證示使能的緊固件以及相關的系統(tǒng)和方法
【技術領域】
[0001] 本公開涉及緊固件。更具體地，公開的實施例涉及用于指示緊固件上的力的水平 的系統(tǒng)和方法。
【背景技術】
[0002] -般，緊固件是有時暫時地機械結合兩個或多個物體的硬件裝置。例如，螺栓是一 種類型的緊固件，其在一些情況中具有螺紋軸和頭部。通過將螺紋軸擰入第二物體中的互 補螺紋孔內而能夠機械結合螺栓和第二物體，諸如螺母或基底。典型地，一個或多個其它物 體被放置在頭部和第二物體之間。在此種情況下，機械結合螺栓和第二物體可將一個或多 個其它物體夾緊在頭部和第二物體之間。
[0003] 在一些情形中，期望的是知道緊固件何時擰緊不足、過度擰緊和/或被不適當地 放置。例如，如果螺栓在第二物體中擰緊不足，則一個或多個其它物體可能在頭部和第二物 體之間未被適當地夾緊。但如果螺栓過度擰緊，則夾緊在其間的軸、第二物體和/或一個或 多個其它物體可變?yōu)槭軗p。類似地，在孔內未適當放置的螺栓可損壞軸和第二物體。
[0004] 存在這樣的扭矩扳手，其包括允許螺栓的頭部扭轉至與扭矩設定相關聯的預定水 平的扭矩設定。然而，此類裝置存在各種問題。例如，當螺栓的軸不適當地放置（例如，錯 扣）在第二物體內時，扭矩扳手一般并不指示用戶。此外，當使用扭矩扳手檢查先前擰緊的 緊固件時，扭矩扳手一般不能確定緊固件是否在未增加扭矩設定的情況下扭轉超過了預定 水平，扭轉設定如果因此增加，將可能造成進一步損壞。此外，用扭矩扳手測試緊固件一般 需要扭矩扳手與緊固件的機械嚙合，導致大量的扭矩測試時間。
[0005] 因此，存在對用于確定緊固件上的扭矩（或其它力）的改進的設備、和/或相關系 統(tǒng)和/或方法的需要。

【發(fā)明內容】

[0006] 本文公開的是可解決上述問題以及其它問題的設備、方法和系統(tǒng)的各種示例。
[0007] 在一個示例中，緊固裝置可包括第一構件，其經配置與第二構件用力嚙合 (forcefully engage)。第一構件可包括傳感器，該傳感器包括嵌入聚合物中的焚光染料。 熒光染料可具有這樣的屬性，即當第一構件和第二構件嚙合時至少預定的第一扭矩水平被 施加至第一構件時，熒光染料依據施加至第一構件用于將第一光致發(fā)光信號發(fā)射至探測器 的力而變化。在一些實施例中，第一光致發(fā)光信號可與自傳感器發(fā)射的第一光子的表征波 長相對應，以響應于傳感器對第二光子的吸收。與用于產生色彩變化的第二光子的表征波 長相比，可以變換第一光子的表征波長。
[0008] 在另一個示例中，一種方法可包括將第一構件與第二構件嚙合。第一構件可包括 傳感器，該傳感器經配置在第一構件和第二構件嚙合時發(fā)射第一光致發(fā)光信號，該信號指 示被施加至第一構件的期望的預定水平的扭矩。該方法可還包括當第一構件和第二構件嚙 合時相對于第二構件扭轉第一構件，使得傳感器發(fā)射第一光致發(fā)光信號。
[0009] 在另一個示例中，一種方法可包括當第一構件與第二構件用力嚙合時，通過探測 器接收來自包括在第一構件中的傳感器的第一光致發(fā)光信號。第一光致發(fā)光信號可指示被 施加至第一構件的第一扭矩水平。第一扭矩水平可與第一構件與第二構件的用力嚙合相關 聯。
[0010] 在另一個示例中，一種系統(tǒng)可包括緊固件和檢測裝置。緊固件可包括經配置與第 二構件用力嚙合的第一構件。第一構件可包括經配置發(fā)射第一光致發(fā)光信號的傳感器。第 一光致發(fā)光信號可指示當第一構件和第二構件嚙合時被施加至第一構件的至少第一扭矩 水平。檢測裝置可經配置接收來自傳感器的第一光致發(fā)光信號。在一些實施例中，檢測裝置 可經配置通過將包括在第一光致發(fā)光信號內的光譜信息與標準相比，確定第一扭矩水平。
[0011] 在另一個示例中，工具可包括擰緊裝置和檢測裝置。擰緊裝置可經配置將力施加 至與第二構件嚙合的第一構件。檢測裝置可耦合至擰緊裝置。檢測裝置可經配置接收從第 一構件發(fā)射的光致發(fā)光信號。光致發(fā)光信號可指示由擰緊裝置施加至第一構件的力的水 平。
[0012] 在另一個示例中，墊圈可包括結構構件和傳感器。結構構件可具有第一和第二相 對表面，通過第一和第二相對表面，可以限定用于接收緊固構件的軸的中心孔眼?？稍诘谝?和第二表面中的一個或多個上涂覆傳感器。傳感器可包括嵌入有熒光染料的聚合物層。熒 光染料可具有屬性，該屬性依據施加至結構構件用于發(fā)射光致發(fā)光信號的力而變化，其中 光致發(fā)光信號指示通過緊固構件的頭部部分和另一個構件傳輸至結構構件的力的水平，在 所述另一個構件中，軸相對于結構構件與頭部部分相對地延伸。
[0013] 本公開提供了與指示緊固件上的諸如扭矩或其它力的應力相關聯的各種設備、系 統(tǒng)和方法。在一些實施例中，設備、系統(tǒng)和/或方法可以使能經由接收來自包括在緊固件中 的傳感器的光致發(fā)光信號來監(jiān)控和/或測試緊固件上的扭矩（或其它力）水平。
[0014] 可以在本公開的各種實施例中獨立地或者在其它實施例中組合地實現特征、功能 和優(yōu)點，其進一步細節(jié)可以參考下述說明和附圖獲得。
【附圖說明】
[0015] 圖1是示例性系統(tǒng)的概括框圖，該示例性系統(tǒng)包括第一構件和第二構件，以及檢 測裝置，包括在第一構件內的傳感器將基線光致發(fā)光信號發(fā)射至包括在檢測裝置內的探測 器。
[0016] 圖2是圖1的系統(tǒng)的概括框圖，其示出了用力嚙合的第一構件和第二構件，并且傳 感器將"擰緊不足"的光致發(fā)光信號發(fā)射至探測器。
[0017] 圖3是類似于圖2的概括框圖，但示出了第一構件和第二構件進一步用力嚙合，并 且傳感器將"恰當擰緊"的光致發(fā)光信號發(fā)射至探測器。
[0018] 圖4是類似于圖3的概括框圖，但示出了第一構件和第二構件更進一步用力嚙合， 并且傳感器將"過度擰緊"的光致發(fā)光信號發(fā)射至探測器。
[0019] 圖5是具有涂覆有傳感器的內部溝道的第一構件（此處示為螺栓）和具有螺紋孔 眼用于接收第一構件的第二構件的半示意性透視圖。
[0020] 圖6是圖5的彼此嚙合的第一構件和第二構件以及包括擰緊裝置和檢測裝置的工 具的半示意性橫截面圖，其中擰緊裝置具有經配置將力（例如，扭矩）施加至第一構件的承 窩，并且檢測裝置包括用于經由承窩接收來自傳感器的光致發(fā)光信號的探測器。
[0021] 圖7是從探測器的視角看去的圖6的第一構件的俯視圖，其描繪了發(fā)射多個光致 發(fā)光信號的傳感器。
[0022] 圖8是螺栓、表面涂覆有傳感器的墊圈、以及包括螺紋孔眼以用于接收螺栓的螺 紋軸的第三構件的半示意性透視圖。
[0023] 圖9是圖8的彼此嚙合的螺栓、墊圈和第三構件以及類似于圖6的工具僅包括檢 測裝置的工具的半示意性橫截面圖，其中檢測裝置經配置接收來自涂覆在墊圈上的傳感器 的光致發(fā)光信號。
[0024] 圖10是描繪了一種方法的流程圖。
[0025] 圖11是描繪了另一種方法的流程圖。
[0026] 圖12是說明的數據處理系統(tǒng)的各種組件的示意圖。
【具體實施方式】
[0027] 以下描述并在相關附圖中示出各種實施例。除非另外說明，否則實施例和/或其 各種組件可以，但不要求包含所述、所示和/或并入本文中的結構、組件、功能和/或變體中 的至少一個。此外，結合本教導的所述、所示和/或并入本文中的結構、組件、功能和/或變 體可以但不要求包括在其它類似實施例中。以下各種實施例的描述本質上僅是示例性的并 且決不旨在限制本公開、其應用或用途。另外，如下所述，由實施例提供的優(yōu)勢本質上是說 明性的并且不是所有實施例都提供相同優(yōu)勢或相同程度的優(yōu)勢。
[0028] 在一些實施例中，兩個或多個材料可集成至緊固件和/或襯底中。材料可被配置 使得在適當緊固技術被應用至緊固件（和/或襯底）時，材料的屬性變化以指示緊固件（和 /或襯底）的恰當嗤合和/或安裝。例如，緊固件可包括分離的鎖定螺母（split locknut)。 分離的自鎖螺母可包括傳感器，諸如具有各自屬性的兩個區(qū)段。當完全嚙合兩個區(qū)段時，屬 性可以某種方式混合（或否則相互作用），從而如果被恰當安裝則變?yōu)榫G色（或另一種顏 色，或發(fā)射另一種信號），并且如果過度擰緊則變?yōu)榧t色（或另一種顏色，或發(fā)射另一種信 號）。在一些示例中，傳感器可變?yōu)辄S色（或另一種顏色，或發(fā)射另一種信號），從而指示 在安裝之前和/或安裝期間擰緊（和/或嚙合）不完全的情況。緊固件過熱和/或磨損能 夠形成"紅色"情況。熒光的外部照明可包括紫外（UV)線發(fā)射器，紅外（IR)線發(fā)射器，或 者任何其它合適的照明的光譜增強源（或者發(fā)射器），或它們的組合。例如，傳感器"變?yōu)?綠色"可對應于來自傳感器的第一光致發(fā)光信號的發(fā)射，以響應于由發(fā)射器所發(fā)射的電磁 (EM)輻射的吸收。
[0029] 示例、組件和替換形式
[0030] 以下示例描述了示例性設備的所選方面以及相關系統(tǒng)和/或方法。這些示例旨在 進行說明并且不應理解為限制本公開的整個范圍。每個示例可包括一個或多個獨特發(fā)明， 和/或上下文或相關信息、功能和/或結構。
[0031] 示例 1 :
[0032] 該示例描述了包括第一構件102、第二構件104和檢測裝置106的示例性系統(tǒng) 100,參見圖1-4。
[0033] 第一構件102可經配置與第二構件104用力嚙合。例如，第一構件102可包括螺 栓（例如，如圖5-7所示）、墊圈（例如，如圖8和圖9所示）、螺母、鎖止螺母（例如，尼龍 鎖止螺母或尼龍鎖（ny-lock))、基底，該基底具有用于接收軸、夾緊件、鉚釘、夾具和/或經 配置與另一構件用力嚙合的任何其它合適的緊固構件的螺紋孔眼。例如，如果第一構件102 包括螺栓，則第二構件104可包括具有螺紋的孔眼，螺栓的螺紋軸可與該螺紋用力嚙合。類 似地，如果第一構件102包括墊圈，則第二構件104可包括螺栓、螺母和/或墊圈可與之用 力嚙合的另一種基底型緊固構件。
[0034] 如圖1-4所示，第一構件102可包括傳感器108。傳感器108可經配置發(fā)射一個 或多個光致發(fā)光信號。一個或多個光致發(fā)光信號可分別指示施加至第一構件102的一個或 多個水平的力，如以下更詳細的描述。例如，在一些實施例中，傳感器108可包括嵌入在聚 合物中的熒光染料。熒光染料可具有這樣的屬性，即依據施加至第一構件102以發(fā)射一個 或多個光致發(fā)光信號的力而變化。此類組分的示例被公開在美國專利No. 8, 720, 278中，將 其完整結合在此作為參考用于所有目的。在其它實施例中，傳感器108可包括兩個或多個 反應物，并且施加至第一構件102的一個或多個預定力水平可經配置將那些反應物中的兩 個或多個帶入到彼此鄰近，從而形成用于響應于激發(fā)（例如，吸收的電磁輻射）而發(fā)射一個 或多個光致發(fā)光信號的一個或多個微粒傳感器材料（或其它合適的組分）。在美國專利申 請No. 2008/0204752中公開了此類微粒傳感器材料的示例，將其完整結合在此作為參考用 于所有目的。
[0035] 如圖所示，傳感器108可經配置發(fā)射第一光致發(fā)光信號S1 (參見圖3)。信號S1可 指示當構件102、104嚙合時預定的第一水平的力諸如第一扭矩水平T1何時被施加至第一 構件102。例如，第一力水平可對應于將構件102、104緊固在一起的期望的和/或恰當水平 的力F1，該水平的力可與扭矩水平T1相關聯。
[0036] 此外或可替換地，傳感器108可經配置發(fā)射第二光致發(fā)光信號S2(參見圖4)。信 號S2可指示當構件102、104嚙合時預定的第二水平的力諸如第二扭矩水平T2何時被施加 至第一構件102。例如，第二水平的力可對應于用于將構件102、104緊固在一起的預定的 不期望和/或不恰當水平的力F2,該力可與扭矩水平T2相關聯。尤其是，第二扭矩水平T2 可對應于第一構件102相對于（和/或在其上，和/或在其內的）第二構件104的過度扭 轉（或過度擰緊）。更具體地，第二扭矩水平T2可以大于（例如，在幅度上）第一扭矩水平 T1。在一些實施例中，信號S2可指示被施加至第一構件102的扭矩已超過扭矩水平T1至 少閾值量的扭矩。例如，閾值量可對應于超過扭矩水平T1的扭矩量（例如，水平T2可對應 于水平T1的110%，或者其它預定百分比，并且閾值量可對應于水平T2、T1或其部分之間 的差值），該扭矩量可以損壞一個或多個構件102、104和/或可導致構件102、104之間的弱 化的或否則不期望的緊固界面。
[0037] 此外或可替換地，傳感器108可經配置發(fā)射第三光致發(fā)光信號S3 (參考圖2)。信 號S3可指示當構件102、104嚙合時預定的第三水平的力諸如第三扭矩水平T3何時被施加 至第一構件102。第三水平的力可對應于用于將構件102、104緊固在一起的不合適的第三 水平的力F3。尤其是，第三扭矩水平T3可對應于第一構件102相對于（和/或在其上，和 /或在其內的）第二構件104的扭轉不足（或擰緊不足）。更具體地，第三扭矩水平T3可 以少于（例如，在幅度上）第一扭矩水平T1。
[0038] 在一些實施例中，第一扭矩水平T1可以是至少3英尺鎊（ft-lbs)或4. 1牛頓米 (Nm)。然而，基于本申請的各種參數，諸如構件102、104中的一個或多個的材料組分（和/ 或其特征），第一扭矩水平T1可以大于或小于3英尺鎊（4. INm)。例如，第一扭矩水平T1 可對應于下列示例性表中的任何一個扭矩水平，其對于特定的應用可以是適合的（和/或 是預選的）。
[0039]
[0040] 這樣，通過包括在第一構件102中的傳感器108發(fā)射一個或多個信號S1、S2、S3可 允許用戶和/或工具經由第一構件102的（例如，在視覺或非視覺光譜中的）光學檢測來 監(jiān)控和/或測試被施加至第一構件102 (例如，相對于第二構件104)的力水平（例如，扭矩 水平）。此種光學檢測可允許用戶和/或工具（或自動系統(tǒng)）更準確地和/或更有效地監(jiān) 控和/或測試第一構件102上的力水平，尤其是與預先存在的一般涉及機械測試緊固件上 的力水平的方法相比。
[0041] 更具體地，檢測裝置106可包括探測器（還被稱為聚光器件）110、發(fā)射器（還被 稱為照明光學器件）112和電路114。探測器110可經配置接收信號S1 (和/或來自傳感 器108的任何其它光致發(fā)光信號）。例如，探測器110可包括電子光探測器（electronic photo-detector)。此類探測器的示例包括光電倍增管（PMT)、光電二極管、雪崩光電二極 管、電耦合裝置（CCD)、互補金屬氧化物半導體（CMOS)裝置等。因此，探測器110可以是點 探測器或成像探測器。在一些實施例中，探測器110可包括人眼，在該情況下，探測器