智能螺栓及其系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】當經(jīng)受應變時變形的螺栓(100)包括腔(104)、用于確定應變并在預定值發(fā)出警報的智能機構(gòu)和裝置(105)。
【專利說明】
智能螺栓及其系統(tǒng)
技術(shù)領域
[0001] 本發(fā)明設及測量諸如緊固裝置(例如螺栓)的機械構(gòu)件的應變。
【背景技術(shù)】
[0002] 根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)(例如根據(jù)US4553124)已知在螺栓內(nèi)部安裝應變計，W感測應變。然 而，運些已知的應變計復雜而且昂貴。另一缺陷在于，運些應變計是依賴于溫度的。
[0003] 肝-A-11183280描述了如下螺栓緊固或加緊方法:在進行螺栓的加緊的同時，測量 螺栓的伸長量。當伸長量達到預定值時，終止緊固或加緊操作。用來測量伸長量的方法包括 對激光器進行操作的步驟。在該已知方法中，當正在緊固/加緊螺栓時，監(jiān)測螺栓的伸長量， 但是當緊固終止時，無法得到伸長量的進一步的信息。因此，如果螺栓松弛，則無法獲得信 息。
[0004] 在 US2010/0050778 和 US2007/0204699 中公開了進一步的【背景技術(shù)】。
[0005] 根據(jù)W上，理解到還有改進空間。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于增強安全性，并提供具有通信裝置并允許智能分析的新型應變 測量結(jié)構(gòu)，運相對于現(xiàn)有技術(shù)有所改進，并且消除了或至少減輕了 W上討論的缺陷。
[0007] 現(xiàn)在，已通過所附獨立權(quán)利要求中定義的技術(shù)，并且利用從屬權(quán)利要求中提及的 優(yōu)選實施例實現(xiàn)了該目的。
[0008] 在本發(fā)明的第一方面中，提供了一種機械構(gòu)件，該機械構(gòu)件具有當經(jīng)受應變時變 形（即伸長)的部分。所述部分包括腔。所述構(gòu)件進一步包括光學單元，所述光學單元被構(gòu)造 為向所述腔中發(fā)出光。所述光學單元還被構(gòu)造為檢測被反射的光。所述構(gòu)件進一步包括與 光學單元連接的控制單元。所述控制單元被構(gòu)造為確定由所發(fā)出的光引起的信號響應特 征，所發(fā)出的光已從所述光學單元行進到所述腔中、已被反射、并已行進返回到所述光學單 元。此外，所述控制單元被構(gòu)造為根據(jù)所確定的信號響應特征來確定所述機械構(gòu)件的所述 部分的物理變形，從而確定應變數(shù)據(jù)。所述構(gòu)件進一步包括通信單元，所述通信單元與所述 控制單元連接并被構(gòu)造為將所述機械構(gòu)件的應變數(shù)據(jù)傳達到外部設備。確定所述機械構(gòu)件 的物理變形是有利的，運是由于所述物理變形可W被用來確定所述構(gòu)件的應變。所述構(gòu)件 包括通信單元也是有利的，運使得所述構(gòu)件能夠發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，例如應變數(shù)據(jù)。
[0009] 所述控制單元可W被構(gòu)造為通過飛行時間方法或通過干設測量法來確定物理變 形。確定所述機械構(gòu)件的物理變形是有利的，運是由于所述物理變形可W被用來確定所述 構(gòu)件的應變。
[0010] 所述光學單元可W包括發(fā)光器和光檢測器，從而能夠發(fā)送出和接收光。所述光學 單元還可W包括反射器、分束器和/或其他光學部件。此外，所述控制單元可W是微控制器， 所述微控制器可W被構(gòu)造為控制所述發(fā)光器及其他部件。具有控制單元從而能夠控制所述 機械構(gòu)件中包括的其他部件是有利的。
[0011] 優(yōu)選地，所述光學單元包括激光器。使用激光器作為光學單元是有利的，運是由于 激光器相干地發(fā)出光。因此，能夠照射腔的底部，而不照射壁部，照射壁部會導致對應變數(shù) 據(jù)的不正確計算。
[0012] 所述機械構(gòu)件可W包括充電單元，所述充電單元被構(gòu)造為從周圍環(huán)境采集能量。 所述機械構(gòu)件還可W包括能量存儲單元，所述能量存儲單元被構(gòu)造為存儲由所述充電單元 采集的能量，并將能量提供給所述控制單元和所述通信單元。所述能量存儲單元可W包括 蓄能器，優(yōu)選為可充電電池。很可能W遠程且無法接近的方式安裝所述機械構(gòu)件。因此，優(yōu) 選所述構(gòu)件能夠提取和存儲能量，從而能夠為所述控制單元和所述通信單元二者供電，并 且不依賴于一定的電池壽命。
[0013] 在另一實施例中，所述構(gòu)件包括存儲器單元，所述存儲器單元被構(gòu)造為存儲例如 預設的制造數(shù)據(jù)、所確定的應變數(shù)據(jù)和/或處理后的應變數(shù)據(jù)或伸長量數(shù)據(jù)。由此，能夠存 儲各種數(shù)據(jù)，W等待被進一步傳達或等待未來的用途。
[0014] 在實施例中，所述通信單元為無線的。運在所述機械構(gòu)件被安裝在遠處位置時為 優(yōu)選，運是由于無需技術(shù)人員趕到裝配位置來從機械構(gòu)件收集存儲的數(shù)據(jù)。在另一實施例 中，所述機械構(gòu)件可W使用固定鏈接。運在所述機械構(gòu)件位于已存在運種基礎設施的位置 時為優(yōu)選。
[0015] 在一個實施例中，所述機械構(gòu)件包括支撐傳感器單元。所述支撐傳感器單元可W 向所述控制單元提供要在確定所述構(gòu)件的應變時使用的附加的有用的輸入數(shù)據(jù)。所述支撐 傳感器可W多于一個，并且所使用的傳感器的類型可W是用于所述機械構(gòu)件的各特定應用 領域的合適傳感器的組合。
[0016] 支撐傳感器的一個示例為溫度傳感器，運在所述機械構(gòu)件位于可W影響應變確定 的高溫或低溫環(huán)境中的情況下是有益的。
[0017] 支撐傳感器的另一示例為定位設備，運在車輛中安裝所述機械構(gòu)件的情況下是有 益的。然后，能夠確定所述構(gòu)件位于何處，并且作為示例，確定需要在車輛的所計劃的停車 站中的哪個停車站處加緊所述構(gòu)件。
[0018] 支撐傳感器的又一示例為濕度傳感器，運在所述機械構(gòu)件位于具有可W影響應變 確定或引起腐蝕的高濕度或低濕度的環(huán)境中的情況下是有益的。
[0019] 在優(yōu)選實施例中，所述機械構(gòu)件被包括在網(wǎng)絡中，所述網(wǎng)絡還包括中屯、軟件，所述 中屯、軟件被構(gòu)造為監(jiān)測所述網(wǎng)絡中包括的所有構(gòu)件的應變數(shù)據(jù)。所述中屯、軟件還被構(gòu)造為 自動報告正常功能、故障或偏差。所有機械構(gòu)件被構(gòu)造為與所述網(wǎng)絡中包括的其他相應構(gòu) 件通信。具有構(gòu)件的網(wǎng)絡從而在構(gòu)件之間共享信息或向構(gòu)件轉(zhuǎn)送信息是有益的。
[0020] 所述機械構(gòu)件可W是被構(gòu)造為將兩個部分一起加緊或錯緊的緊固元件，例如螺 栓、螺釘或馴釘。利用先前或之后描述的特征，能夠估計緊固元件是否松弛并需要被加緊， 并且如果是，則還能夠估計何時進行該維護是緊要的。還能夠避免由于疲勞、被錯緊的部分 的分離或被錯緊的部分之間的運動而導致的接縫破損。
[0021] 在優(yōu)選實施例中，所述機械構(gòu)件中的所述腔為細長孔。細長孔是有利的，運是由于 細長孔允許光脈沖串在孔的底部被反射并開始行進返回之前行進一定距離。較長的孔產(chǎn)生 更好的測量和計算精度。
[0022] 在一個實施例中，所述腔包括光學纖維。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點在于，該纖維作為保險絲來 工作。如果由于任何原因而將所述構(gòu)件伸長到超出所述光學纖維能夠伸展的程度，則所述 光學纖維將斷開，并且將無法進行測量，由此所述機械構(gòu)件能夠報告出現(xiàn)了錯誤。此外，能 夠?qū)鞲衅髟O定為在所述構(gòu)件過載(即使所述纖維未斷開)的情況下發(fā)出警告。
[0023] 在本發(fā)明的第二方面中，提供了一種測量機械構(gòu)件的應變的方法，所述機械構(gòu)件 具有腔。所述方法包括如下步驟:從光學單元向所述腔中發(fā)出光脈沖串，通過所述光學單元 檢測被反射的光脈沖串，確定由所發(fā)出的光引起的信號響應特征，根據(jù)所確定的信號響應 特征確定所述機械構(gòu)件的物理變形，從而確定應變數(shù)據(jù)，并將確定的應變數(shù)據(jù)傳達到外部 設備，所發(fā)出的光已從所述光學單元行進到所述腔中、已被反射、并已行進返回到所述光學 單元。
[0024] 在一個實施例中，通過飛行時間方法或通過干設測量法來確定所述物理變形。
[0025] 在一個實施例中，所述應變數(shù)據(jù)被傳達到手持設備。運在W可接近的方式定位所 述機械構(gòu)件時W及在優(yōu)選操作員由于某原因而在現(xiàn)場時是有利的。運在裝配期間也是有利 的。
[0026] 在另一實施例中，經(jīng)由無線通信系統(tǒng)傳達所述應變數(shù)據(jù)。當W無法接近的方式定 位所述構(gòu)件時，或者當優(yōu)選操作員不在現(xiàn)場時，優(yōu)選該通信方法。
[0027] 在又一實施例中，在所述機械構(gòu)件的網(wǎng)絡中傳達所述應變數(shù)據(jù)。在W無法接近的 方式定位所述構(gòu)件時并且在錯過了與外部設備直接進行無線通信的可能性的情況下、或者 在期望從作為一個封裝的幾個構(gòu)件發(fā)送數(shù)據(jù)時，運是有利的。
[0028] 在本發(fā)明的第=方面中，提供了一種系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括多個如上所述的機械構(gòu) 件。所述系統(tǒng)進一步包括中屯、軟件和基礎設施，所述中屯、軟件和基礎設施被構(gòu)造為監(jiān)測所 述系統(tǒng)中包括的所有機械構(gòu)件的應變數(shù)據(jù)，并還報告正常功能、故障或偏差。
[0029] 在一個實施例中，能夠從所述系統(tǒng)中包括的所述機械構(gòu)件中讀取信息/將信息寫 入所述機械構(gòu)件。例如，如果預設的制造數(shù)據(jù)被證明為錯誤，則可W將新的正確的數(shù)據(jù)上傳 到所述系統(tǒng)中包括的所有構(gòu)件。
[0030] 在本發(fā)明的第四方面中，提供了一種諸如機翼的結(jié)構(gòu)元件，所述結(jié)構(gòu)元件包括多 個如上所述的機械構(gòu)件。所述結(jié)構(gòu)元件中包括的所述機械構(gòu)件可W被連接在網(wǎng)絡中。使部 件被包括在結(jié)構(gòu)元件中的優(yōu)點在于，可W利用部件制造整個元件，并運輸該整個元件，W替 代分部分運輸該結(jié)構(gòu)用于現(xiàn)場裝配。
[0031] 在一個方面中，提供了一種組件，所述組件包括當經(jīng)受應變時變形的機械構(gòu)件。所 述構(gòu)件包括腔。所述系統(tǒng)進一步包括光學單元，所述光學單元被構(gòu)造為向所述腔中發(fā)出光， 并檢測被反射的光。所述系統(tǒng)進一步包括控制單元，所述控制單元與所述光學單元連接并 被構(gòu)造為確定由所發(fā)出的光從所述光學單元行進到所述腔中、在那被反射、并行進返回到 所述光學單元而引起的信號響應特征。所述控制單元進一步被構(gòu)造為根據(jù)所述信號響應特 征確定所述機械構(gòu)件的物理變形，W根據(jù)所述物理變形來確定應變數(shù)據(jù)。所述系統(tǒng)進一步 包括通信單元，所述通信單元與所述控制單元連接并被構(gòu)造為將所述機械構(gòu)件的應變數(shù)據(jù) 傳達到外部設備。
【附圖說明】
[0032] W下將參照例示了如何能夠使發(fā)明構(gòu)思付之實踐的非限制性示例的附圖，來描述 本發(fā)明的實施例。
[0033] 圖1是根據(jù)一個實施例的螺栓的截面圖。
[0034] 圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的機翼中包括的多個螺栓。
[0035] 圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的機翼中包括的多個螺栓。
[0036] 圖4示出了根據(jù)飛行時間方法的應變確定過程的流程圖。
[0037] 圖5示出了根據(jù)干設測量法的應變確定過程的流程圖。
[0038] 圖6示出了根據(jù)可替換實施例的螺栓。
[0039] 圖7示出了測量到的應變數(shù)據(jù)的圖。
【具體實施方式】
[0040] 下文中將參照附圖更加充分地描述某些實施例。然而，本發(fā)明可W W許多不同形 式來實施，并且不應當被解釋為限于運里提及的實施例;而是通過示例來提供運些實施例， 使得本公開將是充分的和完整的，并且向本領域技術(shù)人員充分表達了本發(fā)明的范圍。
[0041] 參照圖1，在橫截面中示意性示出了智能螺栓1的形狀的機械構(gòu)件或組件。螺栓1具 有軸2和頭部3,細長孔或腔4從螺栓1的頭部3延伸到軸2中。在仍保持螺栓1的強度的情況 下，孔4被優(yōu)選制成盡可能長且窄。孔4W底部結(jié)束?？?的橫截面優(yōu)選為圓柱形。孔4的直徑 優(yōu)選盡可能窄，范圍例如在0.1皿到1cm。
[0042] 螺栓1具有上部5,上部5容納控制單元6、存儲器單元7、充電單元8、能量存儲單元 9、通信單元10、支撐傳感器單元11和光學單元12。在另一實施例中，部件6-12也可W被安裝 在螺栓1的頭部3的內(nèi)部，或者部件6-12可W W任何其他方式與螺栓1連接。根據(jù)螺栓1的預 期用途，螺栓1還可W包括其他部件組。下文中，上部5也被稱為電子封裝。
[0043] 控制單元6控制光學單元12、存儲器單元7、通信單元10和支撐傳感器單元11。使用 合適的控制單元技術(shù)來實現(xiàn)它，例如但并不限于微控制器、CPU或微忍片等?？刂茊卧?優(yōu)選 通過RFID技術(shù)來實現(xiàn)，并且它優(yōu)選為小尺寸，例如大約為2 X 3mm。
[0044] 光學單元12被構(gòu)造為將光脈沖串發(fā)送到螺栓1的孔4中。它優(yōu)選為發(fā)光單元，更加 優(yōu)選為激光器，但是可W使用二極管或任何其他合適的光源。光學單元12還包括光檢測器， 光檢測器被構(gòu)造為檢測被反射的光。
[0045] 充電單元8包括能量采集元件，能量采集元件包括從周圍環(huán)境采集能量的任何合 適部件，例如但不限于從螺栓上的外部應變、太陽能、熱能、風能、鹽度梯度或動能。充電單 元8被構(gòu)造為向能量存儲單元9供給電力。
[0046] 能量采集的其他可替換方案有利用光傳感器充電或振動能量采集，光傳感器將陽 光轉(zhuǎn)換為能量。
[0047] 其他選擇有通過感應充電。然后將電流分離的充電線圈（未示出）置于提供有電子 封裝的螺栓1的頭部的頂部上。線圈通過感應將能量傳遞到能量存儲單元。
[0048] 能量存儲單元9包括用于存儲電力的電池（未示出）。螺栓1還可W連接到輸電干 線，或者它可W使用輸電干線的任何組合。能量存儲單元9被構(gòu)造為向例如控制單元6供給 電力。
[0049] 通信單元10經(jīng)由無線連接、有線接口、或其任何組合來操作。無線連接可W使用任 何無線傳輸技術(shù)，例如但不限于WLAN、IR、藍牙?、無線電、聲波、電磁感應。通信單元10優(yōu)選 使用藍牙?技術(shù)來實現(xiàn)，并且被構(gòu)造為將所確定的應變數(shù)據(jù)傳達到例如在網(wǎng)絡中包括的中 屯、軟件13或手持設備14。
[0化0] 存儲器單元7通過存儲器技術(shù)來實現(xiàn)，例如但不限于ROM、RAM、SRAM、DRAM、CMOS、 FLA甜、孤R或SDRAM等。該單元7被構(gòu)造為存儲所確定的應變數(shù)據(jù)和/或預設的制造數(shù)據(jù)。
[0051] 支撐傳感器單元11例如可W是溫度或濕度傳感器、定位設備、或可W向測量供給 相關輸入數(shù)據(jù)的任何其他傳感器。該單元11可W包括用于測量不同變量(例如濕度和溫度） 的多個傳感器/設備。
[0052] 在大部分實施例中，螺栓1被設定為當應變足W維持螺栓1的特定張力時進行記錄 并報告。運例如可W通過螺栓本身上可見的綠燈(未示出）來獲得。在大部分實施例中，優(yōu)選 的應變邊界的出廠設置被存儲在存儲器單元7中。出廠設置可W包括但不限于制造商名稱、 批號、唯一的螺栓ID、批次日期和時間、應變窗口、裝配工姓名、所使用的力矩、環(huán)境溫度、環(huán) 境濕度、裝配后的應變、裝配日期、數(shù)據(jù)庫中的隨著時間的偏差和/或維護警報。
[0053] 在一個實施例中，螺栓1需要被校準。如果要將螺栓1置于(例如具有低溫/高溫的） 惡劣天氣條件的位置，則當確定應變數(shù)據(jù)時優(yōu)選考慮校準。校準可W是在工廠和/或校準現(xiàn) 場進行的過程校準。工廠校準例如可W考慮螺栓將加緊哪些材料和加工批次。
[0054] -個實施例關注于基本應變檢測。例如可W使用手持設備14,來從螺栓1獲取應變 數(shù)據(jù)，從而確定應變是否在預設邊界值的范圍內(nèi)。運經(jīng)由控制單元6來進行，其中，控制單元 6從存儲器單元7接收應變值，并經(jīng)由通信單元10將應變值傳達至手持設備14。螺栓1基于自 充電系統(tǒng)，在自充電系統(tǒng)處，使用外部通信設備來向螺栓1詢問螺栓1的狀態(tài)。在該實施例 中，螺栓1優(yōu)選被配備有控制單元6、通信單元10、能量存儲單元9和充電單元8。外部通信設 備可W是手持設備14。螺栓1檢查應變是否在范圍之內(nèi)，如果是，則指示合適的加緊。
[0055] 在另一實施例中，螺栓1是自動系統(tǒng)的一部分。除了充電單元8W外，該實施例的螺 栓1包括無線通信單元10。螺栓1根據(jù)如下原理進行操作:在一定可調(diào)節(jié)長度的時間（該時間 取決于電池電量）內(nèi)螺栓1處于空閑狀態(tài)，喚醒，確定應變狀態(tài)，傳達所確定的應變狀態(tài)，并 回退到休眠。還可W經(jīng)由通信設備與螺栓1進行通信，該通信設備可W是手持通信設備。在 裝配并指示充分的應變之后，可W經(jīng)由通信設備加載數(shù)據(jù)(例如制造邊界值），并將該數(shù)據(jù) 上傳到螺栓的存儲器單元7。當完成時，可W有信息已被接收到并存儲的指示。可W通過通 信設備從螺栓1手動下載應變的指示。還可W通過螺栓檢查應變是否在范圍之內(nèi)、指示充分 的加緊并根據(jù)需要發(fā)送信息(例如所確定的應變數(shù)據(jù))來自動進行。
[0056] 在又一實施例中，螺栓1通過將所確定的應變數(shù)據(jù)與制造數(shù)據(jù)一起存儲在存儲器 單元7中，而了解應變，并且螺栓1能夠記住偏差，該偏差也被存儲在存儲器單元7中。當應變 下降到/超出闊值時可W發(fā)送出警報。該系統(tǒng)中包括的螺栓IW每秒一次到每年一次之間的 頻率間隔監(jiān)測應變，并且能夠自動報告正常功能、偏差和故障，并且還能夠確定潛在維護的 時間。系統(tǒng)進一步包括中屯、軟件和基礎設施13。在裝配并指示精確的應變之后，能夠從計算 機尋址螺栓1。還能夠向螺栓1寫信息/從螺栓1讀取信息。通過中屯、軟件，能夠管理螺栓1并 得到與系統(tǒng)連接的所有螺栓的狀態(tài)的概要。螺栓1確定應變是否在范圍之內(nèi)，指示充分的加 緊或偏差/故障，根據(jù)需要或W規(guī)則的時間間隔發(fā)送信息，并且是具有日志和存儲器的智能 系統(tǒng)的一部分。
[0057] 可W W上述通信方式的任何組合來發(fā)送根據(jù)螺栓1的伸長量來測量的應變數(shù)據(jù)。 例如，在裝配期間利用手持設備14可W從螺栓I獲取應變數(shù)據(jù)，并可W在操作期間，在不同 的構(gòu)件之間將數(shù)據(jù)發(fā)送到一個最終螺栓1，該最終螺栓1經(jīng)由無線通信轉(zhuǎn)送數(shù)據(jù)，或者存儲 數(shù)據(jù)直到操作者利用手持設備14提取數(shù)據(jù)。
[0058] 在圖1的實施例中，可選的光學纖維20被插入螺栓1的孔4中，W引導從光學單元12 發(fā)出的光。該實施例中的主要測量方法為:通過光學纖維20將光脈沖串向下發(fā)送到螺栓1的 孔中。脈沖串將行進通過被布置在孔4中的纖維20,在孔1的底壁被反射，并通過被布置在孔 4中的纖維20行進返回到光學單元12的檢測器。控制單元6確定該過程花費的時間，并通過 飛行時間方法來確定應變數(shù)據(jù)。另外，光學纖維20還可W作為保險絲或安全控件來工作;纖 維20在被暴露于縱向應變時非常易碎。因此，當螺栓1經(jīng)受過度應變時，光學纖維20將損壞， 并且由此應變測量將無法繼續(xù)工作。運將是對某物已發(fā)生故障的指示。
[0059] 在圖1的實施例中，控制單元師角定螺栓1的信號響應特征，從而通過飛行時間方法 來確定物理變形，例如伸長量。該方法基于如下原理:測量光脈沖串（包括一個單一光脈沖） 從光學單元12行進到腔4的底部、在底部被反射、并行進返回到光學單元所花費的時間。飛 行時間方法可W被用于在腔中具有光學纖維20的情況和不具有光學纖維20的情況二者。
[0060] 在另一實施例中，控制單元師角定螺栓1的信號響應特征，從而通過自由空間光學 通信(FSO)來確定物理變形，例如伸長量。自由空間光學通信是意味著如下的技術(shù)：W與先 前描述的光學纖維20相同的方式使用腔4,而不具有纖維20。
[0061] 在又一實施例中，控制單元師角定螺栓1的信號響應特征，從而通過干設測量法(優(yōu) 選為光學干設測量法)來確定物理變形，例如伸長量。干設測量法為如下測量方法:將波疊 加，從而提取關于波的信息。
[0062] 在W上實施例中，物理變形（例如伸長量)是縱向的應變，但是它也可W是其他物 理變形，例如由外力引起的扭轉(zhuǎn)或斷裂。W上測量方法還可W被用于應變控制，也就是說， 該方法被用來檢測偏差或故障，例如力矩、干擾或錯誤結(jié)果。
[0063] 參照圖2,示出了被安裝到結(jié)構(gòu)元件(運里被實施為機翼W)的智能螺栓1的系統(tǒng)14。 該系統(tǒng)進一步包括中屯、軟件和基礎設施13。因此，系統(tǒng)14中包括的螺栓1通過W上測量方法 之一，W例如每秒一次到每年一次之間的頻率間隔監(jiān)測應變。W-個螺栓1從所有其他螺栓 1接收數(shù)據(jù)的方式，螺栓1在相互之間進行通信。從所有其他螺栓1接收到數(shù)據(jù)的螺栓1將從 系統(tǒng)中包括的所有螺栓1收集的信息發(fā)送到中屯、軟件13。該特定過程的有益之處在于，可W 不使用無線網(wǎng)絡連接。一個示例可W是沿鐵路隧道安裝的螺栓1，在該鐵路隧道中，一個螺 栓例如經(jīng)由藍牙?.與下一個螺栓通信，W此類推，直到數(shù)據(jù)到達隧道外部的螺栓，然后，該 螺栓使用無線網(wǎng)絡通信將所有數(shù)據(jù)傳達到中屯、軟件13。
[0064] 在圖3中，示出了與圖2類似的結(jié)構(gòu)，其中智能螺栓1的系統(tǒng)14被緊固到機翼W。系統(tǒng) 14進一步包括中屯、軟件和基礎設施13。系統(tǒng)14中包括的螺栓1頻繁地監(jiān)測應變，但是在本實 施例中，各智能螺栓1與中屯、軟件13直接通信。
[0065] 圖4示出了如下流程圖，其中，參照W上提及的類型的螺栓1來描述根據(jù)飛行時間 方法的測量方法400。
[0066] 第一步驟401為:控制單元6控制發(fā)光器將光脈沖串發(fā)出到機械構(gòu)件1的腔4中，同 時控制單元6通過在時間Tl啟動時鐘來開始時間測量。發(fā)出的光脈沖串行進通過腔4,并在 步驟402中光脈沖串到達底部，在該底部反射光脈沖串。從那里，光脈沖串開始通過腔4向檢 測器行進返回。在步驟403中，通過檢測器檢測被反射的脈沖串，并在時間T2終止時間測量。
[0067] 在步驟404中，控制單元6分析脈沖串的信號響應特征，即，例如信號強度、幅度和 脈沖形狀。步驟409描述了如下情況:在一定量的時間之內(nèi)未檢測到脈沖串，或者是否W某 種方式干擾了所檢測到的信號。然后，控制單元6控制錯誤消息。運可W經(jīng)由通信單元10或 例如通過可視手段(例如通過二極管(未示出）顏色從綠變?yōu)榧t)來進行。另一方面，如果檢 測到的脈沖沒問題(在步驟405中描述它），則控制單元師角定脈沖從腔4的頂部行進到底部、 并再次行進返回到頂部所花費的時間，經(jīng)過T2-T1。然后，使用該時間和飛行時間方法來確 定螺栓的物理變形，在運種情況為應變數(shù)據(jù)或伸長量。
[0068] 在步驟406中，控制單元則尋所確定的應變數(shù)據(jù)或伸長量與基準值相比較。如果應 變數(shù)據(jù)在預設的可接受范圍內(nèi)，則控制單元6可W控制通信單元10將所確定的值發(fā)送到外 部單元13、14(例如計算機），并且/或者它可W啟動綠色二極管(步驟407)，或者控制單元6 還可W將所確定的應變數(shù)據(jù)存儲在存儲器單元7中（步驟408)。在某些實施例中，它可W進 行步驟407和步驟408二者。
[0069] 在步驟410中，所確定的應變數(shù)據(jù)不在預設的可接受范圍內(nèi)，并且控制單元6發(fā)出 關于應變不足的某種警報。運例如可W通過到外部單元13、14(例如計算機)的錯誤消息，或 者通過點亮紅色二極管來進行?？刂茊卧?還可W(步驟411)將確定的應變數(shù)據(jù)存儲在存儲 器單元7中。在某些實施例中，它可W進行步驟410和步驟411二者。
[0070] 圖5示出了如下流程圖，其中，參照W上提及的類型的螺栓1來描述根據(jù)干設測量 方法的測量方法500。
[0071] 第一步驟501為:控制單元控制發(fā)光器將光脈沖串發(fā)出到機械構(gòu)件1的腔4中，并且 同時控制單元6通過在時間T1啟動時鐘來開始時間測量。發(fā)出的光脈沖串行進通過腔4，并 在步驟502中它到達底部，在該底部光脈沖串被反射。從那里，光脈沖串開始通過腔4向檢測 器行進返回。在步驟503中，通過檢測器檢測被反射的脈沖串，并在時間T2終止時間測量。
[0072] 在步驟504中，控制單元6分析該脈沖的信號響應特征，即，例如干設圖案、信號強 度、幅度和脈沖形狀。步驟509描述了如下情況:在一定量的時間之內(nèi)未檢測到被反射的脈 沖串，或者是否W某種方式干擾了被檢測到的信號。然后，控制單元6控制錯誤消息。運可W 經(jīng)由通信單元10或例如通過可視手段(例如通過二極管(未示出）顏色從綠變?yōu)榧t)來進行。 另一方面，如果所檢測到的脈沖沒問題(在步驟505中描述它），則控制單元6分析干設圖案。 然后，使用干設測量法來確定螺栓的物理變形，在運種情況下為應變或伸長量。
[0073] 在步驟506中，控制單元則尋所確定的應變數(shù)據(jù)與基準值相比較。如果應變數(shù)據(jù)在 預設的可接受范圍內(nèi)，則控制單元6可W控制通信單元10將所確定的值發(fā)送到外部單元13、 14(例如計算機），并且/或者它可W點亮綠色二極管(步驟507)，或者控制單元6還可W將所 確定的應變數(shù)據(jù)存儲在存儲器單元7中（步驟508)。在某些實施例中，它可W進行步驟507和 步驟508二者。
[0074] 在步驟510中，所確定的應變數(shù)據(jù)或伸長量不在預設的可接受范圍內(nèi)，并且控制單 元6控制關于應變不足的某種警報。運例如可W通過到外部單元13、14(例如計算機)的錯誤 消息，或者通過點亮紅色二極管來進行。在步驟511中，控制單元6還可W將所確定的應變數(shù) 據(jù)存儲在存儲器單元7中。在某些實施例中，它可W進行步驟510和步驟511二者。
[0075] 在圖6中，示出了針對水下使用而開發(fā)的螺栓100的水面下應用。該螺栓100包括頭 部103和軸102,其中細長孔或腔104從螺栓的頭部103延伸到軸102中。螺栓100被提供有電 子封裝105,電子封裝105包括與先前描述的螺栓1基本相同的部件、W及與該螺栓相同的特 征，但是螺栓100在其頭部上進一步被配備有帽或封裝101。在帽封裝101內(nèi)部，提供了用于 接收無線電信號的接收器1〇7。運些信號可W來自于藍牙發(fā)射器，可能是低能量藍牙@發(fā) 射器(未示出），或者是在電子封裝105中提供的任何其他合適的發(fā)射器。帽封裝101進一步 被配備有線圈108, W向電子封裝105進行免接觸感應能量傳輸。螺栓100被提供有導線106， 導線106與其他螺栓連接，或者與外部數(shù)據(jù)收集設備直接連接。
[0076] 因此，電子封裝105和帽封裝101沒有相互直接接觸，無電流接觸，但是仍然實現(xiàn)了 二者之間的通信和電力傳輸。電子封裝105被密封在螺栓100的頭部103之內(nèi)，并因此免受外 部元件影響。因此，螺栓100適于在水下深處使用；螺栓100保持在水面下幾千米。運在例如 海洋行業(yè)中是非常有用的。
[0077] 圖7中示出了所測量到的值的圖解表示的示例。當控制員或檢查員使用手持設備 檢查螺栓的應變數(shù)據(jù)時，他/她可W在顯示器上得到該圖解表示。在另一實施例中，當W規(guī) 則間隔詢問測量值時，可W在外部設備的顯示器上示出該圖解表示。
[0078] 該圖在y軸示出了預載并在X軸示出了時間。在現(xiàn)實應用中，將針對當前應用而定 制軸上的單位。將分別W合適的單位表達預載和時間二者。該圖包括=個區(qū)域，代表了高、 低和可接受預載。期望由星表示的所有測量值在可接受范圍內(nèi)。如果值結(jié)束在低范圍區(qū)域 中，則螺栓可能是松弛的。如果值結(jié)束在高范圍區(qū)域中，則螺栓可能由于過大的預載而損 壞，并且在最壞的情況下裂成兩半。
[0079] 當進行測量時，即當控制員從螺栓讀取應變值時，運里，在圖中W星的形式出了標 記。當下次測量同一螺栓的值時，在圖中示出新的標記。因此，圖中的示例圖示出了一個特 定螺栓的六個測量值。示例中示出的前四個值W及最后一個值是沒問題的；運些值在可接 受范圍內(nèi)。另一方面，第四個值在過低的邊界上，第五個值明顯過低。運對于控制員來說是 有幫助的工具;他/她能夠看到預載如何隨時間而改變，甚至能夠預測何時需要加緊螺栓。 還可W通過外部設備來處理收集到的預載數(shù)據(jù)，并且例如通過對所測量到的值的外推，能 夠計算并預測預載將接近于低范圍的時間。為了進一步幫助檢查員，可接受范圍外部的值 可W被彩色編碼，例如如果值過低，則W紅色標記。
[0080] 應當意識到，發(fā)明構(gòu)思不限于上述實施例，在所附權(quán)利要求中提及的本發(fā)明的范 圍內(nèi)，許多變型例可行。如從說明書可理解到的那樣，本發(fā)明的系統(tǒng)不僅適用于緊固裝置， 而且適用于諸如螺紋緊固件的其他機械構(gòu)件，例如螺釘、螺栓、雙頭螺栓、特殊形成的外螺 紋緊固件或螺紋桿。確定上述機械構(gòu)件的應變的技術(shù)適用于具有高安全性要求的許多各種 各樣的領域內(nèi)，例如石油行業(yè)、核能行業(yè)、風能行業(yè)、飛機行業(yè)、汽車行業(yè)、加工行業(yè)或采礦 行業(yè)內(nèi)，W及如測量技術(shù)和振動測量的領域內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種機械構(gòu)件，所述機械構(gòu)件具有當經(jīng)受應變時變形的部分并包括腔（4; 104)，其 中，所述構(gòu)件進一步包括光學單元（12)、控制單元(6)以及通信單元（10)，所述光學單元 (12)被構(gòu)造為向所述腔(4)中發(fā)出光，并檢測被反射的光，所述控制單元(6)與所述光學單 元（12)連接并被構(gòu)造為確定由所發(fā)出的光從所述光學單元（12)行進到所述腔(4; 104)中、 被反射、并行進返回到所述光學單元（12)而引起的信號響應特征，其中，所述控制單元(6) 進一步被構(gòu)造為根據(jù)所述信號響應特征來確定所述機械構(gòu)件（1; 1〇〇)的所述部分的物理變 形，以根據(jù)所述物理變形來確定應變數(shù)據(jù)，所述通信單元（10)與所述控制單元(6)連接并被 構(gòu)造為將所述機械構(gòu)件(1; 100)的應變數(shù)據(jù)傳達到外部設備(13; 14)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的機械構(gòu)件，其中，所述控制單元(6)被構(gòu)造為通過飛行時間方 法或通過干涉測量法來確定物理變形。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的機械構(gòu)件，其中，所述光學單元（12)包括發(fā)光器和光檢測 器;并且所述控制單元(6)包括微控制器，所述微控制器被構(gòu)造為控制所述發(fā)光器。4. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任何一項所述的機械構(gòu)件，其中，所述光學單元（12)包括激 光器。5. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任何一項所述的機械構(gòu)件，所述機械構(gòu)件進一步包括充電單 元(8)，所述充電單元(8)被構(gòu)造為從周圍環(huán)境采集能量。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的機械構(gòu)件，所述機械構(gòu)件進一步包括能量存儲單元(9)，所述 能量存儲單元(9)被構(gòu)造為存儲由所述充電單元(8)采集的能量，并將能量提供給所述控制 單元(6)和所述通信單元(10)。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的機械構(gòu)件，其中，所述能量存儲單元(9)包括蓄能器，優(yōu)選為電 池。8. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任何一項所述的機械構(gòu)件，所述機械構(gòu)件進一步包括存儲器 單元(7 )，所述存儲器單元(7)被構(gòu)造為存儲預設的制造數(shù)據(jù)和所述應變數(shù)據(jù)。9. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任何一項所述的機械構(gòu)件，其中，所述通信單元（10)為無線 的。10. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任何一項所述的機械構(gòu)件，所述機械構(gòu)件進一步包括支撐 傳感器單元(11)。11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的機械構(gòu)件，其中，所述支撐傳感器單元（11)包括溫度傳感 器。12. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的機械構(gòu)件，其中，所述支撐傳感器單元(11)包括定位設備。13. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的機械構(gòu)件，其中，所述支撐傳感器單元（11)包括濕度傳感 器。14. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任何一項所述的機械構(gòu)件，其中，所述構(gòu)件（1; 100)被包括 在網(wǎng)絡中，所述網(wǎng)絡還包括中心軟件（13)，所述中心軟件（13)被構(gòu)造為監(jiān)測所述網(wǎng)絡（15) 中包括的所有構(gòu)件(1;1〇〇)的所述應變數(shù)據(jù)，并自動報告正常功能、故障或偏差。15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的機械構(gòu)件，其中，所有構(gòu)件（1; 100)被構(gòu)造為與所述網(wǎng)絡中 包括的其他相應構(gòu)件(1; 100)通信。16. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任何一項所述的機械構(gòu)件，其中，所述構(gòu)件（1; 100)為被構(gòu) 造為將兩個部分一起加緊的緊固元件，例如螺栓、螺釘或鉚釘。17. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任何一項所述的機械構(gòu)件，其中，所述腔為所述構(gòu)件（I; 100)中的細長孔(4;104)。18. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任何一項所述的機械構(gòu)件，其中，所述腔(4; 104)包含光學 纖維(20)。19. 一種用于測量機械構(gòu)件（1; 100)的應變的方法，所述機械構(gòu)件（1; 100)具有腔(4; 104)，所述方法包括如下步驟： 從光學單元(12)向所述腔(4; 104)中發(fā)出光脈沖串； 通過所述光學單元(12)檢測被反射的光脈沖串； 確定由所發(fā)出的光從所述光學單元（12)行進到所述腔(4; 104)中、被反射、并行進返回 到所述光學單元（12)而引起的信號響應特征，并根據(jù)所確定的信號響應特征來確定所述機 械構(gòu)件(1; 100)的物理變形，以根據(jù)所述物理變形來確定應變數(shù)據(jù)；以及 將應變數(shù)據(jù)傳達到外部設備（13，14)。20. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中，通過飛行時間方法或干涉測量法來確定所述物 理變形。21. 根據(jù)權(quán)利要求19或20所述的方法，其中，所述應變數(shù)據(jù)被傳達到手持通信設備 (14)〇22. 根據(jù)權(quán)利要求19至21中的任何一項所述的方法，其中，經(jīng)由無線通信系統(tǒng)傳達所述 應變數(shù)據(jù)。23. 根據(jù)權(quán)利要求19至22中的任何一項所述的方法，其中，在機械構(gòu)件的網(wǎng)絡中傳達所 述應變數(shù)據(jù)。24. -種系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括： 多個根據(jù)權(quán)利要求1至18中的任何一項所述的機械構(gòu)件（1; 100);以及 中心軟件和基礎設施（13)，所述中心軟件和基礎設施（13)被構(gòu)造為監(jiān)測所述系統(tǒng)中包 括的所有構(gòu)件(1;1〇〇)的所述應變數(shù)據(jù)，并自動報告正常功能、故障或偏差。25. 根據(jù)權(quán)利要求24所述的系統(tǒng)，其中，從所述機械構(gòu)件（1; 100)中讀取信息/將所述信 息寫入所述機械構(gòu)件(1; 100)。26. -種諸如機翼(W)的結(jié)構(gòu)元件，所述結(jié)構(gòu)元件包括多個根據(jù)權(quán)利要求1至18中的任 何一項所述的機械構(gòu)件(1; 100)。27. 根據(jù)權(quán)利要求26所述的結(jié)構(gòu)元件，其中，所述機械構(gòu)件（1; 100)被連接在網(wǎng)絡中。
【文檔編號】G01L5/24GK105960582SQ201580002535
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2015年4月2日
【發(fā)明人】莉娜·維丁·克拉森
【申請人】應變實驗室有限公司