引言

　　中大型結構體設 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 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 于多數情況下，很難直接獲取工作狀態下螺栓兩個端面的 力載荷［2］。

　　為解決這一問題，實時獲取工作狀態下的螺栓力載荷， 本文提出一種測力螺栓結構及手持式測量設備設計與實現 方法，通過較為簡便的方式，在高強螺栓內增加感知應變 片，不改變螺栓原有安裝方式，不增加串聯式力載荷傳感器，比較真實地實時記錄工作狀態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品。本文描 述的測力螺栓設計方案在精度與產品化方面同STRAINSERT 測力螺栓尚有一定差距，但采用本方法設計的測力螺栓應 用結果表明，該測力螺栓及測量設備可以方便的用于結構 體彎矩載荷試驗中載荷測量及風電葉片輪轂螺栓狀態監 測，具有一定的工程應用價值。

　　1 測力螺栓設計

　　1.1 結構設計

　　測力螺栓結構圖如圖1所示。產品機械結構由螺栓、 應變片、插頭等組成。該結構的工作原理是：螺栓兩個連接 端面受力后，使螺栓本體結構產生拉伸形變；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，被測試設備采集記錄。

　　螺栓側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，又實現溫度和線路補 償。應變片結構圖見圖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 彈性區內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，計算結果如圖3、圖4所示。最大的應力均出現在 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，該結果將作為測量設備量程 選擇依據。2 測量設備設計 測力螺栓測量設備結構如圖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、調零及增益 電路、低通濾波、AD轉換、DA 調零輸出等電路。單片機采 用STM32L151，實現信號采集、數據記錄、電源管理、人機 交互、數據傳輸等控制。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據傳輸的 USB接口。存儲單元為單片 EEPROM 存儲芯片，完成數據記錄功能。電源管理包括內置可充電鋰電池、充 電 電 路、電 量 檢 測 電 路、穩壓電源、橋壓供電用對稱恒壓源等，完成設備及傳感 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字信號的 轉換，包括放大、調零、濾波、模數轉換等功能。

　　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 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、放大倍數高、穩定度高的需求。AD8428的外圍電路 非常簡單，僅需少量電阻、電容、電感即可實現。

　　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 螺栓多數應用在較為復雜的工作環境中，外部環境干擾也 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，則動態響應過程太 慢，影響信號分析［8］。依據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）調零電路

　　調零電路用于在惠斯通電橋未處于平衡狀態時，通過 信號補償的方式使當前電信號處于零點附近。惠斯通電橋 的測量電路常用的配平調零方式有兩種，一種是在橋路電 路上并聯可調電阻，通過改變電阻阻值配平橋路，該方式多 用于手動調零；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，因 此可用于系統自動調零。測力螺栓測量設備采用 STM32 單片機內 置 DA 電 路 生 成 0～3.3 V 模 擬 電 壓 信 號，經 AD706運放轉換成－5～＋5V 調零電壓信號。

　　轉換后的調零電壓信號送至儀表放大器的VREF引 腳， 根據儀表放大器的輸出公式：

　　設定 DA，使VREF輸出與調零前VOUT相當的反相信號，即 可將VOUT調至零點附近。

　　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 電路的截止頻率設定至 Hｚ級，因此本方案采用低頻超穩 態高精度運放 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以內的工作特性尤其出色。上述 4階低通濾波器設計截止頻率約為1Hｚ。

　　4）AD模數轉換器

　　本方 案 的 模 數 轉 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 轉換芯片，一路差分輸入通道，內置兩階 SIGMA－DELTA調制 器，通過低噪音放大器結構實現PGA 放大，放大倍數可選：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，功耗控制優秀，可大幅縮減硬件設計 投資和周期［9－12］。STM32L151芯片是32位CORTEｘ－M3內 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 備 對 I／O 接 口、DAC、SPI接 口、USB2.0 接 口 的 需求。

　　2.3 人機交互設計

　　測力螺栓測量設備的人機交互包括3個部分，一是鍵 盤輸入設計；二是液晶顯示屏；三是 USB數據傳輸。

　　1）鍵盤輸入設計

　　測量設備的鍵盤采用薄膜式按鍵設計，貼在手持式機 殼面板上，由 FPC1.0MM－10P接插件引入機殼內，壓 接 在 電路板插座上。鍵盤按鍵共有17個，分別是“0～9”、“↑”、 “↓”、“→”、“←”、“。”、開關鍵、“MENU”菜單鍵。按鍵形成 陣列組合后經驅動送至單片機的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置 至115200BPS，顯示顏色65K色。

　　3）USB數據傳輸

　　USB 數據傳輸接口采用 STM32L151 芯 片 內 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據讀取程序，從測量設備存儲器中讀 取既往記錄數據。

　　2.4 存儲單元

　　由于測力螺栓測量設備的采樣率僅1～20Hｚ，數據量 不大，按容量計算公式計算：

　　式中：ME 為 總 數 據 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 字節數據。

　　數據量為 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

　　測力螺栓測量設備的電源管理分為3個部分：充電電 路、工作穩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域。本方案充 電電流設置為500MA。電量檢測管理采用的是低功耗四通道電壓監測集成電 路CN1185，按電池電壓線性監測電池容量。CN1185消耗 電流僅為7.3μA，比較器翻轉閾值精度2.5％，輸出端可以 驅動LED或與微處理器I／O 口直接連接，非常合適于監測 電池電壓。

　　2）工作穩壓電路

　　工作穩壓電路主要負責將電池電壓轉換成工作用的各 直流電壓。穩壓電路第一 級 是 用 LT3471構成的升降壓電路，提 供±8 V 電 壓，該電壓供橋壓及二級穩壓電壓使用。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。穩壓電路第二級是產生各電路工作電壓，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有直接關系，因此橋壓 供電電路的選擇至關重要。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定。

　　3 軟件設計

　　測力螺栓測量設備軟件主要是安裝于單片機內的嵌入式 系統軟件，用于實現測量設備信號采集、橋路平衡調零、電源管 理、數據存儲、數據傳輸、界面顯示、鍵盤響應等功能。

　　軟件采用 C代碼編程，編譯環境為 MDK5。程序流程 如圖6所示。程序起始是初始化，初始化內容包括：初始化時鐘、SPI 端口、UART 串 口、I／O 口、CS1237模 數 轉 換 器、內 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 前提是測量設備與計算機之間已連接 USB線纜，計算機主 機已經向STM32單片機內置 USB模塊發起并完成枚舉過 程。枚舉完成后，計算機主機完成驅動加載，并 與 STM32 單片機建立數據交換連接。程序檢測到連接建立標志，則 認為 USB已經連接，軟件進入數據傳輸程序，顯示屏顯示 通訊界面，開始數據傳輸流程。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，并提供靈敏度設置、調零程序、報警閾 值設置、進入采集狀態和關機等5項功能選擇。

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

　　調零程序功能用于進入調零程序，進入后設備將自動 調零，并顯示調零進度、調零結果、當前零線等。調零程序 采用逐次逼近法選擇合適的 DA 輸出值，將當前 AD 采集 值調整至零點附近。

　　報警閾值設置功能用于設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。

　　進入采集狀態功能選擇后，軟件將啟動 AD 進行數據 采集，將采集到 AD原碼經靈敏度換算后折算成力值，力值 數據一方面保存在數據緩存區中，一方面顯示在數據采集 界面上。數據緩存區是存儲器的頁面容量大小，數據緩存 區滿，則向存儲器新的一頁中寫入當前緩存區數據，然后緩 存區清零，準備寫入新的數據［15］。數 據 顯 示 界 面 中，如 果 當前數據未超限，則以白色字體顯示采集力值；如果當前數 據超上限，則以紅色字體顯示采集力值；如果當前數據超下 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 行 相 應 的 返 回、輸入、確認、關機等操作。

　　4 標校與測試

　　4.1 標校

　　測力螺栓及測量設備設計完成后，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，施加拉力載荷。施加力載荷通過設計好的工裝 實現，以消除方位對測量結果的影響［16］。同時測力螺栓連 接手持式測量設備測試應變數據（手持式測量設備已經過 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＃測力螺栓標校數據與標準載荷數據對比圖。

　　測試 結 果 表 明，5 套測力螺栓的靈敏度系數在區 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。

　　4.2 穩定性測試

　　測力螺栓的主要用途在于監測螺栓預緊力隨蠕變的 衰減情況，力值測試的穩定性是主要參數之一。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定。

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

　　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。

　　根據測試結果，開設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、螺釘通用規范》，測力螺栓 承載能力滿足技術指標要求。

　　5 結論

　　本文提出了一種軸力測量螺栓及其手持式測試設備 的設計方案及實現方法，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。配合手持式測量設備，可以方便的應用于大型結構、武器 裝備、風電、高鐵等領域，實現靜／動力試驗界面力測量、螺 栓松動監測、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，具有較高的經濟和社會效益。

　　但當前設計過程中也發現，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；力傳導結構有待優化，測試靈敏度和精度有待提升。后續將在前期研究 的基礎上，嘗試改變力傳導結構，以提高靈敏度及測量精度。同時，優化產品設計，規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 （北京強度環境研究所 北京 １０００７６）

　　來源：《電 子 測 量 技 術》2020年4月