電容式螺栓預(yù)緊力測(cè)量傳感器研究*

劉 奔, 王 濤, 鐘東階, 魯光濤, 楊 丹, 譚波海

(1.冶金裝備及其控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 武漢科技大學(xué),湖北 武漢 430081;2.機(jī)械傳動(dòng)與制造工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 武漢科技大學(xué),湖北 武漢 430081)

0 引 言

螺栓因成本低,易于大批量標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)、安裝簡(jiǎn)單、拆卸方便等優(yōu)點(diǎn),而被廣泛應(yīng)用于機(jī)械、化工、交通、電力、航空、土木等行業(yè)的各類設(shè)備和結(jié)構(gòu)中,其聯(lián)接狀態(tài)直接關(guān)系到整個(gè)設(shè)備的安全性能。而實(shí)際工作過程中的振動(dòng)、沖擊、腐蝕等會(huì)導(dǎo)致螺栓松動(dòng)甚至脫落,從而導(dǎo)致設(shè)備的失效與故障,進(jìn)而給生產(chǎn)帶來重大損失甚至造成人員傷亡,因此，對(duì)螺栓聯(lián)接狀態(tài)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間有效監(jiān)測(cè)具有重要應(yīng)用意義。

常用的螺栓預(yù)緊力測(cè)量方法有扭矩扳手法、電阻應(yīng)變片電測(cè)法、壓電阻抗法、超聲波法、光測(cè)力學(xué)法等。工程中廣泛采用扭矩扳手控制螺栓預(yù)緊力,扭矩扳手法是利用在彈性區(qū)內(nèi)扭矩與預(yù)緊力之間接近線性關(guān)系的原理來控制螺栓預(yù)緊力的方法[1]。但由于螺母與螺栓螺紋及被聯(lián)接件之間摩擦因數(shù)的離散性,導(dǎo)致即便測(cè)量施加相同扭矩的螺栓,預(yù)緊力的測(cè)量誤差最高也會(huì)達(dá)到30 %左右[2,3]。電阻應(yīng)變片電測(cè)法通常是將標(biāo)準(zhǔn)電阻應(yīng)變片粘貼在螺栓螺桿上,通過測(cè)量螺栓螺桿的應(yīng)變進(jìn)而獲得螺栓的預(yù)緊力[4],該方法在有些情況下受到安裝條件的限制難以實(shí)施[5]；此外采用粘貼的方式安裝應(yīng)變片,做長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)時(shí),應(yīng)變片粘貼層會(huì)發(fā)生蠕變等,故在長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)實(shí)施方面存在困難。壓電阻抗法的基本原理是結(jié)構(gòu)損傷會(huì)改變結(jié)構(gòu)的機(jī)械阻抗,對(duì)比結(jié)構(gòu)在無損傷時(shí)的壓電阻抗譜,能夠明確識(shí)別損傷,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的監(jiān)測(cè)[6,7]。但在使用過程中壓電阻抗易受環(huán)境因素的影響,因此，該方法的抗干擾能力和穩(wěn)定性還有待提高。超聲波法是基于聲彈性效應(yīng),通過測(cè)量超聲波在螺栓內(nèi)部的傳播時(shí)間來間接測(cè)量螺栓預(yù)緊力的大小,是一種有效的無損檢測(cè)方法[8,9],但螺栓中聲速的改變量微小,需要專門的精密儀器進(jìn)行跟蹤測(cè)量,對(duì)測(cè)量設(shè)備要求較高,因此難以廣泛應(yīng)用于工程中的螺栓檢測(cè)。光測(cè)力學(xué)法是利用透明材料制作模擬體來模擬實(shí)體材料,再對(duì)該模擬體模擬實(shí)際工況下的受力狀態(tài),通過光彈性效應(yīng)分析模擬體的受力情況,從而獲得實(shí)際工況下實(shí)體材料的受力情況[9]。該方法制成的設(shè)備較復(fù)雜且只能應(yīng)用于工程材料為透明體時(shí)的在線檢測(cè),因此不能廣泛應(yīng)用于工程中的螺栓檢測(cè)。上述方法由于自身?xiàng)l件的限制,目前難以大范圍應(yīng)用,特別是在長(zhǎng)時(shí)間實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)上。

針對(duì)上述方法難以實(shí)現(xiàn)螺栓長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)的問題,本文提出了一種結(jié)構(gòu)型的電容式螺栓預(yù)緊力傳感器,利用結(jié)構(gòu)型傳感器具有較好穩(wěn)定性的特點(diǎn),期待解決螺栓長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)問題。本文采用電容式敏感元件,設(shè)計(jì)了墊片式螺栓預(yù)緊力傳感器,將作用在傳感器上的預(yù)緊力轉(zhuǎn)換為傳感器的電容值變化,并通過測(cè)量電路轉(zhuǎn)換為電信號(hào),建立螺栓預(yù)緊力與輸出電信號(hào)之間的定量關(guān)系,從而實(shí)現(xiàn)螺栓預(yù)緊力的測(cè)量與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。該傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且有望解決螺栓監(jiān)測(cè)中的時(shí)效性問題,有望實(shí)現(xiàn)螺栓預(yù)緊力的長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)。

1 傳感器測(cè)量原理與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 預(yù)緊力測(cè)量原理

螺栓聯(lián)接中使用墊片可以防止松動(dòng),保護(hù)零部件和螺栓,并且在使用過程中螺栓預(yù)緊力會(huì)作用在墊片上,因此,本文傳感器設(shè)計(jì)為螺栓墊片式結(jié)構(gòu)。如圖1所示,作用在墊片上的螺栓預(yù)緊力會(huì)引起墊片的壓縮變形,該變形導(dǎo)致墊片側(cè)面上、下環(huán)之間距離產(chǎn)生微小變化。

圖1 主體結(jié)構(gòu)受力

如圖1所示,在螺栓預(yù)緊力FN作用下,主體結(jié)構(gòu)上、下環(huán)之間距離產(chǎn)生微小變化Δh的表達(dá)式如下

Δh=FNh/EA0

(1)

式中h為上、下環(huán)面垂直距離,A0為上、下環(huán)之間有效截面積,E為彈性模量。

利用電容器在小范圍內(nèi)有較高靈敏度的特點(diǎn),在此上、下環(huán)處安裝上、下電極形成平行電容,其電容的表達(dá)式

C0=ε0εrA1/δ

(2)

式中C0為電容量,ε0為真空介電常數(shù),εr為相對(duì)介電常數(shù),A1為電極有效面積,δ為電容初始極間距。

在預(yù)緊力作用下上、下環(huán)之間距離產(chǎn)生微小變化Δh時(shí),相應(yīng)的電容器極間距變化Δh,此時(shí)電容器的電容量C1

C1=ε0εrA1/(δ-Δh)

(3)

由上式可以得出螺栓預(yù)緊力與電容之間的關(guān)系式

(4)

當(dāng)式(4)分母中ΔC?C0時(shí),式(4)可以寫成

(5)

根據(jù)上述推導(dǎo)可知,在螺栓預(yù)緊力作用下,主體結(jié)構(gòu)上、下環(huán)之間距離產(chǎn)生微小變化,而此微小變化會(huì)導(dǎo)致平行電容極間距發(fā)生變化,進(jìn)而引起電容量變化。在材料的特性參數(shù)不變和周圍環(huán)境條件維持在較為理想的情況下,作用在主體結(jié)構(gòu)上的螺栓預(yù)緊力的變化決定電容量的變化。因此，通過測(cè)量電容量的變化可以得到主體結(jié)構(gòu)所受預(yù)緊力的狀態(tài),從而達(dá)到監(jiān)測(cè)螺栓聯(lián)接狀態(tài)的目的。

由式(5)得到傳感器的靈敏度S

S=ΔC/FN=C0h/δEA0=ε0εrA1h/δ2EA0

(6)

從式(6)可以看出,傳感器靈敏度S與主體結(jié)構(gòu)上、下環(huán)面垂直距離h和電極有效面積A1成正比,與電容初始極間距δ2和主體結(jié)構(gòu)上、下環(huán)之間有效截面積A0成反比。為提高傳感器的靈敏度在傳感器的設(shè)計(jì)過程中,應(yīng)在合適的尺寸范圍內(nèi)選擇較大的A1和h,較小的δ和A0。

1.2 實(shí)驗(yàn)傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)上述測(cè)量原理,需要在上、下環(huán)處安裝上、下電極形成電容,為了研究極間距參數(shù)對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響,設(shè)計(jì)了如圖2所示的傳感器結(jié)構(gòu)。如圖2(a),在上、下環(huán)面間增加間隙調(diào)整塊,并通過間隙調(diào)整螺釘聯(lián)接在主體結(jié)構(gòu)上環(huán)面。如圖2(b),通過間隙調(diào)整螺釘可以調(diào)整間隙調(diào)整塊的上下位置,同時(shí)定位螺釘給其一向下的推力,確保間隙調(diào)整塊穩(wěn)定。將上電極設(shè)置在間隙調(diào)整塊下端面,下電極設(shè)置在主體結(jié)構(gòu)下環(huán)處形成電容。通過微調(diào)間隙調(diào)整螺釘,調(diào)節(jié)電容初始間距。設(shè)置好所需極間距后,緊固螺釘,由于間隙調(diào)整螺釘和定位螺釘均和主體結(jié)構(gòu)聯(lián)接,螺栓預(yù)緊力作用下主體結(jié)構(gòu)的變形,可以轉(zhuǎn)換為電容極間距的變化。

圖2 傳感器結(jié)構(gòu)

1.3 電極設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)了如圖3所示電極。如圖3所示,電極區(qū)外側(cè)設(shè)有等電位環(huán),電極區(qū)與等電位環(huán)之間由內(nèi)絕緣環(huán)隔開。電極區(qū)上的焊接孔一與等電位環(huán)上的焊接孔二通過屏蔽電纜相連導(dǎo)通保持等電位,從而實(shí)現(xiàn)等電位屏蔽來降低邊緣效應(yīng)對(duì)測(cè)量的影響。

圖3 電極結(jié)構(gòu)示意

1.4 測(cè)量電路

常用的電容轉(zhuǎn)換芯片有CAV444,其具有良好的線性度,但其校準(zhǔn)機(jī)制復(fù)雜,且需要外接高分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器,因此測(cè)量過程較為復(fù)雜[10]；AD7745,其精度可達(dá)到0.004 pF,但測(cè)量范圍小,適用范圍有限[11]；電容數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片PCap02,其測(cè)量范圍較廣,能滿足微弱電容或者大電容的測(cè)量,同時(shí)芯片內(nèi)部集成了高精度參考電容,能對(duì)內(nèi)、外部寄生電容和并聯(lián)電阻進(jìn)行補(bǔ)償,并且其外部電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,能達(dá)到高精度、抗干擾、低功耗、線性度好的要求[12]。

綜上,選用電容數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片PCap02來搭建測(cè)量電路。PCap02通過測(cè)量待測(cè)電容與參考電容的放電時(shí)間之比來測(cè)量電容,其中待測(cè)電容、參考電容和放電電阻共同構(gòu)成了一個(gè)RC網(wǎng)絡(luò)[12]。測(cè)量時(shí),首先將待測(cè)電容和參考電容充電到滿額電壓,然后通過放電電阻放電,當(dāng)放電到下閾值電壓后重新充電,重復(fù)上述過程。芯片內(nèi)部的高精度時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器(time-to-digital converter,TDC)會(huì)記錄下單個(gè)充放電周期的時(shí)間,并輸出待測(cè)電容與參考電容的平均放電時(shí)間之比。當(dāng)滿額電壓和放電電阻一定時(shí),RC網(wǎng)絡(luò)放電時(shí)間τ和電容值C成正比,已知參考電容值和放電時(shí)間τ,可以計(jì)算出待測(cè)電容值[13,14]。

PCap02測(cè)電容主要有2種連接方式:接地連接和浮地連接,而浮地連接抑制寄生電容的能力較強(qiáng),精度也較高。浮地連接測(cè)電容時(shí),PCap02首先閉合A0和B1,如圖4所示,測(cè)量電路測(cè)量待測(cè)電容Cd、導(dǎo)線電容Cx2和內(nèi)部寄生電容Cj,并將三者之和記為C1；然后A1和B0閉合,測(cè)量電路測(cè)量待測(cè)電容Cd、Cx1和Cj,并將三者之和記為C2；隨之A0和A1閉合,測(cè)量Cx1、Cx2和Cj,并將三者之和記為C3；最后A0和A1開路,僅測(cè)量?jī)?nèi)部寄生電容Cj并將其記為C4。經(jīng)上述4次測(cè)量后,PCap02芯片會(huì)根據(jù)式(7)計(jì)算出待測(cè)電容值,從而消除內(nèi)部寄生電容對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響[14]

圖4 浮地連接補(bǔ)償原理

Cd=(C1+C2-C3-C4)/2

(7)

2 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

2.1 實(shí)驗(yàn)過程

搭建了圖5所示的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)采用CMT5105電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)螺栓的頭部和螺帽進(jìn)行加壓,來模擬螺栓預(yù)緊力的變化,如圖6所示。試驗(yàn)機(jī)所施加的壓力通過圖示螺栓施加在所設(shè)計(jì)的墊片型傳感器上,模擬螺栓預(yù)緊力對(duì)墊片的作用,引起電容極間距發(fā)生變化,導(dǎo)致電容的變化,并通過測(cè)量電路對(duì)電容信號(hào)進(jìn)行采集、分析處理。

圖5 實(shí)驗(yàn)裝置

圖6 試樣示意

實(shí)驗(yàn)所設(shè)計(jì)的墊片型傳感器是針對(duì)M16螺栓進(jìn)行設(shè)計(jì),而強(qiáng)度等級(jí)為8.8級(jí)的M16螺栓最大預(yù)緊力約72 kN。實(shí)驗(yàn)開始前先設(shè)定試驗(yàn)機(jī)的加載參數(shù),加載范圍0～75 kN,間隔5 kN,當(dāng)試驗(yàn)機(jī)到達(dá)預(yù)定加載步時(shí),保持載荷穩(wěn)定不變,通過測(cè)量電路對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集,并保存于計(jì)算機(jī)；當(dāng)加載到預(yù)設(shè)最大載荷后,反向卸載。完成一組測(cè)試后,調(diào)整測(cè)試裝置,重復(fù)上述過程,進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)中設(shè)置電容初始間距分別為180,200,220,240 μm,介質(zhì)為空氣,對(duì)螺栓預(yù)緊力傳感器進(jìn)行多次測(cè)試。由于實(shí)際測(cè)量過程中存在焊接電容和實(shí)驗(yàn)操作等因素對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響,導(dǎo)致理論計(jì)算值與實(shí)際測(cè)量值之間存在一定偏移量(20 pF),為方便分析,對(duì)理論分析值進(jìn)行補(bǔ)償即理論計(jì)算值加上偏移量(20 pF)獲得理論補(bǔ)償結(jié)果,電容實(shí)際測(cè)量值與理論補(bǔ)償結(jié)果隨預(yù)緊力變化如圖7所示。

圖7 不同初始間距下電容隨預(yù)緊力的變化

從圖7中實(shí)測(cè)電容變化趨勢(shì)可以看出,隨螺栓預(yù)緊力的增加傳感器電容值隨之增大,并且電容值的變化與預(yù)緊力之間基本符合表達(dá)式(4)的關(guān)系,說明所設(shè)計(jì)傳感器能有效感知螺栓預(yù)緊力的變化。

經(jīng)計(jì)算得到初始間距從180 μm到240 μm傳感器的平均靈敏度分別為0.30,0.23,0.18,0.12 pF/kN,傳感器平均靈敏度呈現(xiàn)出隨初始間距增大而逐漸減小的趨勢(shì)。由上述分析可知,傳感器電容初始間距設(shè)置在180～240 μm范圍內(nèi),傳感器都可以測(cè)量螺栓預(yù)緊力；初始間距越小傳感器靈敏度越高。

針對(duì)實(shí)驗(yàn)試樣設(shè)置電容初始間距為200 μm,通過延長(zhǎng)力保載時(shí)間來研究傳感器的測(cè)量穩(wěn)定性,設(shè)置力保載時(shí)間為30 min進(jìn)行卸載實(shí)驗(yàn),得到電容隨時(shí)間變化如圖8所示。

圖8 卸載過程中電容隨時(shí)間變化

從圖8中可知,在預(yù)緊力卸載過程中,傳感器電容值隨時(shí)間呈階梯下降趨勢(shì),每一階梯力保載時(shí)間為30 min,在力保載過程中傳感器電容值基本維持穩(wěn)定,說明所設(shè)計(jì)傳感器具有較好的穩(wěn)定性,后續(xù)通過優(yōu)化傳感器設(shè)計(jì)參數(shù),該傳感器有望解決螺栓長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)問題。

3 結(jié) 論

針對(duì)螺栓聯(lián)接結(jié)構(gòu)中螺栓聯(lián)接狀態(tài)監(jiān)測(cè)問題,提出了一種基于結(jié)構(gòu)型的電容式螺栓預(yù)緊力傳感器。該傳感器通過測(cè)量電容變化來監(jiān)測(cè)螺栓預(yù)緊力變化,采用了PCap02芯片搭建電容測(cè)量電路,并建立了電容變化與螺栓預(yù)緊力之間的關(guān)系。搭建了試驗(yàn)平臺(tái),利用材料試驗(yàn)機(jī)精確模擬的螺栓預(yù)緊力作用于所設(shè)計(jì)的墊片型傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示:所設(shè)計(jì)傳感器能有效感知螺栓預(yù)緊力的變化；電容初始間距越小傳感器靈敏度越高,在加工裝配精度允許的條件下,電容初始間距應(yīng)盡可能?。凰O(shè)計(jì)傳感器具有較好的穩(wěn)定性。

利用所設(shè)計(jì)的電容式螺栓預(yù)緊力傳感器進(jìn)行螺栓聯(lián)接狀態(tài)監(jiān)測(cè)具有較好的應(yīng)用前景,但仍有大量工作需要做深入的研究,如合理采用精密加工實(shí)現(xiàn)主體結(jié)構(gòu)和間隙調(diào)整塊聯(lián)接,采用電鍍工藝將電極材料電鍍于間隙調(diào)整塊上,進(jìn)一步優(yōu)化傳感器的結(jié)構(gòu)；研究不同溫度對(duì)傳感器的影響,對(duì)傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償；研究傳感器結(jié)構(gòu)尺寸與螺栓規(guī)格之間的關(guān)系,針對(duì)不同類型螺栓設(shè)計(jì)相對(duì)應(yīng)的螺栓預(yù)緊力傳感器。后續(xù)通過優(yōu)化傳感器設(shè)計(jì)參數(shù),該傳感器有望能解決螺栓長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)問題。