引言

　　中大型結(jié)構(gòu)體設(shè) 計 中，螺栓連接應用非常廣泛，且 地 位十分重要。這是由于螺栓在載荷作用下會導致斷裂等 失效故障，引起連接失效，影響產(chǎn)品整體壽命和可靠性，甚 至引起嚴重事故。但 對 運 動 部 件 而 言（如 發(fā) 動 機、風 電 機 組、風電葉片、火箭箭 體 等），螺栓承受著較大的變化沖擊 載荷，所處的力學環(huán)境條件和邊界條件異常復雜。這就導 致動載荷情況下的疲勞強度計算、校核往往具有一定的局 限性，反而實際測量 分 析 意 義 更 大。但 事 實 上，很 少 采 用 直接螺栓受力分析，之所以無法實時分析螺栓受力，是 由 于多數(shù)情況下，很難直接獲取工作狀態(tài)下螺栓兩個端面的 力載荷［2］。

　　為解決這一問題，實時獲取工作狀態(tài)下的螺栓力載荷， 本文提出一種測力螺栓結(jié)構(gòu)及手持式測量設(shè)備設(shè)計與實現(xiàn) 方法，通過較為簡便的方式，在高強螺栓內(nèi)增加感知應變 片，不改變螺栓原有安裝方式，不增加串聯(lián)式力載荷傳感器，比較真實地實時記錄工作狀態(tài)下螺栓連接端的力載荷。這種直接把螺栓作為測力元件傳感器的方法主要以美國 STRAINSERT測力螺栓為代表，國內(nèi)目前主要以研究所、高 校 為主要研究單位，尚未形成有影響力的系列產(chǎn)品。本文描 述的測力螺栓設(shè)計方案在精度與產(chǎn)品化方面同STRAINSERT 測力螺栓尚有一定差距，但采用本方法設(shè)計的測力螺栓應 用結(jié)果表明，該測力螺栓及測量設(shè)備可以方便的用于結(jié)構(gòu) 體彎矩載荷試驗中載荷測量及風電葉片輪轂螺栓狀態(tài)監(jiān) 測，具有一定的工程應用價值。

　　1 測力螺栓設(shè)計

　　1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　測力螺栓結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。產(chǎn)品機械結(jié)構(gòu)由螺栓、 應變片、插頭等組成。該結(jié)構(gòu)的工作原理是：螺栓兩個連接 端面受力后，使螺栓本體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生拉伸形變；該形變使應變 片貼裝部位同時受到拉伸作用，產(chǎn)生形變；形變被應變片感 知，進而引起應變片電阻線性變化［3］；應變信號通過航空插 頭送至螺栓外部，被測試設(shè)備采集記錄。

　　螺栓側(cè)壁上貼裝有四處應變片，其中兩片為感知應變 片，兩片為溫度補償應變片［4］。4片應變片組成全橋，滿足 橋路平衡的同時，既提高測試精度，又實現(xiàn)溫度和線路補 償。應變片結(jié)構(gòu)圖見圖2所示。

　　1.2 強度校核計算

　　選用8.8級螺栓，其抗拉強度為800MPA，屈服強度為 640MPA［5］，建立有限元模型對螺栓強度進行校核。在 線 彈性區(qū)內(nèi)考核測力螺栓的強度變化，對測力螺栓進行拉伸、 彎曲受力狀態(tài)下的強度變化分析。

　　當被連接件受橫向載荷時，在螺栓預緊力作用下，被連 接件之間產(chǎn)生摩擦力來抵抗橫向載荷，而螺栓不直接承受 剪切，預緊力則可以折算入螺栓所受的拉力中。當被連接 件所受的橫向載荷為 Q 時，為產(chǎn)生足夠的摩擦力抵抗 Q， 其所需要的最小預緊力FP 為［6］：

　　在螺栓與試件相接觸的端面施加均布載荷，其合力為 6100N，計算結(jié)果如圖3、圖4所示。最大的應力均出現(xiàn)在 螺栓根部，主要原因是因為該部位存在較大的切應力以及 正應力，并且截面發(fā)生突變引起的應力集中。測力螺栓最 大等效應力為275MPA，此時測力螺栓受力遠小于螺栓屈 服強度，滿足受力要求。

　　位移量云圖計算結(jié)果中的最大位移量除以螺栓長度， 獲得的最大應變量為283με，該結(jié)果將作為測量設(shè)備量程 選擇依據(jù)。2 測量設(shè)備設(shè)計 測力螺栓測量設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖5所示。主要由信號適配 電路、單 片 機、人 機 交 互、存 儲 單 元、電 源 管 理 等5部 分 組 成。信號適配電路包括前級濾波、儀表放大器、調(diào)零及增益 電路、低通濾波、AD轉(zhuǎn)換、DA 調(diào)零輸出等電路。單片機采 用STM32L151，實現(xiàn)信號采集、數(shù)據(jù)記錄、電源管理、人機 交互、數(shù)據(jù)傳輸?shù)瓤刂?。人機交互主要包括用于操作輸入 的按鍵、用于輸出的顯示屏及用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)?USB接口。存儲單元為單片 EEPROM 存儲芯片，完成數(shù)據(jù)記錄功能。電源管理包括內(nèi)置可充電鋰電池、充 電 電 路、電 量 檢 測 電 路、穩(wěn)壓電源、橋壓供電用對稱恒壓源等，完成設(shè)備及傳感 器供電、電量檢測等功能。

　　2.1 信號適配電路

　　信號適配電路完成惠斯通電橋差分信號向數(shù)字信號的 轉(zhuǎn)換，包括放大、調(diào)零、濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換等功能。

　　1）儀表放大器及前級濾波

　　惠斯通電橋檢測出的全載荷應變量對應的電壓變化量 一般為幾十毫伏［7］，因此在信號適配電路的前端需要放置 專門的高增益儀表放大器。本文采用的是低噪音、低增益 漂移的儀表 放 大 器 AD8428。AD8428是 AD 公 司 出 產(chǎn) 的 2000倍固定增益超低噪音儀表放大器，其電壓噪音低達 1.3NV／√Hｚ，增益準確度達到0.05％，非常適合本方案信 號小、放大倍數(shù)高、穩(wěn)定度高的需求。AD8428的外圍電路 非常簡單，僅需少量電阻、電容、電感即可實現(xiàn)。

　　由于應變片組成的惠斯通電橋與儀表放大器之間通過 較長電纜傳輸信號，因此難免存在噪音的引入。另外測力 螺栓多數(shù)應用在較為復雜的工作環(huán)境中，外部環(huán)境干擾也 會通過電纜輻射進入信號中。測力螺栓的信號在 MV 級， 屬于小信號，為減少干擾影響，在儀表放大器前應加入濾波 電路。信號傳輸線纜感應到的一般為中高頻噪音，故在此 選擇 RC低通濾波器。低通濾波器的截止頻率選擇過高， 則部分中頻噪音 無 法 濾 除；選 擇 過 低，則動態(tài)響應過程太 慢，影響信號分析［8］。依據(jù)彎矩載荷試驗信號頻率特點，方 案中選擇低 通 截 止 頻 率 為 3.3KHｚ。C31 和 R31、C33 和 R33分別構(gòu)成兩個 RC低通濾波器，濾除S＋、S－信號上的 噪音；C32電容的作用是消除共模噪音。

　　2）調(diào)零電路

　　調(diào)零電路用于在惠斯通電橋未處于平衡狀態(tài)時，通過 信號補償?shù)姆绞绞巩斍半娦盘柼幱诹泓c附近?；菟雇姌?的測量電路常用的配平調(diào)零方式有兩種，一種是在橋路電 路上并聯(lián)可調(diào)電阻，通過改變電阻阻值配平橋路，該方式多 用于手動調(diào)零；一種是在電路放大器中利用加法電路原理， 為偏置信號疊加反相電信號，該方式可用 DA 電路實現(xiàn)，因 此可用于系統(tǒng)自動調(diào)零。測力螺栓測量設(shè)備采用 STM32 單片機內(nèi) 置 DA 電 路 生 成 0～3.3 V 模 擬 電 壓 信 號，經(jīng) AD706運放轉(zhuǎn)換成－5～＋5V 調(diào)零電壓信號。

　　轉(zhuǎn)換后的調(diào)零電壓信號送至儀表放大器的VREF引 腳， 根據(jù)儀表放大器的輸出公式：

　　設(shè)定 DA，使VREF輸出與調(diào)零前VOUT相當?shù)姆聪嘈盘?，?可將VOUT調(diào)至零點附近。

　　3）低通濾波電路

　　同前級濾波電路不同，放大器后端、AD 前端的低通濾 波起到濾除分析頻率外的混疊成分、消除放大器電路噪音 的作用。根據(jù)彎矩載荷信號的頻率范圍，此處的低通濾波 電路的截止頻率設(shè)定至 Hｚ級，因此本方案采用低頻超穩(wěn) 態(tài)高精度運放 AD706，搭建4階低通濾波器。AD706具有高直流精度，最大偏置電壓僅100μV，峰 峰噪音僅0.5μV，10Hｚ以內(nèi)的工作特性尤其出色。上述 4階低通濾波器設(shè)計截止頻率約為1Hｚ。

　　4）AD模數(shù)轉(zhuǎn)換器

　　本方 案 的 模 數(shù) 轉(zhuǎn) 換 器 采 用 的 是 24 位 AD 芯 片 CS1237。CS1237是一款高精度、低功耗 SIGMA－DELTA模數(shù) 轉(zhuǎn)換芯片，一路差分輸入通道，內(nèi)置兩階 SIGMA－DELTA調(diào)制 器，通過低噪音放大器結(jié)構(gòu)實現(xiàn)PGA 放大，放大倍數(shù)可選：1、2、64、128。在 PGA＝128時，有效分辨率可達20位。

　　CS1237采用兩線制 SPI接 口，其 中 DOUT管 腳 是 雙 向 管腳，需要注意時序操作時是讀取寄存器還是寫入寄存器。

　　2.2 單片機

　　單片機采用的STM32系列 ARM 內(nèi)核低功耗控制器 STM32L151。STM32系列單片機具有豐富的片上資源， 集成度高，接口豐富，功耗控制優(yōu)秀，可大幅縮減硬件設(shè)計 投資和周期［9－12］。STM32L151芯片是32位CORTEｘ－M3內(nèi) 核，32 MHｚ工 作 頻 率，83 個I／O 口，128KFLASH存 儲 空 間，24個通道12位 ADC，2通道12位 DAC，1個 USB2.0 接口，3個 USART 串 口，2個 SPI接 口，2個I2 C 接 口，10 個定時器，2個看門狗定時器。資 源 非 常 豐 富，正 好 能 夠 滿足 設(shè) 備 對 I／O 接 口、DAC、SPI接 口、USB2.0 接 口 的 需求。

　　2.3 人機交互設(shè)計

　　測力螺栓測量設(shè)備的人機交互包括3個部分，一是鍵 盤輸入設(shè)計；二是液晶顯示屏；三是 USB數(shù)據(jù)傳輸。

　　1）鍵盤輸入設(shè)計

　　測量設(shè)備的鍵盤采用薄膜式按鍵設(shè)計，貼在手持式機 殼面板上，由 FPC1.0MM－10P接插件引入機殼內(nèi)，壓 接 在 電路板插座上。鍵盤按鍵共有17個，分別是“0～9”、“↑”、 “↓”、“→”、“←”、“?！?、開關(guān)鍵、“MENU”菜單鍵。按鍵形成 陣列組合后經(jīng)驅(qū)動送至單片機的I／O 口，由單片機掃描端 口識別按鍵操作。

　　2）液晶顯示屏

　　顯示設(shè)備采用2.4寸液晶顯示屏，分辨率320×240像 素，TTL電平串口接口控制，串口控制波特率最大可設(shè)置 至115200BPS，顯示顏色65K色。

　　3）USB數(shù)據(jù)傳輸

　　USB 數(shù)據(jù)傳輸接口采用 STM32L151 芯 片 內(nèi) 置 USB2.0接口，工作在虛擬串口模式［13］。連接計算機后，用 戶可在電腦上操作數(shù)據(jù)讀取程序，從測量設(shè)備存儲器中讀 取既往記錄數(shù)據(jù)。

　　2.4 存儲單元

　　由于測力螺栓測量設(shè)備的采樣率僅1～20Hｚ，數(shù)據(jù)量 不大，按容量計算公式計算：

　　式中：ME 為 總 數(shù) 據(jù) 容 量；S采 為 采 樣 率（按 最 大 20 Hｚ計 算）；T為采樣時間（按工作5小時計算）；2代表每次采樣2 字節(jié)數(shù)據(jù)。

　　數(shù)據(jù)量為 M 級，因此不用選擇 FLASH存儲芯片、SD 存 儲卡等常用大容量存儲單元。但是 STM32L151芯片內(nèi)的 128KFLASH存儲空間是 不 夠 的。方 案 選 擇 單 片 EEPROM 存儲芯片24LC1025，該芯片為I2 C接口，1024KB容量，典 型工況3MS頁寫入時間，超100萬次擦除寫入壽命，寫電 流5MA，讀電流450μA。

　　2.5 電源管理

　　測力螺栓測量設(shè)備的電源管理分為3個部分：充電電 路、工作穩(wěn)壓電路及橋壓供電電路。

　　1）充電電路

　　充電電路主要由電池充電管理及電量檢測管理兩部分 組成。電池充電電路選用具有 USB接口兼容的線性電池管 理芯片 TP4056。TP4056采用8管腳小外形封裝，充電電 流可達1A，具有軟啟動限制浪涌電流、輸出端防反灌功 能，可自動再充電，十分適合于便攜式測試領(lǐng)域。本方案充 電電流設(shè)置為500MA。電量檢測管理采用的是低功耗四通道電壓監(jiān)測集成電 路CN1185，按電池電壓線性監(jiān)測電池容量。CN1185消耗 電流僅為7.3μA，比較器翻轉(zhuǎn)閾值精度2.5％，輸出端可以 驅(qū)動LED或與微處理器I／O 口直接連接，非常合適于監(jiān)測 電池電壓。

　　2）工作穩(wěn)壓電路

　　工作穩(wěn)壓電路主要負責將電池電壓轉(zhuǎn)換成工作用的各 直流電壓。穩(wěn)壓電路第一 級 是 用 LT3471構(gòu)成的升降壓電路，提 供±8 V 電 壓，該電壓供橋壓及二級穩(wěn)壓電壓使用。LT3471是 一 款 僅 3 MM ×3 MM DFN 封 裝 的 雙 通 道 1.3A、1.2MHｚ升壓／負輸出轉(zhuǎn)換器，具有體積小，高輸入 輸出電壓的特點，外圍器件相對較少。穩(wěn)壓電路第二級是產(chǎn)生各電路工作電壓，主 要 為：由 LM7805生成的5V 電壓；由 LM7905生成的－5V 電壓；由 LM1117－3.3 生 成 的 3.3 V 電 壓；由 REF03 生 成 的 2.5V基準電壓等。

　　3）橋壓供電電路

　　測力螺栓的傳感器輸出信號具有信號小、易受干擾的 特點，且應變信號的輸出與橋壓品質(zhì)有直接關(guān)系，因此橋壓 供電電路的選擇至關(guān)重要。本方案采用運放 AD822搭建一種對稱恒壓源橋壓供 電電路，保證橋壓輸出恒壓穩(wěn)定。

　　3 軟件設(shè)計

　　測力螺栓測量設(shè)備軟件主要是安裝于單片機內(nèi)的嵌入式 系統(tǒng)軟件，用于實現(xiàn)測量設(shè)備信號采集、橋路平衡調(diào)零、電源管 理、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)傳輸、界面顯示、鍵盤響應等功能。

　　軟件采用 C代碼編程，編譯環(huán)境為 MDK5。程序流程 如圖6所示。程序起始是初始化，初始化內(nèi)容包括：初始化時鐘、SPI 端口、UART 串 口、I／O 口、CS1237模 數(shù) 轉(zhuǎn) 換 器、內(nèi) 置 DA 模塊、USB接口、顯示屏等［14］。

　　初始化完成后，程序首先檢測是否連接 USB。連接的 前提是測量設(shè)備與計算機之間已連接 USB線纜，計算機主 機已經(jīng)向STM32單片機內(nèi)置 USB模塊發(fā)起并完成枚舉過 程。枚舉完成后，計算機主機完成驅(qū)動加載，并 與 STM32 單片機建立數(shù)據(jù)交換連接。程序檢測到連接建立標志，則 認為 USB已經(jīng)連接，軟件進入數(shù)據(jù)傳輸程序，顯示屏顯示 通訊界面，開始數(shù)據(jù)傳輸流程。程序未檢測到連接建立標 志，則認為 USB未連接，軟件將進入功能選擇程序，顯示屏 顯示功能選擇界面，并提供靈敏度設(shè)置、調(diào)零程序、報警閾 值設(shè)置、進入采集狀態(tài)和關(guān)機等5項功能選擇。

　　靈敏度設(shè)置界面用于設(shè)置當前測力螺栓傳感器編號、 靈敏度系數(shù)，以保證程序正確計算載荷力值。

　　調(diào)零程序功能用于進入調(diào)零程序，進入后設(shè)備將自動 調(diào)零，并顯示調(diào)零進度、調(diào)零結(jié)果、當前零線等。調(diào)零程序 采用逐次逼近法選擇合適的 DA 輸出值，將當前 AD 采集 值調(diào)整至零點附近。

　　報警閾值設(shè)置功能用于設(shè)定載荷力值的報警上下限。報警上限用于提示用戶載荷過大超標，應及時采取相應措 施；報警下限用于提示用戶當前載荷過小，可能發(fā)生螺栓松 動、斷裂等故障；報警上限應大于報警下限。

　　進入采集狀態(tài)功能選擇后，軟件將啟動 AD 進行數(shù)據(jù) 采集，將采集到 AD原碼經(jīng)靈敏度換算后折算成力值，力值 數(shù)據(jù)一方面保存在數(shù)據(jù)緩存區(qū)中，一方面顯示在數(shù)據(jù)采集 界面上。數(shù)據(jù)緩存區(qū)是存儲器的頁面容量大小，數(shù)據(jù)緩存 區(qū)滿，則向存儲器新的一頁中寫入當前緩存區(qū)數(shù)據(jù)，然后緩 存區(qū)清零，準備寫入新的數(shù)據(jù)［15］。數(shù) 據(jù) 顯 示 界 面 中，如 果 當前數(shù)據(jù)未超限，則以白色字體顯示采集力值；如果當前數(shù) 據(jù)超上限，則以紅色字體顯示采集力值；如果當前數(shù)據(jù)超下 限，則以藍色字體顯示采集力值。

　　各功 能 界 面 中，按 下 相 應 按 鍵，程 序 則 執(zhí) 行 相 應 的 返 回、輸入、確認、關(guān)機等操作。

　　4 標校與測試

　　4.1 標校

　　測力螺栓及測量設(shè)備設(shè)計完成后，首先進行測力螺栓 的標校。標校方 法 如 圖7所 示。將標準力傳感器與測力 螺栓串聯(lián)，施加拉力載荷。施加力載荷通過設(shè)計好的工裝 實現(xiàn)，以消除方位對測量結(jié)果的影響［16］。同時測力螺栓連 接手持式測量設(shè)備測試應變數(shù)據(jù)（手持式測量設(shè)備已經(jīng)過 標準 應 變 儀 標 定 ）。力傳感器型號為 BK－2B（靈 敏 度 2.412MV／V，7.96KN／MV），由微應變測試儀 DH3842讀 取載荷應變量。

　　首輪共選取5套測力螺栓樣機進行標校，圖8為其中 4＃測力螺栓標校數(shù)據(jù)與標準載荷數(shù)據(jù)對比圖。

　　測試 結(jié) 果 表 明，5 套測力螺栓的靈敏度系數(shù)在區(qū) 間 7.6～8.2之間，一致性較好，最大誤差范圍4％～6％。標 定精度在預期范圍內(nèi)。

　　4.2 穩(wěn)定性測試

　　測力螺栓的主要用途在于監(jiān)測螺栓預緊力隨蠕變的 衰減情況，力值測試的穩(wěn)定性是主要參數(shù)之一。因此標校 后隨即進行了零位測試和不同力值下螺栓的穩(wěn)定性測試。測試的零位如圖9所示，測試時間為21.8MIN，軸 力 測試螺栓的零位較為穩(wěn)定。

　　在不同力值情況下測試了螺栓的穩(wěn)定性，如 圖10所 示。通過2.5H的測試，軸力測試螺栓的力值穩(wěn)定。

　　4.3 強度測試

　　2016年3月在北京普匯材料測試有限公司開展了測 力螺栓拉伸試驗，并測試了測力螺栓最大承載能力。

　　根據(jù)測試結(jié)果，開設(shè)中心孔的測力螺栓最大承載力為 原 有 螺 栓 的 91.35％，斷裂位置為未旋合螺紋處。參 照 GJB3375－1998《普通螺紋螺栓、螺釘通用規(guī)范》，測力螺栓 承載能力滿足技術(shù)指標要求。

　　5 結(jié)論

　　本文提出了一種軸力測量螺栓及其手持式測試設(shè)備 的設(shè)計方案及實現(xiàn)方法，直接通過安裝在螺栓本體上的應 變片得到螺栓的軸向力值，克服了現(xiàn)有螺栓帶有通孔、線 路纏繞、影響裝 配 的 問 題，具 有 靈 敏 度 高、精 度 高 的 特 點。配合手持式測量設(shè)備，可以方便的應用于大型結(jié)構(gòu)、武器 裝備、風電、高鐵等領(lǐng)域，實現(xiàn)靜／動力試驗界面力測量、螺 栓松動監(jiān)測、軸力測量、螺栓預緊力測量、斷裂過程分析等 測量與測試功能，具有較高的經(jīng)濟和社會效益。

　　但當前設(shè)計過程中也發(fā)現(xiàn)，由于螺栓測試片安裝空間 有限，貼裝應變片困難，安裝工藝效率較低；力傳導結(jié)構(gòu)有待優(yōu)化，測試靈敏度和精度有待提升。后續(xù)將在前期研究 的基礎(chǔ)上，嘗試改變力傳導結(jié)構(gòu)，以提高靈敏度及測量精度。同時，優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計，規(guī)范安裝工藝及制作流程，以進 一步拓展實際應用。

　　作者：張玉璽 周興廣 鄧 哲 馬平昌 劉 玥 劉 芳 （北京強度環(huán)境研究所 北京 １０００７６）

　　來源：《電 子 測 量 技 術(shù)》2020年4月