超声波传感器最新研究 (新型3d超声波传感器)

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螺栓预紧力测量是工业中普遍存在又亟需解决的一个共性问题;在航空航天、风力发电、核电阀门、发电厂等工业领域的一些关键设备,都有螺栓预紧力测量的需要。德国Intellifast公司利用空间传感技术,研发出一种内置传感器的螺栓。其可以感应并测量螺栓空间内的压力,精确地确定栓接深度,了解当前的连接状况,使部件连接更加稳固、可靠。

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该公司的技术最早源于90年代初期为火星探路者号研发的超声波预载测量技术

预紧力长期以来都是通过紧固件安装扭矩來控制的,目前该方法应用最广泛的是在工程钢结构安装、汽车装配、风力发电安装等领域。然而该方法存在两点问题:一是由于各个螺栓螺纹面或螺帽接触面的摩擦因素的离散性,致使转矩系数离散,即使施拧同一转矩,轴向应力也会有很大的离散,同时由于施工人员素质、 施工器具以及施工管理等方面的原因,欠拧和超拧的现象难以完全避免;二是,安装以及定期维护只能进行一次性控制,对于安装后由于机构本身变形引起的夹紧力失效,以及机构长期运作过程中的振动、腐蚀等工作环境引起的夹紧力失效无法进行监控。未来在离岸风力发电之维护成本非常昂贵,部件失效后造成的损失以及维修成本不是更换一个螺栓那么简单。

目前比较热门的解决方案之一是超声波。固体介质在超声纵波传播方向上的应力变化会引起纵波声速的相应变化,该原理称为声弹性原理,声速与应力有相应的关系函数。实际应用中通常通过超声波渡越时间和长度的测量來计算声速。由于应力的存在,不仅声速变化导致声时变化, 材料应力以及温度的变化均会引起材料长度变化而导致声时变化。因此实际研究中不得不同时考虑材料应力、温度对声速和长度的影响。

目前德国最前瞻的技术源于intellifast公司的PMTS技术,通过仪器或探头与螺栓顶面接触,运用超声波直接读取螺栓的当前夹紧力。

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资料来源:Bolt tightening offshore: a cr ucial consideration Jan 2011

通过离子蒸汽沉积(Ion Vapor Deposition, IVD),在真空环境下,在螺栓顶面形成一个复合层感测器(The State-of-the-art Piezoelectric Sensor),第一层是压电层,第二层是保护层,第三层是金属电极层。在感测器测试阶段,每一个独立螺栓就打上了识别条码(2D Data Matric Bar Code),在螺栓标定阶段,超声波特征以镭射矩阵条码的形式打在螺栓末端。

如您对PMTS技术有任何疑问或兴趣,请点击直通德企CEO-Intellifast

同时,该公司研发的测量仪是一种便携式仪器,采用电池供电,用于识别、测量和记录螺栓及其测量资料。该仪器发送的低能量脉冲可以驱动螺栓压电层工作,同时接收返回信号。

该仪器与网络互连,集成了一个标准工业读码器,在与螺栓连接时可识别哪个螺栓以及螺栓的超声波特性。

PMTS技术可以为每一个紧固件提供完整的追溯性、资料记录和排序功能。其精度在

±3%。传统扭矩组装件因考虑到离散性,采用 1.8-2.0 的紧固系数以保证安全,而

PMTS 系统准确的预紧力控制可实现螺栓重量更轻、体积更小。

同时,PMTS 系统更解决了安装后紧固螺栓的持续测量与监控问题,适应各种复杂的安装环境,大大节省了后期的维护成本、减少了失效的风险。PMTS 也可与自动安装系统相集成,由其分配液压工具施加组装所需的精确预张力,实现自动安装。

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空客在研发时,为了获得更好的控制重量,将减重目标分解到各个子系统,紧固件也不例外。为了减少重量,将紧固件的规格调小了,那么设计的冗余度就小了,螺栓预紧力的精准控制就必须得到保证。空客采用德国Intellifast的超声智能螺栓,通过测量螺栓长度的变化,来计算螺栓预紧力,维护和监控A380翼襟翼至关重要的紧固件。他们的产品已经应用到了F-35B战机、空客A380客机、AREVA核电站等一系列的高端军工和民用领域。