一种用于监测螺栓连接动态受力状况的智能螺栓装置的制作方法

本实用新型主要用于土木工程以及机械工程的螺栓连接领域，具体而言，螺栓在施工工程中由于受到机械扭矩进行紧固，不同机械扭矩体现在螺栓上则是受力状态不同。利用这个特点，当螺栓连接界面发生松动时，超声波的传播路径会被影响，智能螺栓进行发射和接收信号就会发生变化，而利用接收到的信号能量的变化可以反过来推测螺栓连接界面所处的状态，包括主动监测，被动监测方法和螺栓阻抗变化情况。这种基于压电陶瓷的智能螺栓装置为工程上螺栓连接动态受力监测提供一种简便可行的方法。

背景技术：

螺栓连接是现在连接方式中最重要的方式之一。现代大型土木结构，例如大跨度钢桥，超高层建筑以及大型输电塔等结构中，螺栓都是之中不可或缺的连接方式，所以螺栓可靠性是保证工程质量及结构正常服役的基础。因此，螺栓在施工阶段的安装质量以及服役阶段的连接状况越来越受到人们的重视。

压电陶瓷作为一种新型的智能材料运用在很多方面。它具有的压电效应是任何压电材料都具有的一项重要特性。在满足一定的温度条件下，当对压电元件施加机械变形时，就会引起内部正负电荷中心发生相对移动而产生点的极化，从而导致元件两个表面上出现符号相反的束缚电荷，且电荷密度与外力成比例，这种现象称为正压电效应。反之，在压电元件两个表面上施加电压，由于电场的作用，造成压电元件内部正负电荷中心产生相对位移，导致压电元件的变形，即逆压电效应。本实用新型正是利用压电陶瓷所特有的这种正压电与逆压电效应。

对传统螺栓施工而言，螺栓众多，施工工程中很难判断螺栓是否达到该有的预紧力。施工过程监测不仅费时费力而且对于一些特殊结构的检测还具有一定危险性。

技术实现要素：

为了解决上述问题，一种用于监测螺栓连接动态受力状况的智能螺栓装置，智能螺栓装置的实物模型(如图1)，主要由三部分构成，一部分是原始的螺栓，一部分开槽的环形保护槽，剩下一部分是环形/片形压电陶瓷。

需要说明的是智能螺栓监测螺栓动态受力可以是主动监测，也可以根据螺栓与压电陶瓷整体阻抗值变化进行监测。

主动监测是指智能螺栓与一些其他主动监测的方法进行搭配使用，螺栓动态受力工程中连接的界面会发生改变，从而智能螺栓发射的超声波信号所经过的路径的改变，导致接收的超声波信号改变，根据接收的信号改变信息可以判断出螺栓所处的受力状态。

机械阻抗法是利用了压电陶瓷的力－电耦合特性，是一种综合考虑压电陶瓷动态特性和被测结构阻抗信息的一种实时监测方法。在这种方法中，同一压电陶瓷片既作传感器又作驱动器。其原理为：一端粘贴在结构上的压电陶瓷片在交变电压V的作用下产生纵向伸缩的高频振动，这使得压电陶瓷片耦合了周围结构振动的信息，从而结构的振动特性可以通过测量压电片的阻抗特性来获取。由压电陶瓷的振动方程得到，与频率有关的电导纳表达式如式(1)所示，其中，l_a,w_a,和h_a分别为压电陶瓷片的长度、宽度和厚度，d₃₁是压电应变常数，是压电陶瓷在常压应力情况下的复介电常数。为压电陶瓷材料在常电场情况下的复弹性模量，δ和η分别表示压电陶瓷的介电损失因子和机械损失因子。ω、κ、Z_a和Z分别表示角频率、波数、压电陶瓷的机械阻抗和主体结构的机械阻抗。图1是用压电陶瓷驱动的机械系统机电耦合模型。

I＝i sin(ωt+φ)

压电陶瓷驱动的机械系统机电耦合模型

一种用于监测螺栓连接动态受力状况的智能螺栓装置，包括螺栓1、环形压电陶瓷2、保护壳3、导线口4、环形压电陶瓷槽5和导线6；环形压电陶瓷2的正负极焊接导线6，对焊接好导线的环形压电陶瓷2涂覆一层环氧树脂；保护壳3上开有环形压电陶瓷槽5，环形压电陶瓷槽5内涂覆环氧树脂保护层，环形压电陶瓷2安装到环形压电陶瓷槽5内，导线通过保护壳3上的导线口4引出，连接外部电源；整体安装到螺栓1上，两部分通过焊接或者粘接方式结合。在环形压电陶瓷槽5处也填充环氧树脂进行保护处理，待环氧树脂完全风干后用万用表监测智能螺栓是否短路。

本实用新型的有益效果：

1、此装置依靠压电陶瓷具有的压电效应，最终利用电信号检测界面以及螺栓状态，不需要人工现场检测，省时省力。而且对于螺栓的安装以及整体结构的性能没有影响。

2、此装置可以使用多种监测方法进行螺栓动态受力监测。可以是主动监测方法，也可以利用压电阻抗方法进行实时监测。

3、本实用新型构造简单，零件较少，制作和安装过程简单，适用性强，成本低且维护方便，能有效监测出螺栓动态受力状态，具有广阔的推广市场和应用前景。

附图说明

图1是一种用于监测螺栓连接动态受力状况的智能螺栓装置前视图。

图2是一种用于监测螺栓连接动态受力状况的智能螺栓装置整体俯视图。

图中：1螺栓；2环形压电陶瓷；3保护壳；4导线口；5环形压电陶瓷槽；

6导线。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明本实用新型的具体实施方式。

本实用新型提供了一种用于监测螺栓动态受力的智能螺栓装置，具体实施方式如下：

智能螺栓的螺栓1和保护壳3采用Q235钢材料制成，具有较强的强度和以及一定的韧性。将保护壳3做出一个比环形压电陶瓷2尺寸稍微大一些的环形压电陶瓷槽5，并在此保护壳3边缘做出一个用于连接环形压电陶瓷2正负极的导线口槽。环形压电陶瓷2事先要进行以下处理：选用厚度较薄、尺寸略小于保护壳环形槽口的压电陶瓷片，在压电陶瓷表面正负极焊接导线6。在焊接完导线的压电陶瓷表面涂敷环氧树脂涂层，涂敷环氧树脂是为了保证焊接完导线的压电陶瓷的绝缘性，待环氧树脂完全风干后安装到环形压电陶瓷槽5内，安装过程中也要用环氧树脂填充环形压电陶瓷2和环形压电陶瓷槽5之间的间隙，这是为了进行信号的有效传递以及防水保护。待环氧树脂风干之后用万用表检测环形压电陶瓷正负极绝缘性，绝缘良好安装到普通螺栓1螺帽内侧，两者之间进行焊接或者粘接均可。

此外此智能螺栓装置可以根据检测对象做一些变化，其可改变之处主要包括保护层开槽形状以及尺寸，压电陶瓷片的几何外形尺寸，压电陶瓷型号等一些主要参数的选择应用，还有就是智能螺栓的安装位置和数量等。