[发明专利]适于高温环境下使用的具有应力传感功能的紧固件及薄膜换能传感系统

说明书

本发明提供的一种适于高温环境下使用的具有应力传感功能的紧固件及薄膜换能传感系统，该紧固件包括紧固件基体，超声波薄膜传感器，第一电极引线和第二电极引线；当第一电极引线和第二电极引线被输入脉冲电信号后，超声波薄膜传感器利用压电层的逆压电效应将脉冲电信号转换成超声波声信号，超声波声信号沿杆部传输到超声波反射面，再由超声波反射面反射后沿杆部传输回到超声波薄膜传感器的压电层，由压电层的压电效应转换为带有应力信息的电信号输出；该紧固件的传感模块体积小，加工过程对紧固件本身没有改变，通过安装过程的布线连接可以实现离线检测和在线监测两种不同的应用模式，节约成本操作方便。

技术领域

本发明涉及紧固件技术领域，尤其涉及一种适于高温环境下使用的具有应力传感功能的紧固件及具有其的薄膜换能传感系统。

背景技术

紧固件，如螺栓是机械应用中常见的一种机械结构，然而一些关键部组件的使役环境复杂多变，可能受到高应力冲击、高过载、快速温度冲击和极端温度等。如安装在飞机发动机上的燃烧室外部的螺钉或螺栓暴露于超过500℃的温度，发电站(尤其是核电站)中使用的连接器部件长期暴露于均匀的高温负载(超过200℃)，轨道交通(高铁、动车、地铁等)的刹车系统连接部件暴露于循环的高温负载(300℃～500℃)，汽车发动机和刹车系统等也处于循环的高温环境。这些高温环境中，螺栓的装配质量主要取决于对螺栓预紧力的控制，螺栓在紧固时没有达到预设的预紧力，将会降低螺栓的使用寿命；螺栓在使役过程中预紧力的变化会导致松动或断裂，若对重点结构重点部位的螺栓预紧力监控不到位，将会导致螺栓突然失效，出现严重的安全事故。

在实际工程应用中，国内外已经采用的紧固件轴向预紧力的测量技术为扭矩扳手法、电阻应变片法、光测力学法和磁敏电阻传感器测量法等。力矩法紧固螺栓时预紧力往往会因为螺栓是否涂油润滑、力矩扳手紧固螺栓时的速度快慢等外界因素干预，以使得螺栓的预紧力精度较差；而其他测量方法则衍生出了许多传感器，或将预紧力传感器埋入螺栓端头直接感应螺栓的受力情况，螺栓的结构会受到破坏，导致测试的应力值偏离真实受力值，或通过增加在螺栓处的垫圈传感器来间接测量螺帽处的压力，而环形垫圈要有足够的大小以安装感应装置，对于已经紧固而不能拆卸的螺栓来说使用极不方便，且检测精度较低，不适用于复杂工况的环境。上述常规预紧力测量技术，能够实现设备停工状态的应力测量，但很难满足高温环境下紧固件预紧力高精准度实时监测的要求。

现有超声预紧力测量技术中，大多采用压电陶瓷片作为超声波换能器，在紧固件的一端粘贴一个压电陶瓷传感器作为超声波收发端，一方面粘贴的方式、状态、粘贴膏的厚度无法保证每个紧固件的一致性，批量紧固件的测量数值具有较大的离散性，使得该测量方式存在较大误差，测量精度不高，另一方面耦合粘贴剂的引入使得产品存在耐高温性能差的问题，且压电陶瓷片的居里温度通常偏低，无法适应于高温环境测量的需求。

鉴于此，急于提出一种的新的技术方案，来解决高温环境下紧固件轴向预紧力的实时监测的问题。

发明内容

鉴于此，本发明的目的在于提供一种适于高温环境下使用的具有应力传感功能的紧固件及具有其的薄膜换能传感系统，该薄膜换能传感系统能够实现螺栓在高温使役状态下的预紧力精准检测和实时监测，避免了因无法掌握螺栓预紧力的衰减状况而带来的安全隐患。