螺栓是用于将不同结构固定在一起以执行某些功能的关键部件，在各种工程结构和机器中有着广泛的应用，如桥梁、建筑、汽车、飞机和机器人。一定的张紧力对于保持结构和机器的正常功能和可靠性至关重要。然而，在循环使用和长期暴露于外部环境（如高湿度和交变温度）中，螺栓不可避免地会受到腐蚀和机械破坏，从而使其张紧力发生变化，导致松动或疲劳断裂。监测螺栓轴向应力对各种工程结构和机械具有重要意义，可以帮助设备可靠、持久地运行，防止重大故障和安全事故。在各种传感技术中，超声在准确性、无创性、无损检测等方面具有突出优势。然而，目前的超声技术主要依赖于传统的大块PZT超声换能器，体积大、功耗高，与IC集成度低，阻碍了对小螺栓的实时和长期监测与应用。

鉴于此，小组基于声弹性效应和螺栓长度变化引起的时间差，首次研究利用了压电微机械超声换能器（PMUTs）在上述情况下的应用。用有限元方法验证了时间差与应力关系的相应理论。为了提高传感性能，提出了一种具有内环和外环阵列以及优化超声频率的特定PMUTs。因此，使用我们制造的谐振频率为850kHz的PMUT芯片，成功地监测了标称直径小至6mm的钢螺栓中的轴向应力变化。ToF差与施加的应力之间具有良好的线性关系（≥0.998），并且具有小于3%的高精度。此外，在不同的实际条件下，如螺栓尺寸、材料和连接类型，对螺栓应力进行了实验测试，验证了我们提出的基于PMUT的超声波应力传感技术的性能稳健性和广泛适用性。

图1超声ToF应力测试原理验证

图2 所用PMUTs芯片结构及其特性

图3 基于自制PMUTs芯片的小型螺栓的非侵入式轴向应力测量

图4 .基于PMUTs的不同尺寸螺栓的超声应力测定结果

图5 .基于PMUTs的不同材料螺栓的超声应力测定结果

图6 .基于PMUTs的不同连接形式下螺栓的超声应力测定结果

该文章以"Noninvasive Stress Detection Based on Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducers for Bolt Loosening Warning"为题近日在国际高水平期刊IEEE Transactions on Instrumentation & Measurement上在线发表，5年平均影响因子5.6。硕士生李嘉柱为该论文学生第一作者，西安交通大学仪器科学与技术学院李支康副教授为该论文第一作者，赵一鹤博士、赵立波教授为共同通讯作者。

该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、安徽省重大科技专项和陕西省科技新星项目的资助。

论文链接：https://ieeexplore.ieee.org/document/10445770