[实用新型]一种用于螺栓松动监测的压电纤维智能垫片

说明书

本实用新型公开了一种用于螺栓松动监测的压电纤维智能垫片。所述智能垫片包括垫片和压电纤维传感器，所述垫片由“阶梯状”上垫片和“阶梯状”下垫片啮合组成，在周向形成U形凹槽，所述压电纤维传感器为环形结构，布置在上下垫片形成的U形凹槽处，由敏感元件、环氧树脂组成；该智能垫片利用压电纤维传感器感知螺栓预紧力大小，监测输出信号变化波动，判断螺栓松动或失效情况，实现螺栓连接状态实时监测；该智能垫片的敏感元件是利用多根环形阵列的压电纤维进行并联组成，能均匀感知作用在垫片上的预紧力变化，灵敏度高，适用于各种螺栓连接件，能够承受一定的冲击载荷，可用于恶劣工况下的螺栓状态监测，应用市场广。

技术领域

本实用新型属于螺栓连接状态监测技术领域，提供了一种用于螺栓松动监测的压电纤维智能垫片用于实时监测螺栓连接状态。

背景技术

螺栓连接作为联接可拆卸部件和传递载荷的连接方式，被广泛的应用于机械、交通、电力、土木等各个行业中，其联接状态直接影响整个结构或者设备是否能正常工作，关系到整体的可靠性和安全性。在长期工作或者处于循环载荷的冲击和强迫振动的环境下，螺栓经常会出现松动或者失效等情况，导致设备寿命下降，甚至造成严重安全事故和重大财产损失。而对于工作在恶劣环境和复杂工况下的螺栓，其松紧程度和失效更难以直接判断。为了避免联接状态未达到正常要求的螺栓导致的灾难性后果，对螺栓连接状态实时在线监测显得尤为重要。

常用的螺栓紧固力测试方法有扭矩扳手法、电阻应变片电测法、光测力学法等，但是这些测试方法普遍存在效率低、精度不准确、受到螺栓安装形式的限制，很多工作场合难以实现等不足。现在采用压电材料主动式传感方式的螺栓联接状态检测技术由于其动态响应快，检测精度高，灵敏度高，适用范围宽、使用方便等优点受到广大研究者们青睐。其工作原理为利用布置在螺栓连接件的压电纤维传感器的压电特性进行感知应力应变等物理量，输出电信号，分析信号能量损耗和螺栓预紧力之间的关系，判断螺栓连接状态。

由于压电陶瓷传感器不耐冲击，易碎裂，性能不稳定，难以在循环载荷的冲击和强迫振动的环境中长期使用。而市面上比较的普遍的柔性压电传感器含金属芯压电纤维和MFC价格昂贵，制备工艺复杂，PVDF压电性能受环境温度影响波动很大。申请公开号CN107355464A发明专利公布了一种用于监测螺栓松动的堆栈式压电陶瓷智能垫片中并未克服传统压电陶瓷元件脆性大、硬度高，不耐冲击及振动的问题。申请公开号CN109632157A的发明专利公布了一种螺栓结合面动态应力装置中使用的PVDF压电薄膜不适用于工作温度恶劣的环境。

因此本专利阐述了一种用于螺栓松动监测的压电纤维智能垫片，该智能垫片设计阶梯状上下垫片相互啮合，传感器放置在啮合形成的U形凹槽处，保护传感器在螺栓预紧过程中不被过大扭矩破坏；利用具有一定韧性、性能优越的压电纤维高效感知螺栓连接界面间的应力应变物理量变化；采用多根压电纤维环形阵列，进行并联连接，均匀感知螺栓连接状态并提高输出的检测信号幅度；环氧树脂充当敏感元件的保护层和绝缘层，能够承受一定的冲击载荷及振动，制备工艺简单，加工成本低，耐候性强，适用于复杂工况。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于提供一种用于螺栓松动监测的压电纤维智能垫片，旨在实时监测螺栓连接件联接状态，利用压电传感器的压电效应特性，即外力加载到压电传感器上，外力使压电传感器形变，通过压电效应把输入的机械能转换为电信号。对螺栓顶部施加一定量的周期激励作为标定激励，此时，智能垫片中的压电纤维传感器发生一定形变，其利用自身压电效应特性将感知的应力应变量转换成电信号；采集智能垫片中压电纤维传感器所产生的电信号，以此信号作为基准信号；定时施加标定激励，将不同时间段所采集的电信号与基准信号进行对比，通过监测信号的差异程度，即可判断螺栓连接状态，进行实时预警，及时拧紧螺栓或者进行更换。

为了达到上述的目的，本实用新型的技术方案：一种用于螺栓松动监测的压电纤维智能垫片，其特征在于，所述智能垫片包括垫片和压电纤维传感器，所述垫片由“阶梯状”上垫片和“阶梯状”下垫片啮合组成，在周向形成U形凹槽，所述压电纤维传感器为环形结构，布置在上下垫片形成的U形凹槽处，由敏感元件、环氧树脂组成。