一种基于结构应变的压电式单向力测量装置及方法

本发明属于结构力学测量与压电传感，涉及一种基于结构应变的压电式单向力测量装置及方法，适用于液压机立柱、船舶推进轴系、风电塔筒法兰、重型机械承载梁等大型不可破坏关键部件的单向承载力非侵入式高精度测量。

背景技术：

1、在重型工业装备、能源装备与航空航天领域，大量关键承载部件承担着巨大的轴向载荷，其承载力的实时监测是保障设备安全运行、预防灾难性事故的核心手段。目前大型部件单向承载力的主流测量方法为串联式力传感器法，即截断被测部件，将大量程力传感器串联接入承载链中，直接测量传递的力值。该方法虽测量精度较高，但存致命缺陷，截断操作永久性破坏了被测部件的结构完整性，导致其承载能力显著下降，无法应用于不可破坏的关键核心部件，同时串联式传感器的安装与维护需要停产拆解，成本高，周期长。

2、现有非侵入式测量方法主要采用数字图像位移测量法与光纤光栅表面贴附法，通过测量部件表面应变换算承载力。中国发明专利“一种基于超构透镜的数字图像相关应变测量系统及方法”（cn119123990a）中提出了一种单相机三维数字图像相关（3d-dic）应变测量方案，通过不同的光学镜头对同一待测区域同时成像，获取被测物体的三维形貌、位移及变形测量，适用于微小区域的应变测量。该方法虽实现了非接触式三维应变测量且系统集成度高，但数字图像相关法依赖被测表面的散斑质量，现场工业环境中的油污、粉尘易污染散斑图案导致测量失效；同时超构透镜的工作波长受限，白光成像时需配合滤波片使用，且现有超构透镜的成像视场较小，难以覆盖大型重型装备的大尺寸承载部件测量需求。中国发明专利“一种非侵入式预应力钢缆群系统健康状态的监测装置”（cn115585848a）中通过光纤光栅应变传感器将钢缆的张力转化成轴向应力，光纤光栅应变传感器能够检测反射波长的变化来测量钢缆的张力变化。当钢缆受到张拉力作用时，套筒能承受钢缆的张力，并且传递钢缆的应变，光纤光栅应变传感器布置在套筒的检测点处，以检测套筒的应变变化。但光栅波长漂移同时受应变和温度影响（交叉敏感），应变测量精度约为1μm；同时需额外温度参考光栅或双参量解调方案，增加系统复杂度和成本。

3、因此，亟需开发一种不破坏被测结构、安装便捷、高精度、抗干扰能力强的大型不可破坏部件单向承载力测量装置及方法。

技术实现思路

1、针对现有大型部件单向承载力测量方法存在破坏结构完整性、测量精度低、抗干扰能力差、量程不足的缺陷，无法满足工业现场关键不可破坏部件的长期稳定监测需求。本发明提供一种基于结构应变的压电式单向力测量装置及方法，通过附着式压电传感结构测量被测件表面的轴向应变，进而换算得到单向承载力，全程几乎不破坏被测件的主体结构。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

3、一种基于结构应变的压电式单向力测量装置，压电式单向力测量装置包括附着式压电应变传感器、信号处理单元和数据处理单元，配套使用时安装于被测量件表面，被测量件表面设有m6螺纹孔。所述附着式压电应变传感器通过其自带的预紧施加结构附着在被测量件表面，与被测量件形成固定连接；当被测量件受到单一轴向力产生变形时，结构变形由附着式压电应变传感器上的两个y0型压电石英晶组进行测量并转化为电荷信号，电荷信号依次传输至信号处理单元完成放大调理、数据处理单元完成运算，通过预先标定的传感器灵敏度换算为表面应变，进一步推算出被测量件的轴向承载力。具体的：

4、所述的附着式压电应变传感器包括传感器基体、两组结构相同的y0型压电石英晶组、接触凸台、传感器密封板、预紧螺栓、预紧垫片、信号导线和密封接口。所述的传感器基体采用高强度合金钢经调质处理制成，整体为长方体结构，沿长度方向水平放置。传感器基体厚度方向的中心位置加工有贯穿的预紧通孔，直径为6mm至8mm，用于穿过预紧螺栓，实现附着式压电应变传感器与被测量件表面m6螺纹孔的紧固连接，预紧螺栓上装配有锥形预紧垫片；预紧通孔朝向预紧螺栓头部的一端加工有锥形沉孔，沉孔顶部开口直径大于底部通孔直径，沿45°锥面平滑过渡至预紧通孔，用于与锥形预紧垫片的底部贴合接触，实现预紧力自动对中，确保预紧螺栓的预紧力能均匀作用于传感器基体。传感器基体的下表面向上加工有矩形凹槽，凹槽的中部在预紧通孔轴线上保留一圈环壁结构，环壁结构用于将预紧螺栓与凹槽内部空间进行隔离，其中环壁结构与预紧通孔同轴；凹槽沿长度方向的内表面对称设置两个安装凸台，分列于环壁结构两侧，用于粘接固定作为敏感元件的y0型压电石英晶组，y0型压电石英晶组的底部通过接触凸台安装于传感器密封板上，并穿过传感器密封板；两个安装凸台中心之间的水平距离为附着式压电应变传感器的测点距离，记为

2l，其中

l为单个安装凸台中心到传感器基体预紧通孔中心的距离，

2l可根据不同的测量量程需求进行调整。同时，传感器基体的侧壁沿长度方向加工有m5螺纹通孔，用于安装固定密封接口，密封接口通过信号导线与y0型压电石英晶组连接，用于传输感应电荷信号，密封接口能够在保证内部信号向外稳定传输的同时，实现腔体的密封防护，隔绝外部环境干扰。

5、进一步的，每个y0型压电石英晶组包括多个电极片与y0型压电石英晶片，电极片与y0型压电石英晶片的平面形状均为八边形且外形尺寸相互匹配。所述y0型压电石英晶组采用多层交替堆叠结构，由两片极化方向反向布置的y0型压电石英晶片与三片电极片通过导电胶紧密粘接装配，两片y0型压电石英晶片的中间位置及上下外侧各紧贴设置一片电极片；其中位于中间的电极片为信号输出极，通过信号导线连接至密封接口以传输感应电荷信号，位于上下外侧的电极片均为接地极，统一接地以屏蔽外界电磁干扰。两组y0型压电石英晶组对称粘接于传感器基体的两侧安装凸台处，其中左侧晶组内两片y0型压电石英晶片的极化负极均贴近中间电极片、极化正极均贴近上下外侧电极片，右侧晶组内两片y0型压电石英晶片的极化正极均贴近中间电极片、极化负极均贴近上下外侧电极片，使两组晶组的剪切敏感方向相反；当被测件变形带动两接触凸台产生相对剪切位移时，两组y0型压电石英晶组产生的感应电荷极性一致，可同向叠加输出。两组y0型压电石英晶组的信号输出端通过信号导线 并联后，经密封接口统一向外部信号处理单元传输电荷信号。

6、进一步的，所述y0型压电石英晶组中的电极片采用高导电性铜或银箔材料制成，厚度为0.05mm至0.1mm，表面镀有银层以提升导电性能与抗氧化能力；y0型压电石英晶片基于厚度剪切压电效应实现力电信号转换，具有灵敏度高、温度稳定性好、长期零点漂移小的固有特性，其剪切压电系数=4.6pc/n。

7、进一步的，所述的接触凸台采用硬质合金制成，整体为阶梯圆柱体结构，由大径端和小径端两部分组成。接触凸台的大径端通过胶粘在y0型压电石英晶组上，其直径大于y0型压电石英晶组的外接圆，单边尺寸大0.5mm至1mm，这种设计能够确保附着式压电应变传感器在预紧过程中接触凸台全面压实y0型压电石英晶组，避免局部应力集中导致的测量误差。接触凸台的小径端伸出传感器密封板的外部，预紧安装后与被测量件的表面接触。接触凸台的两端面表面粗糙度控制在ra≤0.8μm，平面度控制在≤0.01mm，能够保证在预紧螺栓的预紧力作用下，传感器基体、y0压电石英晶组与接触凸台紧密压紧，同时接触凸台与被测量件表面紧密贴合，实现应变的稳定、均匀传递。

8、进一步，所述的传感器密封板采用304不锈钢制成，整体为开口的矩形板结构。传感器密封板上加工有三个通孔，分别为中部的第一通孔，对称设于第一通孔两侧的第二通孔、第三通孔，其中第一通孔与传感器基体的预紧通孔同轴设置，尺寸大于预紧螺栓的外径。第二通孔、第三通孔分别与两个接触凸台同轴设置，孔径大于接触凸台小径端的横截面尺寸，保证凸台可自由伸出且不与壳体发生接触干涉。传感器密封板通过环氧树脂胶水与传感器基体的底部粘接固定，两者之间形成密闭的安装腔，安装腔能够保护内部的y0型压电石英晶组、信号导线不受外界环境中灰尘、油污、湿气的侵蚀。传感器密封板与接触凸台之间均留有0.5mm至1mm的间隙，两者之间无任何接触，能够避免传感器密封板参与应变传递，干扰测量信号的准确性。当附着式压电应变传感器依次组装上传感器基体、y0型压电石英晶组、接触凸台与传感器密封板后，接触凸台的小径端面向下传感器密封板高度为0.5mm至1mm。

9、进一步的，所述的预紧螺栓采用8.8级高强度螺栓，能够提供足够的预紧力保证传感器与被测量件的可靠连接。预紧螺栓依次穿过预紧垫片、传感器密封板的第一通孔和传感器基体的预紧通孔，最终拧入被测量件表面预先加工的m6螺纹孔中。预紧螺栓的头部采用内六角设计，便于使用扭矩扳手进行精确的预紧力矩控制。

10、进一步的，所述的预紧垫片采用双锥形垫片，上下两端对称且锥度均为45°，放置在预紧螺栓的头部与传感器基体的锥形沉孔之间。预紧垫片能够将预紧力均匀分布在传感器基体的两侧，进而均匀传递到两组y0型压电石英晶组上，有效避免了局部应力集中问题。同时，锥形垫片还能够依靠与基体的摩擦力限制螺栓松动，保证传感器在长期使用过程中始终保持稳定的预紧状态。

11、进一步的，所述的信号导线为带屏蔽层的细径导线，布置于密封腔内部。信号导线一端与y0型压电石英晶组的中间信号电极片连接，另一端与密封接口相连，用于实现感应电荷信号的传输。

12、进一步的，所述的密封接口为密封接插件，通过螺纹配合固定在传感器基体的侧壁m5螺纹通孔处，接口与m5螺纹通孔配合面设置有橡胶密封圈，实现密封腔的密封防护。密封接口的外接端用于对接外部信号线缆，可在保证内部电荷信号稳定引出的同时，阻挡外界水汽、粉尘进入传感器内部，保障y0型压电石英晶组等内部敏感元件的长期工作稳定性。

13、所述信号处理单元为电荷放大器，用于将附着式压电应变传感器输出的高阻抗电荷信号转换为低阻抗电压信号并完成增益放大，为通用工业测试设备。

14、所述数据处理单元为搭载数据采集模块的计算机，用于实现信号采集、标定系数运算与力值结果的显示存储，为通用工业测试设备。

15、所述的被测量件为单向轴向承载的被测构件，是本装置的测量对象，包括但不限于液压机立柱、船舶推进轴系、风电塔筒法兰、重型机械承载梁等大型不可破坏的关键承力部件。其待测区域具有确定的弹性模量与横截面积，能够将所承受的轴向静载荷与交变振动载荷转化为均匀的表面轴向应变，为附着式压电应变传感器提供应变输入。被测量件的待测表面预先加工有与预紧螺栓规格相匹配的m6螺纹孔，螺纹孔深度14mm至20mm，能够保证预紧螺栓连接的结构强度与预紧可靠性。螺纹孔周边的安装面经打磨清洁处理，平面度≤0.02mm/m，表面粗糙度不超过ra≤1.6μm，可与接触凸台的工作面紧密贴合，确保被测件的表面应变能够通过接触界面均匀、无损耗地传递至传感器内部的y0型压电石英晶组。

16、一种基于结构应变的压电式单向力测量方法，基于上述压电式单向力测量装置实现，包括以下步骤：

17、第一步：对附着式压电应变传感器进行标定。采用标准标定块与标准力源组合的方式进行标定，建立标准力值与传感器输出电荷的定量对应关系，得到附着式压电应变传感器的灵敏度系数与性能指标，确保量值准确可靠。具体的：

18、步骤1.1：设计标准标定块；

19、设计横截面积的等截面长方体标准标定块，标准标定块采用弹性模量已知的稳定材料制作，整体结构为下端固定段加上端工作段的等截面长方体。工作段的长、宽、高分别为、、，长度≥150mm，保证工作段内形成足够大的均匀应变区，能够完整容纳附着式压电应变传感器的安装且传感器安装位置处于应变均匀区域，并在工作段高度的中心处预先加工m6螺纹孔，用上安装附着式压电应变传感器。

20、同时标准标定块的工作段表面平面度控制在≤0.02mm/m，表面粗糙度ra≤1.6μm，两端面与轴线的垂直度≤0.02mm，确保加载过程中无偏心弯矩产生，工作段应变均匀一致。固定段的横截面积为中间工作段横截面积的2倍以上，四周均匀分布通孔用于固定标准标定块。根据轴向拉压胡克定律，标准标定块在标准力值作用下产生的均匀应变满足公式：

21、  (1)

22、其中，为标准标定块材料的弹性模量。

23、根据施加标准力值的量程与标准标定块的横截面积为确定标准标定块产生的应变，确保该数值大于被测量件在受到实际受力下产生的应变，保证标准标定块的应变量程覆盖被测量件的应变量程。

24、步骤1.2：对附着式压电应变传感器进行标定。

25、将待标定的附着式压电应变传感器按照与实际使用完全相同的安装方式，固定在标准标定块工作段的中心位置，使用相同规格的预紧螺栓和预紧垫片，并施加相同的预紧力矩。将安装好附着式压电应变传感器的标准标定块固定在经计量校准的标准力源上，标准力源为大量程标定台，能够提供稳定且准确的轴向拉压力。

26、按照阶梯加载的方式施加标准力值，加载范围为标准标定块的应变全量程，至少设置5个均匀分布的加载梯度；每个梯度加载完成后保持3秒至5秒，待电荷信号稳定后，由信号处理单元完成电荷信号调理，通过数据处理单元采集并记录输出电荷值。每个加载梯度完成后卸载至零点，重复上述加载与卸载循环三次，每次循环均记录完整的加载与卸载数据。其中，附着式压电应变传感器的满量程输出为加载力值最大时的输出。

27、步骤1.3：计算附着式压电应变传感器的性能指标。

28、根据步骤1.2三次标定循环的平均数据，采用最小二乘法对标准力值与输出电荷进行线性拟合，得到拟合直线的斜率即为附着式压电应变传感器的力灵敏度系数，单位为pc/με，如公式(2)所示：

29、  (2)

30、根据拟合结果计算附着式压电应变传感器的线性度误差，线性度误差为拟合直线与三次循环同一加载梯度的实测电荷平均值的最大偏差与满量程输出的比值，以百分数表示。

31、采用极差法计算附着式压电应变传感器的重复性误差，重复性误差为三次循环中同一加载梯度下输出电荷的最大差值与满量程输出的比值，以百分数表示。

32、根据上述计算结果，确保在附着式压电应变传感器在标定应变量程范围内线性度和重复性误差均满足设计要求，其中线性度误差≤2%fs，重复性误差≤2%fs。

33、第二步：对被测量件进行预处理。

34、在被测量件的待测位置，钻一个与预紧螺栓规格相匹配的m6螺纹孔，螺纹孔的深度为14mm至20mm，能够保证预紧螺栓的连接强度。用砂纸打磨螺纹孔周围的安装面，保证安装面的平面度不超过0.02mm/m，表面粗糙度不超过ra≤1.6μm，确保附着式压电应变传感器能够与被测量件表面紧密贴合。打磨完成后，用无水乙醇清洁安装面，彻底去除表面的油污和灰尘，避免杂质影响应变传递效果。

35、第三步：将附着式压电应变传感器安装到被测量件表面，并进行预紧。

36、将附着式压电应变传感器的预紧通孔与被测量件表面的螺纹孔对齐，然后在预紧螺栓的头部与传感器密封板之间放入预紧垫片。使用扭矩扳手拧入预紧螺栓，并基于预紧力矩进行均匀预紧，预紧力矩的范围为10n·m至12n·m，预紧完成后确保两个接触凸台与被测量件表面紧密贴合，无任何间隙。

37、第四步：实时测量与力值计算；

38、当被测量件承受轴向载荷时，其表面会产生与载荷大小成正比的轴向应变

ε，被测量件的横截面积为

s、弹性模量为

e。轴向应变

ε通过两个接触凸台传递给下方的y0型压电石英晶组，受到剪切变形而产生与应变成正比的电荷信号

q。再根据步骤1.3附着式压电应变传感器的灵敏度与被测量件的截面尺寸、弹性模量参数，换算得到被测量件所承受的单向承载力

f：

39、  (3)

40、综上，本发明提出的基于结构应变的压电式单向力测量装置及方法，以表面附着式安装实现非侵入式测力，通过双组反向极化压电晶组的对称差分架构与刚性摩擦传力结构，兼具测量精度高、长期稳定性好、动态响应宽的优势，有效解决了传统方案结构损伤大、环境适应性差、频响受限的缺陷，可广泛适配液压装备、风电、船舶等领域大型关键承力部件的承载力监测需求。

41、本发明的有益效果：

42、（1）非侵入式测量，完整保留结构承载能力。本发明采用非侵入式测量方式，仅需在被测量件表面加工直径6mm、深14mm的小螺纹孔，无需截断或改造被测部件，完全保留其原有力学性能和承载能力，特别适用于不可破坏的关键核心部件承载力测量。

43、（2）对称差分传感结构，兼具高精度与长期稳定性。本发明采用两组反向极化y0型压电石英晶组对称并联输出，晶组内双晶片反向串联可抵消法向载荷、温度波动等共模干扰；螺栓预紧使接触凸台与被测件紧固贴合，刚性摩擦传力替代粘接层，消除蠕变老化误差，连接状态长期稳定，测量线性度与重复性优异。

44、（3）高刚性传力设计，覆盖宽频动态测量范围。本发明以高刚度压电石英晶体作为敏感核心，配合硬质合金接触凸台与螺栓紧固的连接结构，整体结构固有频率高、响应速度快；紧密贴合的接触界面保证应变传递无滞后、无衰减，可准确复现准静态载荷、交变载荷与冲击载荷，固有频率不低于5khz，满足设备瞬态工况与振动状态的宽频监测需求。