导读

作者：张玉玺周兴广邓哲马平昌刘玥刘芳（北京强度环境研究所北京１０００７６）

来源：《电子测量技术》年4月

摘要：为了克服现有测力结构带有通孔、线路缠绕、影响装配等问题，提出了一种轴力测量螺栓及其手持式测试设备的设计方案及实现方法，利用安装在螺栓本体上的应变片得到螺栓的轴向力值，再通过基于ＳＴＭ３２单片机的手持式测量设备实时采集记录力值数据，手持式测量设备具有数据显示、灵敏度计算、应变调零、限值报警、数据存储与传输等功能。经标校、稳定性测试、强度测试，该测力螺栓方案灵敏度高、测量精度高、强度符合标准要求，具有较高的推广价值。

０引言

中大型结构体设计中，螺栓连接应用非常广泛，且地位十分重要。这是由于螺栓在载荷作用下会导致断裂等失效故障，引起连接失效，影响产品整体寿命和可靠性，甚至引起严重事故。但对运动部件而言（如发动机、风电机组、风电叶片、火箭箭体等），螺栓承受着较大的变化冲击载荷，所处的力学环境条件和边界条件异常复杂。这就导致动载荷情况下的疲劳强度计算、校核往往具有一定的局限性，反而实际测量分析意义更大。但事实上，很少采用直接螺栓受力分析，之所以无法实时分析螺栓受力，是由于多数情况下，很难直接获取工作状态下螺栓两个端面的力载荷［２］。

为解决这一问题，实时获取工作状态下的螺栓力载荷，本文提出一种测力螺栓结构及手持式测量设备设计与实现方法，通过较为简便的方式，在高强螺栓内增加感知应变片，不改变螺栓原有安装方式，不增加串联式力载荷传感器，比较真实地实时记录工作状态下螺栓连接端的力载荷。这种直接把螺栓作为测力元件传感器的方法主要以美国ｓｔｒａｉｎｓｅｒｔ测力螺栓为代表，国内目前主要以研究所、高校为主要研究单位，尚未形成有影响力的系列产品。本文描述的测力螺栓设计方案在精度与产品化方面同ｓｔｒａｉｎｓｅｒｔ测力螺栓尚有一定差距，但采用本方法设计的测力螺栓应用结果表明，该测力螺栓及测量设备可以方便的用于结构体弯矩载荷试验中载荷测量及风电叶片轮毂螺栓状态监测，具有一定的工程应用价值。

1测力螺栓设计

１．１结构设计

测力螺栓结构图如图１所示。产品机械结构由螺栓、应变片、插头等组成。该结构的工作原理是：螺栓两个连接端面受力后，使螺栓本体结构产生拉伸形变；该形变使应变片贴装部位同时受到拉伸作用，产生形变；形变被应变片感知，进而引起应变片电阻线性变化［３］；应变信号通过航空插头送至螺栓外部，被测试设备采集记录。

螺栓侧壁上贴装有四处应变片，其中两片为感知应变片，两片为温度补偿应变片［４］。４片应变片组成全桥，满足桥路平衡的同时，既提高测试精度，又实现温度和线路补偿。应变片结构图见图２所示。

１．２强度校核计算

选用８．８级螺栓，其抗拉强度为８００ＭＰａ，屈服强度为６４０ＭＰａ［５］，建立有限元模型对螺栓强度进行校核。在线弹性区内考核测力螺栓的强度变化，对测力螺栓进行拉伸、弯曲受力状态下的强度变化分析。

当被连接件受横向载荷时，在螺栓预紧力作用下，被连接件之间产生摩擦力来抵抗横向载荷，而螺栓不直接承受剪切，预紧力则可以折算入螺栓所受的拉力中。当被连接件所受的横向载荷为Ｑ时，为产生足够的摩擦力抵抗Ｑ，其所需要的最小预紧力ＦＰ为［６］：

在螺栓与试件相接触的端面施加均布载荷，其合力为６１００Ｎ，计算结果如图３、图４所示。最大的应力均出现在螺栓根部，主要原因是因为该部位存在较大的切应力以及正应力，并且截面发生突变引起的应力集中。测力螺栓最大等效应力为２７５ＭＰａ，此时测力螺栓受力远小于螺栓屈服强度，满足受力要求。

位移量云图计算结果中的最大位移量除以螺栓长度，获得的最大应变量为２８３με，该结果将作为测量设备量程选择依据。２测量设备设计测力螺栓测量设备结构如图５所示。主要由信号适配电路、单片机、人机交互、存储单元、电源管理等５部分组成。信号适配电路包括前级滤波、仪表放大器、调零及增益电路、低通滤波、ＡＤ转换、ＤＡ调零输出等电路。单片机采用ＳＴＭ３２Ｌ１５１，实现信号采集、数据记录、电源管理、人机交互、数据传输等控制。人机交互主要包括用于操作输入的按键、用于输出的显示屏及用于数据传输的ＵＳＢ接口。存储单元为单片ＥＥＰＲＯＭ存储芯片，完成数据记录功能。电源管理包括内置可充电锂电池、充电电路、电量检测电路、稳压电源、桥压供电用对称恒压源等，完成设备及传感器供电、电量检测等功能。

２．１信号适配电路

信号适配电路完成惠斯通电桥差分信号向数字信号的转换，包括放大、调零、滤波、模数转换等功能。

１）仪表放大器及前级滤波

惠斯通电桥检测出的全载荷应变量对应的电压变化量一般为几十毫伏［７］，因此在信号适配电路的前端需要放置专门的高增益仪表放大器。本文采用的是低噪音、低增益漂移的仪表放大器ＡＤ８４２８。ＡＤ８４２８是ＡＤ公司出产的２０００倍固定增益超低噪音仪表放大器，其电压噪音低达１．３ｎＶ／√Ｈｚ，增益准确度达到０．０５％，非常适合本方案信号小、放大倍数高、稳定度高的需求。ＡＤ８４２８的外围电路非常简单，仅需少量电阻、电容、电感即可实现。

由于应变片组成的惠斯通电桥与仪表放大器之间通过较长电缆传输信号，因此难免存在噪音的引入。另外测力螺栓多数应用在较为复杂的工作环境中，外部环境干扰也会通过电缆辐射进入信号中。测力螺栓的信号在ｍＶ级，属于小信号，为减少干扰影响，在仪表放大器前应加入滤波电路。信号传输线缆感应到的一般为中高频噪音，故在此选择ＲＣ低通滤波器。低通滤波器的截止频率选择过高，则部分中频噪音无法滤除；选择过低，则动态响应过程太慢，影响信号分析［８］。依据弯矩载荷试验信号频率特点，方案中选择低通截止频率为３．３ｋＨｚ。Ｃ３１和Ｒ３１、Ｃ３３和Ｒ３３分别构成两个ＲＣ低通滤波器，滤除Ｓ＋、Ｓ－信号上的噪音；Ｃ３２电容的作用是消除共模噪音。

２）调零电路

调零电路用于在惠斯通电桥未处于平衡状态时，通过信号补偿的方式使当前电信号处于零点附近。惠斯通电桥的测量电路常用的配平调零方式有两种，一种是在桥路电路上并联可调电阻，通过改变电阻阻值配平桥路，该方式多用于手动调零；一种是在电路放大器中利用加法电路原理，为偏置信号叠加反相电信号，该方式可用ＤＡ电路实现，因此可用于系统自动调零。测力螺栓测量设备采用ＳＴＭ３２单片机内置ＤＡ电路生成０～３．３Ｖ模拟电压信号，经ＡＤ７０６运放转换成－５～＋５Ｖ调零电压信号。

转换后的调零电压信号送至仪表放大器的Ｖｒｅｆ引脚，根据仪表放大器的输出公式：

设定ＤＡ，使Ｖｒｅｆ输出与调零前Ｖｏｕｔ相当的反相信号，即可将Ｖｏｕｔ调至零点附近。

３）低通滤波电路

同前级滤波电路不同，放大器后端、ＡＤ前端的低通滤波起到滤除分析频率外的混叠成分、消除放大器电路噪音的作用。根据弯矩载荷信号的频率范围，此处的低通滤波电路的截止频率设定至Ｈｚ级，因此本方案采用低频超稳态高精度运放ＡＤ７０６，搭建４阶低通滤波器。ＡＤ７０６具有高直流精度，最大偏置电压仅１００μＶ，峰峰噪音仅０．５μＶ，１０Ｈｚ以内的工作特性尤其出色。上述４阶低通滤波器设计截止频率约为１Ｈｚ。

４）ＡＤ模数转换器

本方案的模数转换器采用的是２４位ＡＤ芯片ＣＳ１２３７。ＣＳ１２３７是一款高精度、低功耗Ｓｉｇｍａ－Ｄｅｌｔａ模数转换芯片，一路差分输入通道，内置两阶Ｓｉｇｍａ－Ｄｅｌｔａ调制器，通过低噪音放大器结构实现ＰＧＡ放大，放大倍数可选：１、２、６４、１２８。在ＰＧＡ＝１２８时，有效分辨率可达２０位。

ＣＳ１２３７采用两线制ＳＰＩ接口，其中Ｄｏｕｔ管脚是双向管脚，需要注意时序操作时是读取寄存器还是写入寄存器。

２．２单片机

单片机采用的ＳＴＭ３２系列ＡＲＭ内核低功耗控制器ＳＴＭ３２Ｌ１５１。ＳＴＭ３２系列单片机具有丰富的片上资源，集成度高，接口丰富，功耗控制优秀，可大幅缩减硬件设计投资和周期［９－１２］。ＳＴＭ３２Ｌ１５１芯片是３２位Ｃｏｒｔｅｘ－Ｍ３内核，３２ＭＨｚ工作频率，８３个Ｉ／Ｏ口，１２８ｋＦｌａｓｈ存储空间，２４个通道１２位ＡＤＣ，２通道１２位ＤＡＣ，１个ＵＳＢ２．０接口，３个ＵＳＡＲＴ串口，２个ＳＰＩ接口，２个Ｉ２Ｃ接口，１０个定时器，２个看门狗定时器。资源非常丰富，正好能够满足设备对Ｉ／Ｏ接口、ＤＡＣ、ＳＰＩ接口、ＵＳＢ２．０接口的需求。

２．３人机交互设计

测力螺栓测量设备的人机交互包括３个部分，一是键盘输入设计；二是液晶显示屏；三是ＵＳＢ数据传输。

１）键盘输入设计

测量设备的键盘采用薄膜式按键设计，贴在手持式机壳面板上，由ＦＰＣ１．０ｍｍ－１０Ｐ接插件引入机壳内，压接在电路板插座上。键盘按键共有１７个，分别是“０～９”、“↑”、“↓”、“→”、“←”、“．”、开关键、“ＭＥＮＵ”菜单键。按键形成阵列组合后经驱动送至单片机的Ｉ／Ｏ口，由单片机扫描端口识别按键操作。

２）液晶显示屏

显示设备采用２．４寸液晶显示屏，分辨率３２０×２４０像素，ＴＴＬ电平串口接口控制，串口控制波特率最大可设置至１１５２００ｂｐｓ，显示颜色６５ｋ色。

３）ＵＳＢ数据传输

ＵＳＢ数据传输接口采用ＳＴＭ３２Ｌ１５１芯片内置ＵＳＢ２．０接口，工作在虚拟串口模式［１３］。连接计算机后，用户可在电脑上操作数据读取程序，从测量设备存储器中读取既往记录数据。

２．４存储单元

由于测力螺栓测量设备的采样率仅１～２０Ｈｚ，数据量不大，按容量计算公式计算：

式中：Ｍｅ为总数据容量；Ｓ采为采样率（按最大２０Ｈｚ计算）；ｔ为采样时间（按工作５小时计算）；２代表每次采样２字节数据。

数据量为Ｍ级，因此不用选择Ｆｌａｓｈ存储芯片、ＳＤ存储卡等常用大容量存储单元。但是ＳＴＭ３２Ｌ１５１芯片内的１２８ｋＦｌａｓｈ存储空间是不够的。方案选择单片ＥＥＰＲＯＭ存储芯片２４ＬＣ１０２５，该芯片为Ｉ２Ｃ接口，１０２４ｋＢ容量，典型工况３ｍｓ页写入时间，超１００万次擦除写入寿命，写电流５ｍＡ，读电流４５０μＡ。

２．５电源管理

测力螺栓测量设备的电源管理分为３个部分：充电电路、工作稳压电路及桥压供电电路。

１）充电电路

充电电路主要由电池充电管理及电量检测管理两部分组成。电池充电电路选用具有ＵＳＢ接口兼容的线性电池管理芯片ＴＰ４０５６。ＴＰ４０５６采用８管脚小外形封装，充电电流可达１Ａ，具有软启动限制浪涌电流、输出端防反灌功能，可自动再充电，十分适合于便携式测试领域。本方案充电电流设置为５００ｍＡ。电量检测管理采用的是低功耗四通道电压监测集成电路ＣＮ１１８５，按电池电压线性监测电池容量。ＣＮ１１８５消耗电流仅为７．３μＡ，比较器翻转阈值精度２．５％，输出端可以驱动ＬＥＤ或与微处理器Ｉ／Ｏ口直接连接，非常合适于监测电池电压。

２）工作稳压电路

工作稳压电路主要负责将电池电压转换成工作用的各直流电压。稳压电路第一级是用ＬＴ３４７１构成的升降压电路，提供±８Ｖ电压，该电压供桥压及二级稳压电压使用。ＬＴ３４７１是一款仅３ｍｍ×３ｍｍＤＦＮ封装的双通道１．３Ａ、１．２ＭＨｚ升压／负输出转换器，具有体积小，高输入输出电压的特点，外围器件相对较少。稳压电路第二级是产生各电路工作电压，主要为：由ＬＭ７８０５生成的５Ｖ电压；由ＬＭ７９０５生成的－５Ｖ电压；由ＬＭ１１１７－３．３生成的３．３Ｖ电压；由ＲＥＦ０３生成的２．５Ｖ基准电压等。

３）桥压供电电路

测力螺栓的传感器输出信号具有信号小、易受干扰的特点，且应变信号的输出与桥压品质有直接关系，因此桥压供电电路的选择至关重要。本方案采用运放ＡＤ８２２搭建一种对称恒压源桥压供电电路，保证桥压输出恒压稳定。

３软件设计

测力螺栓测量设备软件主要是安装于单片机内的嵌入式系统软件，用于实现测量设备信号采集、桥路平衡调零、电源管理、数据存储、数据传输、界面显示、键盘响应等功能。

软件采用Ｃ代码编程，编译环境为ＭＤＫ５。程序流程如图６所示。程序起始是初始化，初始化内容包括：初始化时钟、ＳＰＩ端口、ＵＡＲＴ串口、Ｉ／Ｏ口、ＣＳ１２３７模数转换器、内置ＤＡ模块、ＵＳＢ接口、显示屏等［１４］。

初始化完成后，程序首先检测是否连接ＵＳＢ。连接的前提是测量设备与计算机之间已连接ＵＳＢ线缆，计算机主机已经向ＳＴＭ３２单片机内置ＵＳＢ模块发起并完成枚举过程。枚举完成后，计算机主机完成驱动加载，并与ＳＴＭ３２单片机建立数据交换连接。程序检测到连接建立标志，则认为ＵＳＢ已经连接，软件进入数据传输程序，显示屏显示通讯界面，开始数据传输流程。程序未检测到连接建立标志，则认为ＵＳＢ未连接，软件将进入功能选择程序，显示屏显示功能选择界面，并提供灵敏度设置、调零程序、报警阈值设置、进入采集状态和关机等５项功能选择。

灵敏度设置界面用于设置当前测力螺栓传感器编号、灵敏度系数，以保证程序正确计算载荷力值。

调零程序功能用于进入调零程序，进入后设备将自动调零，并显示调零进度、调零结果、当前零线等。调零程序采用逐次逼近法选择合适的ＤＡ输出值，将当前ＡＤ采集值调整至零点附近。

报警阈值设置功能用于设定载荷力值的报警上下限。报警上限用于提示用户载荷过大超标，应及时采取相应措施；报警下限用于提示用户当前载荷过小，可能发生螺栓松动、断裂等故障；报警上限应大于报警下限。

进入采集状态功能选择后，软件将启动ＡＤ进行数据采集，将采集到ＡＤ原码经灵敏度换算后折算成力值，力值数据一方面保存在数据缓存区中，一方面显示在数据采集界面上。数据缓存区是存储器的页面容量大小，数据缓存区满，则向存储器新的一页中写入当前缓存区数据，然后缓存区清零，准备写入新的数据［１５］。数据显示界面中，如果当前数据未超限，则以白色字体显示采集力值；如果当前数据超上限，则以红色字体显示采集力值；如果当前数据超下限，则以蓝色字体显示采集力值。

各功能界面中，按下相应按键，程序则执行相应的返回、输入、确认、关机等操作。

4标校与测试

４．１标校

测力螺栓及测量设备设计完成后，首先进行测力螺栓的标校。标校方法如图７所示。将标准力传感器与测力螺栓串联，施加拉力载荷。施加力载荷通过设计好的工装实现，以消除方位对测量结果的影响［１６］。同时测力螺栓连接手持式测量设备测试应变数据（手持式测量设备已经过标准应变仪标定）。力传感器型号为ＢＫ－２Ｂ（灵敏度２．４１２ｍＶ／Ｖ，７．９６ｋＮ／ｍＶ），由微应变测试仪ＤＨ３８４２读取载荷应变量。

　首轮共选取５套测力螺栓样机进行标校，图８为其中４＃测力螺栓标校数据与标准载荷数据对比图。

测试结果表明，５套测力螺栓的灵敏度系数在区间７．６～８．２之间，一致性较好，最大误差范围４％～６％。标定精度在预期范围内。

４．２稳定性测试

测力螺栓的主要用途在于监测螺栓预紧力随蠕变的衰减情况，力值测试的稳定性是主要参数之一。因此标校后随即进行了零位测试和不同力值下螺栓的稳定性测试。测试的零位如图９所示，测试时间为２１．８ｍｉｎ，轴力测试螺栓的零位较为稳定。

在不同力值情况下测试了螺栓的稳定性，如图１０所示。通过２．５ｈ的测试，轴力测试螺栓的力值稳定。

４．３强度测试

２０１６年３月在北京普汇材料测试有限公司开展了测力螺栓拉伸试验，并测试了测力螺栓最大承载能力。

根据测试结果，开设中心孔的测力螺栓最大承载力为原有螺栓的９１．３５％，断裂位置为未旋合螺纹处。参照ＧＪＢ３３７５－１９９８《普通螺纹螺栓、螺钉通用规范》，测力螺栓承载能力满足技术指标要求。

５结论

本文提出了一种轴力测量螺栓及其手持式测试设备的设计方案及实现方法，直接通过安装在螺栓本体上的应变片得到螺栓的轴向力值，克服了现有螺栓带有通孔、线路缠绕、影响装配的问题，具有灵敏度高、精度高的特点。配合手持式测量设备，可以方便的应用于大型结构、武器装备、风电、高铁等领域，实现静／动力试验界面力测量、螺栓松动监测、轴力测量、螺栓预紧力测量、断裂过程分析等测量与测试功能，具有较高的经济和社会效益。

但当前设计过程中也发现，由于螺栓测试片安装空间有限，贴装应变片困难，安装工艺效率较低；力传导结构有待优化，测试灵敏度和精度有待提升。后续将在前期研究的基础上，尝试改变力传导结构，以提高灵敏度及测量精度。同时，优化产品设计，规范安装工艺及制作流程，以进一步拓展实际应用。

本

转载请注明:http://www.aideyishus.com/lkgx/391.html