测试与表征在传感器集成螺栓多轴力测量方法学开发中的作用

《Sensors》：The Role of Testing and Characterization in the Methodical Development of Sensor-Integrating Bolts for Multi-Axial Force Measurement

　　

传感器集成螺栓（sensor-integrating bolts）为通过将传感功能集成到现有机器元件中进行原位（in situ）数据采集提供了一种有前景的解决方案。为了确保广泛使用和改造，必须保持标准化的机械接口和性能，这导致了机械性能与传感性能之间的目标冲突（conflict of objectives）。现有技术水平缺乏满足这些目标的多轴力测量螺栓。因此，研究人员提出了一种方法学方法，开发不断演进的传感器集成螺栓原型，并应用测试活动来表征螺栓的性能，获取知识以进一步改进原型。使用了应变片（strain gauges, SGs）和一个专门开发的带有蓝牙低功耗（Bluetooth Low Energy, BLE）接口的数据采集电子平台。原型承受轴向和弯曲载荷测试。研究了机械和传感性能指标，如冯·米塞斯应力（von Mises stress）增加、线性度误差（linearity error）、迟滞误差（hysteresis error）和灵敏度（sensitivity）。展示了测试活动的表征结果以及从每次迭代中提取的关于应变片类型和位置或传感器体集成及其对性能指标影响的知识。总体而言，原型将线性度误差从3.3%改善到1%（轴向）和从3.7%改善到0.1%（弯曲）。误差低于6%，灵敏度约为10 μV/V/kN（轴向）和1 μV/V/Nm（弯曲）。测量链的集成将机械性能降低了1.3%至24.6%的范围，凸显了目标冲突。需要采取补偿措施，例如提高螺栓的强度。此外，测量结果表明，即使在轴向载荷情况下，弯曲扭矩也会叠加，因此有必要研究其对载荷能力的影响。

**论文解读：测试与表征在传感器集成螺栓多轴力测量方法学开发中的作用**

**研究背景、存在问题与开展原因**

在现代工业环境中，对高质量运行数据的需求日益增长，以支持预测性维护、状态监测和数字孪生。直接在系统功能关键点原位（in situ）采集数据具有显著优势。标准化机器元件（如螺栓）位于这些关键位置，是集成传感解决方案的理想平台。螺栓是最常见的机器元件之一，通常处于力流中，因此作为传感器节点极具价值。然而，螺栓在几何形状和载荷能力方面高度标准化（如ISO 4014、VDI 2230），给传感器模块的集成留下了极小的设计自由度。目前，现有技术缺乏同时实现多轴力测量（轴向力和弯曲力矩）与完整测量链集成（从传感元件到数据接口）且不损害标准化机械接口的传感器集成螺栓。这种机械性能与传感性能之间的目标冲突（conflict of objectives）是核心挑战——传感器模块需要空间以测量物理量，而机械完整性依赖于保持材料强度和几何形状，在螺栓中尤为突出，集成腔体可能显著降低承载能力。因此，研究人员旨在通过方法学方法开发迭代原型，利用测试活动表征性能并获取知识，逐步优化传感器集成螺栓，以平衡多轴力测量与机械性能。

**主要关键技术方法**

研究人员采用V模型（V-Model, VDI 2206）与测试方法论（methodology of testing）相结合的方法指导开发，通过提出“如果结构，则功能，因为关联关系”的假设来获取缺失知识。关键技术包括：（1）使用三个T-罗塞特半桥应变片（strain gauges, SGs）沿螺栓圆周均匀分布，基于应变信号计算轴向力与弯曲力矩矢量；（2）开发微型化柔性超低功耗应变片读出平台（Flexible Ultra Low Power Strain Gauge Readout Platform, F2LECS），集成24位模数转换器（ADC）和蓝牙低功耗（Bluetooth Low Energy, BLE）接口，可折叠入螺栓头；（3）利用万能试验机（112-50 kN, TesT GmbH）进行轴向和三点弯曲载荷测试，依据DIN EN ISO 376加载模式；并参考商用应变片放大器（GSV4-USB）进行对比。机械性能通过最大冯·米塞斯应力（von Mises stress）增加和最小横截面积减少评估，传感性能通过线性度误差（linearity error）、迟滞误差（hysteresis error）和灵敏度（sensitivity）表征。

**研究结果**

**V1: 圆柱形应变片在杆身（Cylindrical Strain Gauges in Shaft）**
设计采用三个圆柱形应变片（T-罗塞特半桥）粘接在螺栓杆身直径2 mm的孔内，电子腔位于螺栓头。表征结果显示，机械性能影响最小（冯·米塞斯应力增加仅1.26%），但圆柱应变片粘接时无法施加压力固化，导致胶层厚度不可控，仅适用于5–10次载荷循环。轴向灵敏度约10 μV/V/kN，线性度误差低于4%，但一个应变片灵敏度偏高，表明叠加了弯曲力矩（非纯轴向载荷）。弯曲灵敏度为1.3 μV/V/Nm，误差约3.7%。通过旋转螺栓确认该叠加源于测试装置公差而非应变片应用问题。

**V2.1: 扁平应变片在传感器体（Flat Strain Gauges on Sensor Body）**
为解决胶层不确定性，改用扁平应变片粘接在独立传感器体（sensor body）上，再通过过盈配合（interference fit）压入螺栓。设计将应变片置于传感器体表面以便施压和检查。机械性能降低（横截面积减少9%，应力增加18.4%）。但轴向测试显示线性和迟滞误差显著增大（可达10%以上），灵敏度下降。分析表明过盈配合失效——传感器体在高载荷下无法传递足够力而发生滑动，导致信号滞后。弯曲测试因配合失效而中止。该迭代表明过盈配合需要重新设计以传递所需力并防止压装损伤。

**V2.2: 扁平应变片在空心传感器体（Flat Strain Gauges on Hollow Sensor Body）**
通过增加传感器体弹性（中心钻孔）降低需传递的力，并将上下配合面分离（上配合面直径增大1 mm）以防止压装刮伤。机械性能进一步下降（横截面积减少27%，应力增加18.4%）。轴向测试成功：线性度误差降至2.2%（好于V1），灵敏度与V1相似，且无叠加弯曲力矩。弯曲灵敏度约0.5 μV/V/Nm（较V1低66%），原因是应变片到中心轴半径从5 mm减至3.35 mm。同时测试了F2LECS平台，其误差略高于商用GSV4（线性度增加2.6%，迟滞增加3.8%），证明微型电子对性能影响较小。

**V3: 扁平应变片在弯曲优化传感器体（Flat Strain Gauges on Bending Optimized Sensor Body）**
为提升弯曲灵敏度，设计了三弯曲梁（three-bending-beam）传感器体：每个梁内外表面各贴一个应变片，构成半桥，可单独测量梁的弯曲。轴向力使所有梁同向弯曲，弯曲力矩使一个梁输出反向。机械性能降低最多（横截面积减少30%，应力增加24.6%）。传感性能最优：轴向线性度误差1%（所有版本最佳），迟滞误差6.15%；弯曲线性度误差仅0.11%，迟滞误差0.52%。弯曲灵敏度显著提高，且轴向与弯曲信号可区分。

**总结与比较**
迭代结果表明机械与传感性能存在明确权衡：V1机械性能最好但传感误差较高且弯曲灵敏度受限；V3传感性能最优（尤其弯曲）但机械性能降低最多。综合来看，V3是弯曲力矩测量的最佳方案，但需补偿约24%的应力增加（如选用更高强度等级）。

**讨论与结论**

讨论指出，研究成功回答了“迭代设计的传感器集成螺栓在关键机械和传感特性上表现如何”这一研究问题。通过系统性表征，识别了应变片应用不确定性、测量误差、灵敏度等问题的来源，并将其追溯至应变片类型、变形体设计和安装方法。各迭代在轴向和弯曲方向上的误差均低于6%，灵敏度处于合理范围（轴向约10 μV/V/kN，弯曲约1 μV/V/Nm）。机械性能降低1.3%至24.6%，凸显了目标冲突的固有性。叠加弯曲力矩现象表明，即使纯轴向加载也可能导致扭矩成分，需进一步研究其承载能力影响。与现有技术水平比较，所开发的螺栓在保持标准化接口的同时实现了完整的测量链集成（含BLE无线传输），这是现有解决方案所缺乏的。

**结论部分翻译**
本研究通过展示用于轴向力和弯曲力矩联合测量的传感器集成螺栓迭代版本的全面表征，推进了现有技术水平，该螺栓具有完全可集成的带BLE接口的测量链。从每次迭代获得的详细见解被系统记录，突出了实验测试在传感器集成螺栓方法学开发中的核心作用。研究揭示了传感器放置和安装策略如何影响信号质量和系统性能，以及机械与传感功能之间的固有目标冲突。通过将三个半桥应变片以不同配置嵌入M20螺栓，并结合微型化F2LECS电子设备进行应变片信号采集和无线通信，所提出的概念实现了轴向力和弯曲力矩矢量的原位测量，同时不损害螺栓的标准化机械接口。结果表明，应变片信号可靠地跟随施加载荷，在多次轴向和弯曲载荷循环中表现出线性和可重复行为。传感表征得到性能误差低于6%，灵敏度约为10 μV/V/kN（轴向）和1 μV/V/Nm（弯曲力矩）。在理想条件下，这对应于轴向力测量的6 N分辨率和弯曲力矩测量的46 mNm分辨率（V3的弯曲分辨率将在未来工作中研究）。机械性能降低表现在两种最常见的失效模式上：（1）应力增加（1.26%至24.6%），（2）横截面积减少（97%至70%），具体取决于传感器概念及其空间需求。此外，不同迭代的比较凸显了固有的目标冲突：增强的传感性能以降低的机械性能为代价。将传感器集成到承载机器元件不可避免地改变其机械特性，必须通过适当的设计措施（例如材料选择）进行补偿。未来工作将实现基于模型的计算方法，并研究温度依赖性、动态行为、长期稳定性以及组合载荷下的串扰效应。