电容式螺栓预紧力测量传感器研究*

刘 奔, 王 涛, 钟东阶, 鲁光涛, 杨 丹, 谭波海

(1.冶金装备及其控制教育部重点实验室 武汉科技大学,湖北 武汉 430081;2.机械传动与制造工程湖北省重点实验室 武汉科技大学,湖北 武汉 430081)

0 引 言

螺栓因成本低,易于大批量标准化生产、安装简单、拆卸方便等优点,而被广泛应用于机械、化工、交通、电力、航空、土木等行业的各类设备和结构中,其联接状态直接关系到整个设备的安全性能。而实际工作过程中的振动、冲击、腐蚀等会导致螺栓松动甚至脱落,从而导致设备的失效与故障,进而给生产带来重大损失甚至造成人员伤亡,因此，对螺栓联接状态进行长时间有效监测具有重要应用意义。

常用的螺栓预紧力测量方法有扭矩扳手法、电阻应变片电测法、压电阻抗法、超声波法、光测力学法等。工程中广泛采用扭矩扳手控制螺栓预紧力,扭矩扳手法是利用在弹性区内扭矩与预紧力之间接近线性关系的原理来控制螺栓预紧力的方法[1]。但由于螺母与螺栓螺纹及被联接件之间摩擦因数的离散性,导致即便测量施加相同扭矩的螺栓,预紧力的测量误差最高也会达到30 %左右[2,3]。电阻应变片电测法通常是将标准电阻应变片粘贴在螺栓螺杆上,通过测量螺栓螺杆的应变进而获得螺栓的预紧力[4],该方法在有些情况下受到安装条件的限制难以实施[5]；此外采用粘贴的方式安装应变片,做长时间监测时,应变片粘贴层会发生蠕变等,故在长时间监测实施方面存在困难。压电阻抗法的基本原理是结构损伤会改变结构的机械阻抗,对比结构在无损伤时的压电阻抗谱,能够明确识别损伤,从而实现对结构健康状态的监测[6,7]。但在使用过程中压电阻抗易受环境因素的影响,因此，该方法的抗干扰能力和稳定性还有待提高。超声波法是基于声弹性效应,通过测量超声波在螺栓内部的传播时间来间接测量螺栓预紧力的大小,是一种有效的无损检测方法[8,9],但螺栓中声速的改变量微小,需要专门的精密仪器进行跟踪测量,对测量设备要求较高,因此难以广泛应用于工程中的螺栓检测。光测力学法是利用透明材料制作模拟体来模拟实体材料,再对该模拟体模拟实际工况下的受力状态,通过光弹性效应分析模拟体的受力情况,从而获得实际工况下实体材料的受力情况[9]。该方法制成的设备较复杂且只能应用于工程材料为透明体时的在线检测,因此不能广泛应用于工程中的螺栓检测。上述方法由于自身条件的限制,目前难以大范围应用,特别是在长时间实时监测上。

针对上述方法难以实现螺栓长时间监测的问题,本文提出了一种结构型的电容式螺栓预紧力传感器,利用结构型传感器具有较好稳定性的特点,期待解决螺栓长时间监测问题。本文采用电容式敏感元件,设计了垫片式螺栓预紧力传感器,将作用在传感器上的预紧力转换为传感器的电容值变化,并通过测量电路转换为电信号,建立螺栓预紧力与输出电信号之间的定量关系,从而实现螺栓预紧力的测量与实时监测。该传感器结构简单且有望解决螺栓监测中的时效性问题,有望实现螺栓预紧力的长时间监测。

1 传感器测量原理与结构设计

1.1 预紧力测量原理

螺栓联接中使用垫片可以防止松动,保护零部件和螺栓,并且在使用过程中螺栓预紧力会作用在垫片上,因此,本文传感器设计为螺栓垫片式结构。如图1所示,作用在垫片上的螺栓预紧力会引起垫片的压缩变形,该变形导致垫片侧面上、下环之间距离产生微小变化。

图1 主体结构受力

如图1所示,在螺栓预紧力FN作用下,主体结构上、下环之间距离产生微小变化Δh的表达式如下

Δh=FNh/EA0

(1)

式中h为上、下环面垂直距离,A0为上、下环之间有效截面积,E为弹性模量。

利用电容器在小范围内有较高灵敏度的特点,在此上、下环处安装上、下电极形成平行电容,其电容的表达式

C0=ε0εrA1/δ

(2)

式中C0为电容量,ε0为真空介电常数,εr为相对介电常数,A1为电极有效面积,δ为电容初始极间距。

在预紧力作用下上、下环之间距离产生微小变化Δh时,相应的电容器极间距变化Δh,此时电容器的电容量C1

C1=ε0εrA1/(δ-Δh)

(3)

由上式可以得出螺栓预紧力与电容之间的关系式

(4)

当式(4)分母中ΔC≪C0时,式(4)可以写成

(5)

根据上述推导可知,在螺栓预紧力作用下,主体结构上、下环之间距离产生微小变化,而此微小变化会导致平行电容极间距发生变化,进而引起电容量变化。在材料的特性参数不变和周围环境条件维持在较为理想的情况下,作用在主体结构上的螺栓预紧力的变化决定电容量的变化。因此，通过测量电容量的变化可以得到主体结构所受预紧力的状态,从而达到监测螺栓联接状态的目的。

由式(5)得到传感器的灵敏度S

S=ΔC/FN=C0h/δEA0=ε0εrA1h/δ2EA0

(6)

从式(6)可以看出,传感器灵敏度S与主体结构上、下环面垂直距离h和电极有效面积A1成正比,与电容初始极间距δ2和主体结构上、下环之间有效截面积A0成反比。为提高传感器的灵敏度在传感器的设计过程中,应在合适的尺寸范围内选择较大的A1和h,较小的δ和A0。

1.2 实验传感器结构设计

根据上述测量原理,需要在上、下环处安装上、下电极形成电容,为了研究极间距参数对测试结果的影响,设计了如图2所示的传感器结构。如图2(a),在上、下环面间增加间隙调整块,并通过间隙调整螺钉联接在主体结构上环面。如图2(b),通过间隙调整螺钉可以调整间隙调整块的上下位置,同时定位螺钉给其一向下的推力,确保间隙调整块稳定。将上电极设置在间隙调整块下端面,下电极设置在主体结构下环处形成电容。通过微调间隙调整螺钉,调节电容初始间距。设置好所需极间距后,紧固螺钉,由于间隙调整螺钉和定位螺钉均和主体结构联接,螺栓预紧力作用下主体结构的变形,可以转换为电容极间距的变化。

图2 传感器结构

1.3 电极设计

设计了如图3所示电极。如图3所示,电极区外侧设有等电位环,电极区与等电位环之间由内绝缘环隔开。电极区上的焊接孔一与等电位环上的焊接孔二通过屏蔽电缆相连导通保持等电位,从而实现等电位屏蔽来降低边缘效应对测量的影响。

图3 电极结构示意

1.4 测量电路

常用的电容转换芯片有CAV444,其具有良好的线性度,但其校准机制复杂,且需要外接高分辨率的模数转换器,因此测量过程较为复杂[10]；AD7745,其精度可达到0.004 pF,但测量范围小,适用范围有限[11]；电容数字转换芯片PCap02,其测量范围较广,能满足微弱电容或者大电容的测量,同时芯片内部集成了高精度参考电容,能对内、外部寄生电容和并联电阻进行补偿,并且其外部电路结构简单,能达到高精度、抗干扰、低功耗、线性度好的要求[12]。

综上,选用电容数字转换芯片PCap02来搭建测量电路。PCap02通过测量待测电容与参考电容的放电时间之比来测量电容,其中待测电容、参考电容和放电电阻共同构成了一个RC网络[12]。测量时,首先将待测电容和参考电容充电到满额电压,然后通过放电电阻放电,当放电到下阈值电压后重新充电,重复上述过程。芯片内部的高精度时间数字转换器(time-to-digital converter,TDC)会记录下单个充放电周期的时间,并输出待测电容与参考电容的平均放电时间之比。当满额电压和放电电阻一定时,RC网络放电时间τ和电容值C成正比,已知参考电容值和放电时间τ,可以计算出待测电容值[13,14]。

PCap02测电容主要有2种连接方式:接地连接和浮地连接,而浮地连接抑制寄生电容的能力较强,精度也较高。浮地连接测电容时,PCap02首先闭合A0和B1,如图4所示,测量电路测量待测电容Cd、导线电容Cx2和内部寄生电容Cj,并将三者之和记为C1；然后A1和B0闭合,测量电路测量待测电容Cd、Cx1和Cj,并将三者之和记为C2；随之A0和A1闭合,测量Cx1、Cx2和Cj,并将三者之和记为C3；最后A0和A1开路,仅测量内部寄生电容Cj并将其记为C4。经上述4次测量后,PCap02芯片会根据式(7)计算出待测电容值,从而消除内部寄生电容对测量结果的影响[14]

图4 浮地连接补偿原理

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

(7)

2 实验与结果分析

2.1 实验过程

搭建了图5所示的实验平台。实验采用CMT5105电子万能试验机对螺栓的头部和螺帽进行加压,来模拟螺栓预紧力的变化,如图6所示。试验机所施加的压力通过图示螺栓施加在所设计的垫片型传感器上,模拟螺栓预紧力对垫片的作用,引起电容极间距发生变化,导致电容的变化,并通过测量电路对电容信号进行采集、分析处理。

图5 实验装置

图6 试样示意

实验所设计的垫片型传感器是针对M16螺栓进行设计,而强度等级为8.8级的M16螺栓最大预紧力约72 kN。实验开始前先设定试验机的加载参数,加载范围0～75 kN,间隔5 kN,当试验机到达预定加载步时,保持载荷稳定不变,通过测量电路对实验数据进行采集,并保存于计算机；当加载到预设最大载荷后,反向卸载。完成一组测试后,调整测试装置,重复上述过程,进行多次实验。

2.2 实验结果分析

实验中设置电容初始间距分别为180,200,220,240 μm,介质为空气,对螺栓预紧力传感器进行多次测试。由于实际测量过程中存在焊接电容和实验操作等因素对测量结果产生影响,导致理论计算值与实际测量值之间存在一定偏移量(20 pF),为方便分析,对理论分析值进行补偿即理论计算值加上偏移量(20 pF)获得理论补偿结果,电容实际测量值与理论补偿结果随预紧力变化如图7所示。

图7 不同初始间距下电容随预紧力的变化

从图7中实测电容变化趋势可以看出,随螺栓预紧力的增加传感器电容值随之增大,并且电容值的变化与预紧力之间基本符合表达式(4)的关系,说明所设计传感器能有效感知螺栓预紧力的变化。

经计算得到初始间距从180 μm到240 μm传感器的平均灵敏度分别为0.30,0.23,0.18,0.12 pF/kN,传感器平均灵敏度呈现出随初始间距增大而逐渐减小的趋势。由上述分析可知,传感器电容初始间距设置在180～240 μm范围内,传感器都可以测量螺栓预紧力；初始间距越小传感器灵敏度越高。

针对实验试样设置电容初始间距为200 μm,通过延长力保载时间来研究传感器的测量稳定性,设置力保载时间为30 min进行卸载实验,得到电容随时间变化如图8所示。

图8 卸载过程中电容随时间变化

从图8中可知,在预紧力卸载过程中,传感器电容值随时间呈阶梯下降趋势,每一阶梯力保载时间为30 min,在力保载过程中传感器电容值基本维持稳定,说明所设计传感器具有较好的稳定性,后续通过优化传感器设计参数,该传感器有望解决螺栓长时间监测问题。

3 结 论

针对螺栓联接结构中螺栓联接状态监测问题,提出了一种基于结构型的电容式螺栓预紧力传感器。该传感器通过测量电容变化来监测螺栓预紧力变化,采用了PCap02芯片搭建电容测量电路,并建立了电容变化与螺栓预紧力之间的关系。搭建了试验平台,利用材料试验机精确模拟的螺栓预紧力作用于所设计的垫片型传感器进行实验。实验结果显示:所设计传感器能有效感知螺栓预紧力的变化；电容初始间距越小传感器灵敏度越高,在加工装配精度允许的条件下,电容初始间距应尽可能小；所设计传感器具有较好的稳定性。

利用所设计的电容式螺栓预紧力传感器进行螺栓联接状态监测具有较好的应用前景,但仍有大量工作需要做深入的研究,如合理采用精密加工实现主体结构和间隙调整块联接,采用电镀工艺将电极材料电镀于间隙调整块上,进一步优化传感器的结构；研究不同温度对传感器的影响,对传感器进行温度补偿；研究传感器结构尺寸与螺栓规格之间的关系,针对不同类型螺栓设计相对应的螺栓预紧力传感器。后续通过优化传感器设计参数,该传感器有望能解决螺栓长时间监测问题。