摘要：针对目前钢结构桥梁螺栓预紧力监测问题，本文研制了一种由载体、绝缘层、芯层和引线组成的螺栓预紧力监测传感器。 首先，对螺栓预紧力监测方法进行了比较和选择。 根据钢结构桥梁螺栓预紧力监测的需要，选用基于压电阻抗法的螺栓预紧力监测传感器。 然后详细进行了螺栓预紧力监测传感器的监测方案。 、结构、电路及无线通讯电路设计； 最后进行监测效果测试。 结果表明,所研制的螺栓预紧力监测传感器具有良好的应用效果,为后期螺栓预紧力监测系统的建设奠定了良好的基础。
对于螺栓预紧力的监测，国内学者提出了多种预紧力监测方法：基于螺栓头表面变形的方法、压电阻抗法、时间反演法等，试验结果证明了每种方法的有效性。 随后，相关研究人员开发了螺栓预紧力监测系统，可以快速、准确地监测螺栓的实时预紧力[1]。 目前，除了各种实验室条件下的预紧力测试和使用专用测力螺栓外，还有工业化生产的电阻应变垫圈和力环预紧力传感器，但其内阻低、功耗大，无法满足要求。 大规模推广应用的要求。 文章开发了一种高内阻（10-50 kΩ）、低功耗的螺栓预紧力监测传感器。 后期可联网构建实时、无线、低成本的螺栓预紧力监测系统。 使用该螺栓预紧力监测传感器可以预防钢结构桥梁事故，降低维护成本，延长使用寿命，产生良好的经济效益。
1 钢结构桥梁螺栓预紧力监测方法比较与选择
螺栓作为重要的钢结构连接构件，广泛应用于桥梁和高层建筑结构中。 在螺栓质量缺陷、装配过程中过紧、疲劳载荷和环境腐蚀的综合影响下，可能会发生螺栓失效。 此外，螺栓连接的力学性能、螺栓间距、强度和受力状态等都会直接影响结构的承载能力，甚至危及结构的安全。 因此，有必要对螺栓施加预紧力，以提高结构的密封性，避免后期松动、滑移。 预紧力失效通常有两种情况发生。 预紧力过大，螺栓断裂，或初始预紧力不够，或交变载荷引起的预紧力不够，造成螺栓松动，发生疲劳断裂。 因此，对重要设施设备的螺栓预紧力进行监测具有重要意义[2]。
本文对我国目前使用的螺栓预紧力监测方法进行了调查，结果如表1所示（见下页）。 从表1可以看出，不同的螺栓预紧力监测方法都有各自的缺点。 常用的人工检查方式工作量大、费时费力、且容易漏检。 近年来，各种自动化监测方法成为主要发展方向，包括应变测量法、结构动力分析法、压电阻抗法和超声法等。 监测手段的升级，使监测结果更准确、监测范围更广、监测效率更高。 但先进设备的应用也会导致软件开发成本和监控成本增加，后续维护和维修也将繁琐复杂。 因此，为了达到易于应用、降低监测成本、良好应用的目的，根据钢结构桥梁螺栓预紧力监测的要求，基于压电阻抗法，研制了一种螺栓预紧力监测传感器。发展了。
2 钢结构桥梁螺栓预紧力监测传感器设计
2.1 监测方案设计
整体螺栓监测方案是将螺栓预紧力施加到传感器上，利用传感器内部的压力传感芯片、信号处理、单片机和无线发射电路模块对压力传感芯片进行处理，将螺栓的预紧力转换为预紧力信号将数值变形转换成电信号，电信号通过单片机转换成数字信号（AD转换），最后通过无线电传输到显示终端。 终端显示器会实时显示螺栓预紧力的变化值，以达到实时监测螺栓预紧力变化的目的。 总体方案如图1所示。
2.2 传感器结构设计
螺栓预紧力传感器可用于监测螺栓连接的松紧程度。 通过实时监测螺栓预紧力，可随时调整螺栓松紧度，确保在正常工作范围内。 螺栓预紧力传感器和采集器共同构成采集模块。 传感器承受负载后，将数据传输至采集器。 采集器将数据从模拟转换为数字，最后上传至网关。
为了减少安装传感器对钢结构桥梁原有螺栓紧固结构的影响，本文采用安装圆形垫片的方法来监测预紧力。 螺栓预紧力监测传感器外观如图2所示。
传感器由载体、绝缘层、核心层和引线组成。 其部分功能详细描述如下： (1)载体。 载体呈环形，由顶部和底部两片薄钢板组成。 其主要作用包括两个方面：一是保护芯膜压片，防止其受到外力损坏，影响采集数据的准确性； 二是作为膜压片提供均匀、稳定、可靠的承载面，保证预紧力的有效收集。
(2)保温层。 采用硅胶片作为薄膜压片的载体和绝缘层。 当施加外力时，它在载体和薄膜压片之间充当缓冲区，均匀有效地传递力。 同时，该层还可以防止外部水对膜压板的不利影响，从而有效保证传感器的使用寿命和精度。
(3)核心层。 薄膜压力片作为传感压力变化的核心钢结构检测费，主要由压力传感芯片、信号处理、单片机（AD转换）和无线传输模块四部分组成。 其工作原理是将压力传感芯片连接到螺栓上。 当受到压力时，传感器的压力传感芯片会发生变形并接收压力信号。 同时，位于另一侧的电阻膜片的尺寸也会发生变形，其电阻会随着压力的变化而变化。 线性变化趋势，则电路中的电流和输出信号的大小发生变化，并对输出信号进行监测。 最后，AD转换器或CPU处理器集中分析处理电信号，并通过无线传输将数字信号传输至显示终端，以监测螺栓预紧力[3]。
薄膜压片中的电阻是在真空环境下生产的。 使用微电子技术将电阻器镀在不锈钢弹性体上。 即采用离子束电镀技术钢结构检测费，将绝缘材料和电阻材料分解成小分子形式，使它们沉淀在不锈钢膜上，形成分子结合的绝缘膜和电阻膜。 最后，通过电镀和光刻技术，制造出薄膜电阻。 与传统的半导体电阻传感器、压力电阻传感器、电感电阻传感器相比，薄膜电阻的优点是受环境温度影响较小。 当温度变化小于100℃范围时，误差仅变化0.5%。 因此，薄膜电阻传感器的温度稳定性远高于其他类型的传感器。
膜压板的输出电导与外界压力的关系曲线如图3所示，并拟合了实测电导与外界压力的关系。 根据拟合曲线可以看出，电导随着压力的增大而增大，但呈线性增大趋势。 因此，可以根据建立的拟合曲线从电导值推断出外压力值，从而监测螺栓预紧力。
2.3 传感器电路设计
由于传感器以等臂电桥的形式输出信号，当螺栓预紧力变化很小时，信号容易受到干扰。 因此，需要对无线电波进行滤波，以消除高频干扰信号。 研究发现，采用陶瓷电容的低通滤波器可以有效降低高频干扰信号，提高预紧力监测的准确性。 另外，电信号接收并处理后，还需要进行AD转换，计算出传感器的预紧力值。 文章设计采用24位AD转换器，不仅尺寸合适、易于放入传感器内部，而且使用范围广、使用寿命长。
2.4 无线通信电路设计
考虑到无线传输距离和电池寿命的影响，需要平衡无线传输距离和电池寿命周期的设计。 本文采用433 MHz工业频段无线传输模块RS630进行信号传输。 为了节省电池电量、延长工作时间，接收端可以调整和设置传感器发送信号的时间间隔。 另外，通信协议中设置了校准模式，可以实时修正监测数据，保证测量精度。
3 螺栓预紧力监测效果分析
为了分析所设计的螺栓预紧力监测传感器的有效性，以M27高强螺栓为监测对象，采用数显扳手和活动扳手对螺栓进行预紧和松开。 在室内，在螺栓上安装螺栓预紧力监测传感器，然后以20 N·m的间隔逐渐将螺栓拧紧至100 N·m，松开螺栓使扭矩降至0。在此过程中收集电导数据并进行分析它的变化。
试验电导-试验时间序列关系曲线如图4所示。预紧力全部加载完成后，初始电导值基本保持不变，说明此时监测螺栓没有松动。 随着后续螺栓预紧力的减小，电导值继续增大。 当螺栓不再松动时，电导值不再变化。 因此，在实际监测中，可以通过电导值来判断螺栓松动程度[4-5]。
4。结论
根据钢结构桥梁螺栓预紧力监测的要求，基于压电阻抗法，研制了一种由载体、绝缘层、芯层和引线组成的螺栓预紧力监测传感器。线，并建立阻力和预紧力之间的关系。 相应地，该传感器应用方便，监测成本低，应用效果好。 通过分析螺栓预紧力监测传感器收集的电导随时间的变化，验证了传感器的有效性。
参考：
[1] 李宁，刘俊毅，王兆坤，等。 基于螺栓头部表面变形的螺栓预紧力监测研究[J]. 长江大学学报（自然科学版）, 2022, 19(2): 80-87.
[2] 张子涵，杜飞，张璐，等。 基于广义回归神经网络的螺栓松动压电阻抗监测[J]. 机械科学与技术, 2022, 41(4): 639-645.
[3]王雷，任伟新。 基于时间反演法的高强螺栓预紧力监测[J]. 工程建设, 2020, 34(5): 867-870。
[4] 张忠伟，王俊清，史雄飞，等。 植入式应变片智能螺栓预紧力测量系统的研究与应用[J]. 质量与可靠性，2020（3）：31-34。
[5] 卢明阁. 基于螺栓头端面应变的螺栓预紧力传感器[D]. 武汉：武汉科技大学，2022。
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