一种检测螺栓预紧力的方法和系统

本发明涉及螺栓预紧力测试，特别涉及一种检测螺栓预紧力的方法和系统。

背景技术：

1、在工程和制造领域，螺栓连接作为一种普遍采用的结构连接方式，被广泛应用于将不同的部件或结构元素紧密固定在一起。螺栓预紧力是确保连接稳固、防止松动以及维持结构完整性的至关重要的因素。这种连接方式通过利用螺纹结构，使螺栓能够承受并分散受力，从而确保整个结构能够承受外部负荷。

2、然而，尽管螺栓连接在提供强大的结构支持方面表现出色，但由于环境因素的变化以及材料自身的疲劳等原因，螺栓预紧力可能会发生变化。这种变化可能导致连接部件逐渐松动或甚至失效，从而影响整个结构的性能和安全性。因此，确保螺栓预紧力的稳定性和准确性对于结构的可靠运行至关重要。

3、螺栓连接结构的预紧力衰减过程较为复杂，影响因素较多，且螺栓连接松动程度与多个影响因子具有复杂的非线性关系。目前检测螺栓预紧力的传感器一般是有源有线的，需要外接电源进行供电以及信号线路实现应变量信息从传感器传输到电子设备。薄膜体声波谐振器可以实现无线无源检测。目前关于薄膜体声波谐振器应用在螺栓预紧力检测的研究较少，有必要基于薄膜体声波谐振器构建螺栓预紧力的检测方法。

技术实现思路

1、为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种检测螺栓预紧力的方法，包括，

2、在弹簧垫片上安装薄膜体声波谐振器，将螺栓和所述弹簧垫片与被固定物体进行固定，使得所述薄膜体声波谐振器与所述被固定物体接触；

3、根据实验获取螺栓预紧力与薄膜体声波谐振器的谐振频率的关系，以及薄膜体声波谐振器的谐振频率与其有效机电耦合系数的关系，得到螺栓预紧力与薄膜体声波谐振器的有效机电耦合系数的关系；

4、根据薄膜体声波谐振器的谐振频率获取相应的有效机电耦合系数，从而得到螺栓预紧力。

5、进一步地，所述根据实验获取螺栓预紧力与薄膜体声波谐振器的谐振频率的关系包括，根据网络分析仪测量得到薄膜体声波谐振器的散射矩阵：

6、

7、其中，a1和a2表示输入的电压或电流，b1和b2表示输出的电压或电流，s11、s22为反射系数，s12、s21为传输系数；

8、反射系数和传输系数还满足：

9、

10、

11、网络分析仪根据反射系数和传输系数得到薄膜体声波谐振器的串联谐振频率fs和并联谐振频率fp。

12、进一步地，所述薄膜体声波谐振器的谐振频率与其有效机电耦合系数的关系包括，根据薄膜体声波谐振器的串联谐振频率fs和并联谐振频率fp，建立与有效机电耦合系数的关系式：

13、

14、进一步地，所述关系式还进行简化处理，具体如下，

15、将所述关系式进行二阶泰勒公式展开：

16、

17、因串联谐振频率fs和并联谐振频率fp接近，得到，

18、

19、进一步地，所述薄膜体声波谐振器倒装地安装在所述弹簧垫片上；

20、所述薄膜体声波谐振器由下至上包括衬底、种子层、下电极层、压电层、上电极层。

21、优选地，所述压电层的材料为aln或者scaln。

22、优选地，所述种子层的材料为aln。

23、优选地，所述上电极层、下电极层的材料各自独立地为mo或者au。

24、进一步地，所述衬底带有凹槽结构，所述种子层和所述衬底形成空腔。

25、进一步地，所述薄膜体声波谐振器与所述物体通过弹性物体接触。

26、进一步地，所述薄膜体声波谐振器的上电极层表面还固定有绝缘层；所述绝缘层与所述弹性物体接触。

27、本发明还提供了一种检测螺栓预紧力的系统，包括薄膜体声波谐振器、收发天线和处理端；

28、所述薄膜体声波谐振器安装在弹簧垫片上，螺栓和所述弹簧垫片与物体固定时，所述薄膜体声波谐振器与所述物体接触，螺栓预紧力变化时，所述薄膜体声波谐振器的谐振频率发生变化；

29、所述收发天线用于将所述薄膜体声波谐振器的谐振频率传输给所述处理端；

30、所述处理端存储有螺栓预紧力与薄膜体声波谐振器的谐振频率的关系，以及薄膜体声波谐振器的谐振频率与其有效机电耦合系数的关系，用于根据获取的薄膜体声波谐振器的谐振频率，得到有效机电耦合系数，从而得到测螺栓预紧力。

31、相对于现有技术，本发明具有以下的有益效果：

32、本发明将螺栓预紧力转换为薄膜体声波谐振器压电层的应变使薄膜体声波谐振器产生频偏，通过测频偏得到有效机电耦合系数，进而得到被测的螺栓预紧力。本发明螺栓预紧力测量方法具有简便、灵敏度高的优点。

技术特征：

1.一种检测螺栓预紧力的方法，其特征在于，包括，

2.根据权利要求1所述的检测螺栓预紧力的方法，其特征在于，所述根据实验获取螺栓预紧力与薄膜体声波谐振器的谐振频率的关系包括，

3.根据权利要求2所述的检测螺栓预紧力的方法，其特征在于，所述薄膜体声波谐振器的谐振频率与其有效机电耦合系数的关系包括，根据薄膜体声波谐振器的串联谐振频率fs和并联谐振频率fp，建立与有效机电耦合系数的关系式：

4.根据权利要求3所述的检测螺栓预紧力的方法，其特征在于，所述关系式还进行简化处理，具体如下，

5.根据权利要求1所述的检测螺栓预紧力的方法，其特征在于，所述薄膜体声波谐振器倒装地安装在所述弹簧垫片上；

6.根据权利要求5所述的检测螺栓预紧力的方法，其特征在于，所述衬底带有凹槽结构，所述种子层和所述衬底形成空腔。

7.根据权利要求5所述的检测螺栓预紧力的方法，其特征在于，所述薄膜体声波谐振器与所述被固定物体通过弹性物体接触。

8.根据权利要求7所述的检测螺栓预紧力的方法，其特征在于，所述薄膜体声波谐振器的上电极层表面还固定有绝缘层；所述绝缘层与所述弹性物体接触。

9.一种检测螺栓预紧力的系统，其特征在于，包括薄膜体声波谐振器、收发天线和处理端；

技术总结本发明公开了一种检测螺栓预紧力的方法和系统，方法包括，在弹簧垫片上安装薄膜体声波谐振器，将螺栓和弹簧垫片与被固定物体进行固定，使得薄膜体声波谐振器与被固定物体接触；根据实验获取螺栓预紧力与薄膜体声波谐振器的谐振频率的关系，以及薄膜体声波谐振器的谐振频率与其有效机电耦合系数的关系，得到螺栓预紧力与薄膜体声波谐振器的有效机电耦合系数的关系；根据薄膜体声波谐振器的谐振频率获取相应的有效机电耦合系数，从而得到螺栓预紧力。本发明将螺栓预紧力转换为薄膜体声波谐振器压电层的应变使薄膜体声波谐振器产生频偏，通过测频偏得到有效机电耦合系数，进而得到被测的螺栓预紧力。本发明的测量方法具有简便、灵敏度高的优点。技术研发人员：蔡耀,任玉奇,许秉乾,孙成亮,刘炎,李海洋,郑宇鹏,马新洋,杨兵受保护的技术使用者：武汉大学技术研发日：技术公布日：2024/8/5