本發(fā)明主要用于土木工程以及機(jī)械工程的螺栓連接領(lǐng)域，具體而言，螺栓在施工工程中由于受到機(jī)械扭矩進(jìn)行緊固，不同機(jī)械扭矩體現(xiàn)在螺栓上則是受力狀態(tài)不同。利用這個(gè)特點(diǎn)，當(dāng)螺栓連接界面發(fā)生松動(dòng)時(shí)，超聲波的傳播路徑會(huì)被影響，智能螺栓進(jìn)行發(fā)射和接收信號(hào)就會(huì)發(fā)生變化，而利用接收到的信號(hào)能量的變化可以反過(guò)來(lái)推測(cè)螺栓連接界面所處的狀態(tài)，包括主動(dòng)監(jiān)測(cè)，被動(dòng)監(jiān)測(cè)方法和螺栓阻抗變化情況。這種基于壓電陶瓷的智能螺栓裝置為工程上螺栓連接動(dòng)態(tài)受力監(jiān)測(cè)提供一種簡(jiǎn)便可行的方法。

背景技術(shù)：

螺栓連接是現(xiàn)在連接方式中最重要的方式之一?，F(xiàn)代大型土木結(jié)構(gòu)，例如大跨度鋼橋，超高層建筑以及大型輸電塔等結(jié)構(gòu)中，螺栓都是之中不可或缺的連接方式，所以螺栓可靠性是保證工程質(zhì)量及結(jié)構(gòu)正常服役的基礎(chǔ)。因此，螺栓在施工階段的安裝質(zhì)量以及服役階段的連接狀況越來(lái)越受到人們的重視。

壓電陶瓷作為一種新型的智能材料運(yùn)用在很多方面。它具有的壓電效應(yīng)是任何壓電材料都具有的一項(xiàng)重要特性。在滿足一定的溫度條件下，當(dāng)對(duì)壓電元件施加機(jī)械變形時(shí)，就會(huì)引起內(nèi)部正負(fù)電荷中心發(fā)生相對(duì)移動(dòng)而產(chǎn)生點(diǎn)的極化，從而導(dǎo)致元件兩個(gè)表面上出現(xiàn)符號(hào)相反的束縛電荷，且電荷密度與外力成比例，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。反之，在壓電元件兩個(gè)表面上施加電壓，由于電場(chǎng)的作用，造成壓電元件內(nèi)部正負(fù)電荷中心產(chǎn)生相對(duì)位移，導(dǎo)致壓電元件的變形，即逆壓電效應(yīng)。本發(fā)明正是利用壓電陶瓷所特有的這種正壓電與逆壓電效應(yīng)。

對(duì)傳統(tǒng)螺栓施工而言，螺栓眾多，施工工程中很難判斷螺栓是否達(dá)到該有的預(yù)緊力。施工過(guò)程監(jiān)測(cè)不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力而且對(duì)于一些特殊結(jié)構(gòu)的檢測(cè)還具有一 定危險(xiǎn)性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述問(wèn)題，一種用于監(jiān)測(cè)螺栓連接動(dòng)態(tài)受力狀況的智能螺栓裝置，智能螺栓裝置的實(shí)物模型(如圖1)，主要由三部分構(gòu)成，一部分是原始的螺栓，一部分開(kāi)槽的環(huán)形保護(hù)槽，剩下一部分是環(huán)形/片形壓電陶瓷。

需要說(shuō)明的是智能螺栓監(jiān)測(cè)螺栓動(dòng)態(tài)受力可以是主動(dòng)監(jiān)測(cè)，也可以根據(jù)螺栓與壓電陶瓷整體阻抗值變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

主動(dòng)監(jiān)測(cè)是指智能螺栓與一些其他主動(dòng)監(jiān)測(cè)的方法進(jìn)行搭配使用，螺栓動(dòng)態(tài)受力工程中連接的界面會(huì)發(fā)生改變，從而智能螺栓發(fā)射的超聲波信號(hào)所經(jīng)過(guò)的路徑的改變，導(dǎo)致接收的超聲波信號(hào)改變，根據(jù)接收的信號(hào)改變信息可以判斷出螺栓所處的受力狀態(tài)。

機(jī)械阻抗法是利用了壓電陶瓷的力－電耦合特性，是一種綜合考慮壓電陶瓷動(dòng)態(tài)特性和被測(cè)結(jié)構(gòu)阻抗信息的一種實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法。在這種方法中，同一壓電陶瓷片既作傳感器又作驅(qū)動(dòng)器。其原理為：一端粘貼在結(jié)構(gòu)上的壓電陶瓷片在交變電壓V的作用下產(chǎn)生縱向伸縮的高頻振動(dòng)，這使得壓電陶瓷片耦合了周圍結(jié)構(gòu)振動(dòng)的信息，從而結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性可以通過(guò)測(cè)量壓電片的阻抗特性來(lái)獲取。由壓電陶瓷的振動(dòng)方程得到，與頻率有關(guān)的電導(dǎo)納表達(dá)式如式(1)所示，其中，l_a,w_a,和h_a分別為壓電陶瓷片的長(zhǎng)度、寬度和厚度，d₃₁是壓電應(yīng)變常數(shù)， 是壓電陶瓷在常壓應(yīng)力情況下的復(fù)介電常數(shù)。為壓電陶瓷材料在常電場(chǎng)情況下的復(fù)彈性模量，δ和η分別表示壓電陶瓷的介電損失因子和機(jī)械損失因子。ω、κ、Z_a和Z分別表示角頻率、波數(shù)、壓電陶瓷的機(jī)械阻抗和主體結(jié)構(gòu)的機(jī)械阻抗。

一種用于監(jiān)測(cè)螺栓連接動(dòng)態(tài)受力狀況的智能螺栓裝置，包括螺栓1、環(huán)形壓電陶瓷2、保護(hù)殼3、導(dǎo)線口4、環(huán)形壓電陶瓷槽5和導(dǎo)線6；環(huán)形壓電陶瓷2的正負(fù)極焊接導(dǎo)線6，對(duì)焊接好導(dǎo)線的環(huán)形壓電陶瓷2涂覆一層環(huán)氧樹(shù)脂；保護(hù)殼3上開(kāi)有環(huán)形壓電陶瓷槽5，環(huán)形壓電陶瓷槽5內(nèi)涂覆環(huán)氧樹(shù)脂保護(hù)層，環(huán)形壓電陶瓷2安裝到環(huán)形壓電陶瓷槽5內(nèi)，導(dǎo)線通過(guò)保護(hù)殼3上的導(dǎo)線口4引出，連接外部電源；整體安裝到螺栓1上，兩部分通過(guò)焊接或者粘接方式結(jié)合。在環(huán)形壓電陶瓷槽5處也填充環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行保護(hù)處理，待環(huán)氧樹(shù)脂完全風(fēng)干后用萬(wàn)用表監(jiān)測(cè)智能螺栓是否短路。

本發(fā)明的有益效果：

1、此裝置依靠壓電陶瓷具有的壓電效應(yīng)，最終利用電信號(hào)檢測(cè)界面以及螺栓狀態(tài)，不需要人工現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，省時(shí)省力。而且對(duì)于螺栓的安裝以及整體結(jié)構(gòu)的性能沒(méi)有影響。

2、此裝置可以使用多種監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行螺栓動(dòng)態(tài)受力監(jiān)測(cè)?？梢允侵鲃?dòng)監(jiān)測(cè)方法，也可以利用壓電阻抗方法進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

3、本發(fā)明構(gòu)造簡(jiǎn)單，零件較少，制作和安裝過(guò)程簡(jiǎn)單，適用性強(qiáng)，成本低且維護(hù)方便，能有效監(jiān)測(cè)出螺栓動(dòng)態(tài)受力狀態(tài)，具有廣闊的推廣市場(chǎng)和應(yīng)用前景。

附圖說(shuō)明

圖1是一種用于監(jiān)測(cè)螺栓連接動(dòng)態(tài)受力狀況的智能螺栓裝置前視圖。

圖2是一種用于監(jiān)測(cè)螺栓連接動(dòng)態(tài)受力狀況的智能螺栓裝置整體俯視圖。

圖中：1螺栓；2環(huán)形壓電陶瓷；3保護(hù)殼；4導(dǎo)線口；5環(huán)形壓電陶瓷槽；

6導(dǎo)線。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和技術(shù)方案，進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的具體實(shí)施方式。

本發(fā)明提供了一種用于監(jiān)測(cè)螺栓動(dòng)態(tài)受力的智能螺栓裝置，具體實(shí)施方式如下：

智能螺栓的螺栓1和保護(hù)殼3采用Q235鋼材料制成，具有較強(qiáng)的強(qiáng)度和以及一定的韌性。將保護(hù)殼3做出一個(gè)比環(huán)形壓電陶瓷2尺寸稍微大一些的環(huán)形壓電陶瓷槽5，并在此保護(hù)殼3邊緣做出一個(gè)用于連接環(huán)形壓電陶瓷2正負(fù)極的導(dǎo)線口槽。環(huán)形壓電陶瓷2事先要進(jìn)行以下處理：選用厚度較薄、尺寸略小于保護(hù)殼環(huán)形槽口的壓電陶瓷片，在壓電陶瓷表面正負(fù)極焊接導(dǎo)線6。在焊接完導(dǎo)線的壓電陶瓷表面涂敷環(huán)氧樹(shù)脂涂層，涂敷環(huán)氧樹(shù)脂是為了保證焊接完導(dǎo)線的壓電陶瓷的絕緣性，待環(huán)氧樹(shù)脂完全風(fēng)干后安裝到環(huán)形壓電陶瓷槽5內(nèi)，安裝過(guò)程中也要用環(huán)氧樹(shù)脂填充環(huán)形壓電陶瓷2和環(huán)形壓電陶瓷槽5之間的間隙，這是為了進(jìn)行信號(hào)的有效傳遞以及防水保護(hù)。待環(huán)氧樹(shù)脂風(fēng)干之后用萬(wàn)用表檢測(cè)環(huán)形壓電陶瓷正負(fù)極絕緣性，絕緣良好安裝到普通螺栓1螺帽內(nèi)側(cè)，兩者之間進(jìn)行焊接或者粘接均可。

此外此智能螺栓裝置可以根據(jù)檢測(cè)對(duì)象做一些變化，其可改變之處主要包括保護(hù)層開(kāi)槽形狀以及尺寸，壓電陶瓷片的幾何外形尺寸，壓電陶瓷型號(hào)等一些主要參數(shù)的選擇應(yīng)用，還有就是智能螺栓的安裝位置和數(shù)量等。