证示使能的紧固件以及相关的系统和方法
【技术领域】
[0001] 本公开涉及紧固件。更具体地，公开的实施例涉及用于指示紧固件上的力的水平 的系统和方法。
【背景技术】
[0002] -般，紧固件是有时暂时地机械结合两个或多个物体的硬件装置。例如，螺栓是一 种类型的紧固件，其在一些情况中具有螺纹轴和头部。通过将螺纹轴拧入第二物体中的互 补螺纹孔内而能够机械结合螺栓和第二物体，诸如螺母或基底。典型地，一个或多个其它物 体被放置在头部和第二物体之间。在此种情况下，机械结合螺栓和第二物体可将一个或多 个其它物体夹紧在头部和第二物体之间。
[0003] 在一些情形中，期望的是知道紧固件何时拧紧不足、过度拧紧和/或被不适当地 放置。例如，如果螺栓在第二物体中拧紧不足，则一个或多个其它物体可能在头部和第二物 体之间未被适当地夹紧。但如果螺栓过度拧紧，则夹紧在其间的轴、第二物体和/或一个或 多个其它物体可变为受损。类似地，在孔内未适当放置的螺栓可损坏轴和第二物体。
[0004] 存在这样的扭矩扳手，其包括允许螺栓的头部扭转至与扭矩设定相关联的预定水 平的扭矩设定。然而，此类装置存在各种问题。例如，当螺栓的轴不适当地放置（例如，错 扣）在第二物体内时，扭矩扳手一般并不指示用户。此外，当使用扭矩扳手检查先前拧紧的 紧固件时，扭矩扳手一般不能确定紧固件是否在未增加扭矩设定的情况下扭转超过了预定 水平，扭转设定如果因此增加，将可能造成进一步损坏。此外，用扭矩扳手测试紧固件一般 需要扭矩扳手与紧固件的机械啮合，导致大量的扭矩测试时间。
[0005] 因此，存在对用于确定紧固件上的扭矩（或其它力）的改进的设备、和/或相关系 统和/或方法的需要。
【发明内容】
[0006] 本文公开的是可解决上述问题以及其它问题的设备、方法和系统的各种示例。
[0007] 在一个示例中，紧固装置可包括第一构件，其经配置与第二构件用力啮合 (forcefully engage)。第一构件可包括传感器，该传感器包括嵌入聚合物中的焚光染料。 荧光染料可具有这样的属性，即当第一构件和第二构件啮合时至少预定的第一扭矩水平被 施加至第一构件时，荧光染料依据施加至第一构件用于将第一光致发光信号发射至探测器 的力而变化。在一些实施例中，第一光致发光信号可与自传感器发射的第一光子的表征波 长相对应，以响应于传感器对第二光子的吸收。与用于产生色彩变化的第二光子的表征波 长相比，可以变换第一光子的表征波长。
[0008] 在另一个示例中，一种方法可包括将第一构件与第二构件啮合。第一构件可包括 传感器，该传感器经配置在第一构件和第二构件啮合时发射第一光致发光信号，该信号指 示被施加至第一构件的期望的预定水平的扭矩。该方法可还包括当第一构件和第二构件啮 合时相对于第二构件扭转第一构件，使得传感器发射第一光致发光信号。
[0009] 在另一个示例中，一种方法可包括当第一构件与第二构件用力啮合时，通过探测 器接收来自包括在第一构件中的传感器的第一光致发光信号。第一光致发光信号可指示被 施加至第一构件的第一扭矩水平。第一扭矩水平可与第一构件与第二构件的用力啮合相关 联。
[0010] 在另一个示例中，一种系统可包括紧固件和检测装置。紧固件可包括经配置与第 二构件用力啮合的第一构件。第一构件可包括经配置发射第一光致发光信号的传感器。第 一光致发光信号可指示当第一构件和第二构件啮合时被施加至第一构件的至少第一扭矩 水平。检测装置可经配置接收来自传感器的第一光致发光信号。在一些实施例中，检测装置 可经配置通过将包括在第一光致发光信号内的光谱信息与标准相比，确定第一扭矩水平。
[0011] 在另一个示例中，工具可包括拧紧装置和检测装置。拧紧装置可经配置将力施加 至与第二构件啮合的第一构件。检测装置可耦合至拧紧装置。检测装置可经配置接收从第 一构件发射的光致发光信号。光致发光信号可指示由拧紧装置施加至第一构件的力的水 平。
[0012] 在另一个示例中，垫圈可包括结构构件和传感器。结构构件可具有第一和第二相 对表面，通过第一和第二相对表面，可以限定用于接收紧固构件的轴的中心孔眼。可在第一 和第二表面中的一个或多个上涂覆传感器。传感器可包括嵌入有荧光染料的聚合物层。荧 光染料可具有属性，该属性依据施加至结构构件用于发射光致发光信号的力而变化，其中 光致发光信号指示通过紧固构件的头部部分和另一个构件传输至结构构件的力的水平，在 所述另一个构件中，轴相对于结构构件与头部部分相对地延伸。
[0013] 本公开提供了与指示紧固件上的诸如扭矩或其它力的应力相关联的各种设备、系 统和方法。在一些实施例中，设备、系统和/或方法可以使能经由接收来自包括在紧固件中 的传感器的光致发光信号来监控和/或测试紧固件上的扭矩（或其它力）水平。
[0014] 可以在本公开的各种实施例中独立地或者在其它实施例中组合地实现特征、功能 和优点，其进一步细节可以参考下述说明和附图获得。
【附图说明】
[0015] 图1是示例性系统的概括框图，该示例性系统包括第一构件和第二构件，以及检 测装置，包括在第一构件内的传感器将基线光致发光信号发射至包括在检测装置内的探测 器。
[0016] 图2是图1的系统的概括框图，其示出了用力啮合的第一构件和第二构件，并且传 感器将"拧紧不足"的光致发光信号发射至探测器。
[0017] 图3是类似于图2的概括框图，但示出了第一构件和第二构件进一步用力啮合，并 且传感器将"恰当拧紧"的光致发光信号发射至探测器。
[0018] 图4是类似于图3的概括框图，但示出了第一构件和第二构件更进一步用力啮合， 并且传感器将"过度拧紧"的光致发光信号发射至探测器。
[0019] 图5是具有涂覆有传感器的内部沟道的第一构件（此处示为螺栓）和具有螺纹孔 眼用于接收第一构件的第二构件的半示意性透视图。
[0020] 图6是图5的彼此啮合的第一构件和第二构件以及包括拧紧装置和检测装置的工 具的半示意性横截面图，其中拧紧装置具有经配置将力（例如，扭矩）施加至第一构件的承 窝，并且检测装置包括用于经由承窝接收来自传感器的光致发光信号的探测器。
[0021] 图7是从探测器的视角看去的图6的第一构件的俯视图，其描绘了发射多个光致 发光信号的传感器。
[0022] 图8是螺栓、表面涂覆有传感器的垫圈、以及包括螺纹孔眼以用于接收螺栓的螺 纹轴的第三构件的半示意性透视图。
[0023] 图9是图8的彼此啮合的螺栓、垫圈和第三构件以及类似于图6的工具仅包括检 测装置的工具的半示意性横截面图，其中检测装置经配置接收来自涂覆在垫圈上的传感器 的光致发光信号。
[0024] 图10是描绘了一种方法的流程图。
[0025] 图11是描绘了另一种方法的流程图。
[0026] 图12是说明的数据处理系统的各种组件的示意图。
【具体实施方式】
[0027] 以下描述并在相关附图中示出各种实施例。除非另外说明，否则实施例和/或其 各种组件可以，但不要求包含所述、所示和/或并入本文中的结构、组件、功能和/或变体中 的至少一个。此外，结合本教导的所述、所示和/或并入本文中的结构、组件、功能和/或变 体可以但不要求包括在其它类似实施例中。以下各种实施例的描述本质上仅是示例性的并 且决不旨在限制本公开、其应用或用途。另外，如下所述，由实施例提供的优势本质上是说 明性的并且不是所有实施例都提供相同优势或相同程度的优势。
[0028] 在一些实施例中，两个或多个材料可集成至紧固件和/或衬底中。材料可被配置 使得在适当紧固技术被应用至紧固件（和/或衬底）时，材料的属性变化以指示紧固件（和 /或衬底）的恰当嗤合和/或安装。例如，紧固件可包括分离的锁定螺母（split locknut)。 分离的自锁螺母可包括传感器，诸如具有各自属性的两个区段。当完全啮合两个区段时，属 性可以某种方式混合（或否则相互作用），从而如果被恰当安装则变为绿色（或另一种颜 色，或发射另一种信号），并且如果过度拧紧则变为红色（或另一种颜色，或发射另一种信 号）。在一些示例中，传感器可变为黄色（或另一种颜色，或发射另一种信号），从而指示 在安装之前和/或安装期间拧紧（和/或啮合）不完全的情况。紧固件过热和/或磨损能 够形成"红色"情况。荧光的外部照明可包括紫外（UV)线发射器，红外（IR)线发射器，或 者任何其它合适的照明的光谱增强源（或者发射器），或它们的组合。例如，传感器"变为 绿色"可对应于来自传感器的第一光致发光信号的发射，以响应于由发射器所发射的电磁 (EM)辐射的吸收。
[0029] 示例、组件和替换形式
[0030] 以下示例描述了示例性设备的所选方面以及相关系统和/或方法。这些示例旨在 进行说明并且不应理解为限制本公开的整个范围。每个示例可包括一个或多个独特发明， 和/或上下文或相关信息、功能和/或结构。
[0031] 示例 1 :
[0032] 该示例描述了包括第一构件102、第二构件104和检测装置106的示例性系统 100,参见图1-4。
[0033] 第一构件102可经配置与第二构件104用力啮合。例如，第一构件102可包括螺 栓（例如，如图5-7所示）、垫圈（例如，如图8和图9所示）、螺母、锁止螺母（例如，尼龙 锁止螺母或尼龙锁（ny-lock))、基底，该基底具有用于接收轴、夹紧件、铆钉、夹具和/或经 配置与另一构件用力啮合的任何其它合适的紧固构件的螺纹孔眼。例如，如果第一构件102 包括螺栓，则第二构件104可包括具有螺纹的孔眼，螺栓的螺纹轴可与该螺纹用力啮合。类 似地，如果第一构件102包括垫圈，则第二构件104可包括螺栓、螺母和/或垫圈可与之用 力啮合的另一种基底型紧固构件。
[0034] 如图1-4所示，第一构件102可包括传感器108。传感器108可经配置发射一个 或多个光致发光信号。一个或多个光致发光信号可分别指示施加至第一构件102的一个或 多个水平的力，如以下更详细的描述。例如，在一些实施例中，传感器108可包括嵌入在聚 合物中的荧光染料。荧光染料可具有这样的属性，即依据施加至第一构件102以发射一个 或多个光致发光信号的力而变化。此类组分的示例被公开在美国专利No. 8, 720, 278中，将 其完整结合在此作为参考用于所有目的。在其它实施例中，传感器108可包括两个或多个 反应物，并且施加至第一构件102的一个或多个预定力水平可经配置将那些反应物中的两 个或多个带入到彼此邻近，从而形成用于响应于激发（例如，吸收的电磁辐射）而发射一个 或多个光致发光信号的一个或多个微粒传感器材料（或其它合适的组分）。在美国专利申 请No. 2008/0204752中公开了此类微粒传感器材料的示例，将其完整结合在此作为参考用 于所有目的。
[0035] 如图所示，传感器108可经配置发射第一光致发光信号S1 (参见图3)。信号S1可 指示当构件102、104啮合时预定的第一水平的力诸如第一扭矩水平T1何时被施加至第一 构件102。例如，第一力水平可对应于将构件102、104紧固在一起的期望的和/或恰当水平 的力F1，该水平的力可与扭矩水平T1相关联。
[0036] 此外或可替换地，传感器108可经配置发射第二光致发光信号S2(参见图4)。信 号S2可指示当构件102、104啮合时预定的第二水平的力诸如第二扭矩水平T2何时被施加 至第一构件102。例如，第二水平的力可对应于用于将构件102、104紧固在一起的预定的 不期望和/或不恰当水平的力F2,该力可与扭矩水平T2相关联。尤其是，第二扭矩水平T2 可对应于第一构件102相对于（和/或在其上，和/或在其内的）第二构件104的过度扭 转（或过度拧紧）。更具体地，第二扭矩水平T2可以大于（例如，在幅度上）第一扭矩水平 T1。在一些实施例中，信号S2可指示被施加至第一构件102的扭矩已超过扭矩水平T1至 少阈值量的扭矩。例如，阈值量可对应于超过扭矩水平T1的扭矩量（例如，水平T2可对应 于水平T1的110%，或者其它预定百分比，并且阈值量可对应于水平T2、T1或其部分之间 的差值），该扭矩量可以损坏一个或多个构件102、104和/或可导致构件102、104之间的弱 化的或否则不期望的紧固界面。
[0037] 此外或可替换地，传感器108可经配置发射第三光致发光信号S3 (参考图2)。信 号S3可指示当构件102、104啮合时预定的第三水平的力诸如第三扭矩水平T3何时被施加 至第一构件102。第三水平的力可对应于用于将构件102、104紧固在一起的不合适的第三 水平的力F3。尤其是，第三扭矩水平T3可对应于第一构件102相对于（和/或在其上，和 /或在其内的）第二构件104的扭转不足（或拧紧不足）。更具体地，第三扭矩水平T3可 以少于（例如，在幅度上）第一扭矩水平T1。
[0038] 在一些实施例中，第一扭矩水平T1可以是至少3英尺镑（ft-lbs)或4. 1牛顿米 (Nm)。然而，基于本申请的各种参数，诸如构件102、104中的一个或多个的材料组分（和/ 或其特征），第一扭矩水平T1可以大于或小于3英尺镑（4. INm)。例如，第一扭矩水平T1 可对应于下列示例性表中的任何一个扭矩水平，其对于特定的应用可以是适合的（和/或 是预选的）。
[0039]
[0040] 这样，通过包括在第一构件102中的传感器108发射一个或多个信号S1、S2、S3可 允许用户和/或工具经由第一构件102的（例如，在视觉或非视觉光谱中的）光学检测来 监控和/或测试被施加至第一构件102 (例如，相对于第二构件104)的力水平（例如，扭矩 水平）。此种光学检测可允许用户和/或工具（或自动系统）更准确地和/或更有效地监 控和/或测试第一构件102上的力水平，尤其是与预先存在的一般涉及机械测试紧固件上 的力水平的方法相比。
[0041] 更具体地，检测装置106可包括探测器（还被称为聚光器件）110、发射器（还被 称为照明光学器件）112和电路114。探测器110可经配置接收信号S1 (和/或来自传感 器108的任何其它光致发光信号）。例如，探测器110可包括电子光探测器（electronic photo-detector)。此类探测器的示例包括光电倍增管（PMT)、光电二极管、雪崩光电二极 管、电耦合装置（CCD)、互补金属氧化物半导体（CMOS)装置等。因此，探测器110可以是点 探测器或成像探测器。在一些实施例中，探测器110可包括人眼，在该情况下，探测器