0008]③<br/>单层贴片容易戳破。大尺寸螺栓端部通常存在一个用于消除应力的孔，如果压电陶瓷片太薄、且比较脆，当使用探针进行信号拾取时，容易戳破或者戳碎压电陶瓷片。
[0009]专利CN111293355A公开了在螺栓表面设置耐温耐磨智能螺栓用AlCrN/AlScN纳米复合压电涂层结构，AlCrN/AlScN纳米复合压电涂层采用梯度层结构，由内至外包括依次设置的结合层、过渡层、压电功能层和保护层，结合层为纯金属AlCr合金层，过渡层为AlCr/AlCrN纳米多层膜，压电功能层为AlCrN/AlScN纳米多层膜，保护层为AlCrON涂层。这种复合涂层结构能够提高螺栓端部抗腐蚀、耐磨性能，但是未解决贴片螺栓信号分辨率、信号衰减问题。
[0010]鉴于以上技术问题，特推出本技术。

技术实现思路

[0011]本技术的主要目的在于提供一种用于螺栓载荷超声波监测的复合贴片结构和贴片螺栓，有效缩窄超声信号，提升分辨率，实现声能的有效耦合，提升超声回波强度，解决长距离和高衰减问题。
[0012]根据以上目的，本申请提出一种用于螺栓载荷超声波监测的复合贴片结构，复合贴片结构包括靠近螺栓端部的匹配层，远离螺栓的至少一层背衬层，以及位于匹配层和背
衬层之间的至少一层压电层，超声波在背衬层远离压电层一侧表面发生多次反射。
[0013]进一步的，背衬层远离压电层一侧表面形成凸起。
[0014]进一步的，背衬层远离压电层一侧表面形成多个连续凸起，多个连续凸起在复合贴片结构的纵向截面呈现锯齿状。
[0015]进一步的，锯齿的顶角为45～60
°
。
[0016]进一步的，匹配层包括依次排布的第一匹配层，第二匹配层以及第三匹配层，第三匹配层靠近螺栓，第一匹配层、第二匹配层以及第三匹配层的阻抗值依次增大。
[0017]进一步的，第二匹配层沿复合贴片结构的纵向呈现一定弧度，以使超声波聚焦于螺栓。
[0018]进一步的，压电层的厚度为0.5～2mm。
[0019]进一步的，匹配层的厚度不大于所用超声波波长的四分之一。
[0020]进一步的，背衬层的厚度为5～10mm。
[0021]进一步的，复合贴片结构中心设有通孔。
[0022]应用本申请提出的复合贴片结构，至少实现了如下有益效果：
[0023]1、采用多层复合结构，在压电层两侧设置背衬层和匹配层，有效缩窄超声信号，提升分辨率；可实现声能的有效耦合，提升超声回波强度，解决长距离和高衰减问题；
[0024]2、通过在背衬层设置凸起结构，使得超声波在背衬层产生多次反射，从而起到困住超声波，抑制反射干扰信号；
[0025]3、通过设置多层匹配层使得压电晶片中的超声波能够最大限度的进入到螺栓中，并通过将中间匹配层设置为弧形结构，使得超声波产生聚焦效果，使得焦点位于螺栓底部；
[0026]4、通过在复合贴片结构中心设有通孔，可以有效保护贴片在测量过程中不被戳破。
[0027]本申请的另一个目的在于提出一种贴片螺栓，贴片螺栓包括复合贴片结构和螺栓，复合贴片结构位于螺栓端部的一侧。
[0028]进一步的，螺栓的一端设有凹槽，复合贴片结构设于凹槽的内部。
[0029]应用本申请提出的贴片螺栓，至少实现了如下有益效果：
[0030]1、贴片螺栓采用多层复合结构，在压电层两侧设置背衬层和匹配层，有效缩窄超声信号，提升分辨率；可实现声能的有效耦合，提升超声回波强度，解决长距离和高衰减问题；
[0031]2、通过在贴片螺栓的背衬层设置凸起结构，使得超声波在背衬层产生多次反射，从而起到困住超声波，抑制反射干扰信号；
[0032]3、通过在贴片螺栓设置多层匹配层使得压电晶片中的超声波能够最大限度的进入到螺栓中，并通过将中间匹配层设置为弧形结构，使得超声波产生聚焦效果，使得焦点位于螺栓底部；
[0033]4、通过在贴片螺栓的贴片结构中心设有通孔，可以有效保护贴片在测量过程中不被戳破。
附图说明
[0034]构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本技术的进一步理解，本实用
新型的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
[0035]图1示出了本申请实施例中的复合贴片结构示意图一；
[0036]图2示出了本申请实施例中的复合贴片结构示意图二；
[0037]图3示出了采用单层贴片超声信号检测结果；
[0038]图4示出了采用本方案超声信号检测结果；
[0039]图5示出了本申请实施例中贴片螺栓结构示意图。
[0040]其中，上述附图包括以下附图标记：
[0041]10、复合贴片结构；110、匹配层；120、背衬层；130、压电层；111、第一匹配层；112、第二匹配层；113、第三匹配层；20、螺栓；220、凹槽；122、凸起。
具体实施方式
[0042]需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
[0043]以下结合具体实施例对本技术作进一步详细描述，这些实施例不能理解为限制本技术所要求保护的范围。术语“包括”在使用时表明存在特征，但不排除存在或增加一个或多个其它特征；术语“横向”、“上”、本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于螺栓载荷超声波监测的复合贴片结构(10)，其特征在于，所述复合贴片结构(10)包括靠近所述螺栓端部的匹配层(110)，远离所述螺栓的至少一层背衬层(120)，以及位于所述匹配层(110)和所述背衬层(120)之间的至少一层压电层(130)，超声波在所述背衬层(120)远离所述压电层(130)一侧表面发生多次反射。2.根据权利要求1所述的复合贴片结构(10)，其特征在于，所述背衬层(120)远离所述压电层(130)一侧表面形成凸起(122)。3.根据权利要求2所述的复合贴片结构(10)，其特征在于，所述背衬层(120)远离所述压电层(130)一侧表面形成多个连续凸起(122)，多个连续凸起(122)在所述复合贴片结构(10)的纵向截面呈现锯齿状。4.根据权利要求3所述的复合贴片结构(10)，其特征在于，所述锯齿的顶角为45～60
°
。5.根据权利要求1
‑
4任一项所述的复合贴片结构(10)，其特征在于，所述匹配层(110)包括依次排布的第一匹配层(111)，第二匹配层(112)以及第三匹配层(113)，所述第三匹配层(113)靠近所述螺栓，所述第一匹配层(111)、所述第二匹配层(112)以及所述第三匹配...

【专利技术属性】
技术研发人员：马驰，张玉霞，张俊，杨兵，
申请(专利权)人：中广核风电有限公司，
类型：新型
国别省市：