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螺栓连接因具有传力直接，拆卸方便，经济性好等特点而广泛应用于机械，土木，航空航天等领域。然而，在结构振动，温度变化等环境因素作用下，螺栓会不可避免的发生不同程度的松动。螺栓节点的松动会削弱节点刚度，降低连接件的可靠性，严重时甚至会导致整体结构的破坏。本文基于压电陶瓷智能材料，对螺栓松动监测中环境噪声干扰问题，多螺栓松动监测问题以及螺栓初始微小松动监测等关键技术难题开展研究。本文的主要内容及结论如下:
(1)提出基于压电材料的智能垫圈传感器，并结合时间反演算法提高环境噪声下接收信号信噪比
传统传感器在与被监测结构耦合过程中会对结构带来一些不利影响，如消弱螺栓刚度，增加节点质量等。为消除传感器带来的不利影响，本文首先提出了一种将压电陶瓷嵌入垫圈中而形成的能够感应预紧力变化的智能垫圈传感器。结合时间反演算法，提出了具有噪声鲁棒性的螺栓松动监测方法。此外，研究了螺栓节点时间反演算法声学互异性。对不同噪声水平和激励幅值下接收信号信噪比进行了验证。最后通过一个智能垫圈发射信号，另一个智能垫圈传感器接收信号的方式，进行了时间反演实验。在数据处理方面，利用小波能量方法，提取敏感频段的能量作为螺栓松动指数。实验结果表明，时间反演算法能够显著提高接收信号在噪声环境下的信噪比，拓展了以幅值或能量为判断依据的螺栓松动监测方法在噪声环境下的适用性。
(2)基于压电阻抗串/并联模型，提出了能够有效减少传感器数量及采集通道的分布式螺栓松动监测方法
大型结构螺栓节点处螺栓数量众多，如何利用少量传感器实现不同位置处螺栓松动监测是亟待解决的问题。考虑到基于时间反演的螺栓监测方法属于主动传感方法，需要“一发一收”两个传感器进行监测。为减少传感器数量，基于压电阻抗方法，提出了基于压电阻抗串/并联方式的螺栓松动监测方法。首先利用单个压电智能垫圈传感器的阻抗方法监测了单螺栓松动过程。其次，通过串/并联多个传感器，实现单个通道单次扫频获得多个传感器多个位置处的耦合机电阻抗曲线。根据等效电路原理，对串/并联阻抗特性进行分析。根据分析结果，选取串联方式下压电电阻信号为研究对象，进行多螺栓松动监测验证实验。在串/并联电路信号处理方面，提出了基于3dB带宽的均方根误差(3dB-RMSD)方法。实验结果表明，基于压电阻抗串/并联电路的分布式螺栓松动监测方法不仅可以减少传感器数量而且可以精确判断螺栓松动程度以及松动位置。
(3)提出基于尾波干涉(Coda Wave Interferometry，CWI)技术的高分辨率螺栓初始松动监测方法
螺栓松动监测的目的是提前预警，即在螺栓发生微小松动的情况下给出松动提醒。而以上方法对螺栓初始微小松动不够敏感，为了解决这一问题，本文提出了基于尾波干涉的高分辨率螺栓松动监测方法。通过利用波形伸缩法(Stretching)计算尾波在不同预紧力改变情况下的时移程度，进而判断螺栓松动情况。首先，通过波形叠加原理对提出方法的可行性进行了理论分析。其次，通过数值仿真，对尾波干涉的高敏感性进行了验证。最后，在相关验证实验的基础上，定义了可检测螺栓预紧力分辨率(DRBP)指标，定量分析了尾波干涉方法的分辨率。实验结果表明，基于尾波干涉的螺栓松动监测方法对螺栓预紧力变化具有很高的敏感性，其极限预紧力监测分辨率达到0.323％。因此，基于尾波干涉的螺栓监测方法可以有效监测螺栓预紧力的微小改变，解决螺栓初始松动监测难题。
(4)研究了直达波和尾波对螺栓预紧力变化的分辨率，提出了基于直达波和尾波协同监测螺栓不同程度松动的方法
螺栓在服役过程中，其预紧力可能会经历从微小变化到较大损失的过程。本文针对螺栓预紧力不同损失程度，提出了基于直达波和尾波的预紧力损失协同监测方法。基于波形叠加原理和声弹性效应，首先对直达波和尾波可监测螺栓预紧力分辨率的不同进行了理论分析，揭示了直达波和尾波时移程度与螺栓预紧力变化的线性关系。其次，通过实验的方法，研究了直达波和尾波对预紧力变化的敏感性。实验结果发现，直达波的极限DRBP值为1.681％，即基于直达波波形时移的方法适用于预紧力变化程度大于1.681％的情况。而尾波的DRBP范围为0.323％-1.980％，即基于尾波的螺栓预紧力监测方法适用于预紧力变化程度在0.323％-1.980％的情况。综上所述，基于尾波干涉的方法适用于螺栓预紧力变化微小的情况，即初始松动问题，而基于直达波时移的监测方法可以反映螺栓预紧力发生较大松动的情况。将直达波与尾波相结合，可以监测螺栓不同程度预紧力变化。
(1)提出基于压电材料的智能垫圈传感器，并结合时间反演算法提高环境噪声下接收信号信噪比
传统传感器在与被监测结构耦合过程中会对结构带来一些不利影响，如消弱螺栓刚度，增加节点质量等。为消除传感器带来的不利影响，本文首先提出了一种将压电陶瓷嵌入垫圈中而形成的能够感应预紧力变化的智能垫圈传感器。结合时间反演算法，提出了具有噪声鲁棒性的螺栓松动监测方法。此外，研究了螺栓节点时间反演算法声学互异性。对不同噪声水平和激励幅值下接收信号信噪比进行了验证。最后通过一个智能垫圈发射信号，另一个智能垫圈传感器接收信号的方式，进行了时间反演实验。在数据处理方面，利用小波能量方法，提取敏感频段的能量作为螺栓松动指数。实验结果表明，时间反演算法能够显著提高接收信号在噪声环境下的信噪比，拓展了以幅值或能量为判断依据的螺栓松动监测方法在噪声环境下的适用性。
(2)基于压电阻抗串/并联模型，提出了能够有效减少传感器数量及采集通道的分布式螺栓松动监测方法
大型结构螺栓节点处螺栓数量众多，如何利用少量传感器实现不同位置处螺栓松动监测是亟待解决的问题。考虑到基于时间反演的螺栓监测方法属于主动传感方法，需要“一发一收”两个传感器进行监测。为减少传感器数量，基于压电阻抗方法，提出了基于压电阻抗串/并联方式的螺栓松动监测方法。首先利用单个压电智能垫圈传感器的阻抗方法监测了单螺栓松动过程。其次，通过串/并联多个传感器，实现单个通道单次扫频获得多个传感器多个位置处的耦合机电阻抗曲线。根据等效电路原理，对串/并联阻抗特性进行分析。根据分析结果，选取串联方式下压电电阻信号为研究对象，进行多螺栓松动监测验证实验。在串/并联电路信号处理方面，提出了基于3dB带宽的均方根误差(3dB-RMSD)方法。实验结果表明，基于压电阻抗串/并联电路的分布式螺栓松动监测方法不仅可以减少传感器数量而且可以精确判断螺栓松动程度以及松动位置。
(3)提出基于尾波干涉(Coda Wave Interferometry，CWI)技术的高分辨率螺栓初始松动监测方法
螺栓松动监测的目的是提前预警，即在螺栓发生微小松动的情况下给出松动提醒。而以上方法对螺栓初始微小松动不够敏感，为了解决这一问题，本文提出了基于尾波干涉的高分辨率螺栓松动监测方法。通过利用波形伸缩法(Stretching)计算尾波在不同预紧力改变情况下的时移程度，进而判断螺栓松动情况。首先，通过波形叠加原理对提出方法的可行性进行了理论分析。其次，通过数值仿真，对尾波干涉的高敏感性进行了验证。最后，在相关验证实验的基础上，定义了可检测螺栓预紧力分辨率(DRBP)指标，定量分析了尾波干涉方法的分辨率。实验结果表明，基于尾波干涉的螺栓松动监测方法对螺栓预紧力变化具有很高的敏感性，其极限预紧力监测分辨率达到0.323％。因此，基于尾波干涉的螺栓监测方法可以有效监测螺栓预紧力的微小改变，解决螺栓初始松动监测难题。
(4)研究了直达波和尾波对螺栓预紧力变化的分辨率，提出了基于直达波和尾波协同监测螺栓不同程度松动的方法
螺栓在服役过程中，其预紧力可能会经历从微小变化到较大损失的过程。本文针对螺栓预紧力不同损失程度，提出了基于直达波和尾波的预紧力损失协同监测方法。基于波形叠加原理和声弹性效应，首先对直达波和尾波可监测螺栓预紧力分辨率的不同进行了理论分析，揭示了直达波和尾波时移程度与螺栓预紧力变化的线性关系。其次，通过实验的方法，研究了直达波和尾波对预紧力变化的敏感性。实验结果发现，直达波的极限DRBP值为1.681％，即基于直达波波形时移的方法适用于预紧力变化程度大于1.681％的情况。而尾波的DRBP范围为0.323％-1.980％，即基于尾波的螺栓预紧力监测方法适用于预紧力变化程度在0.323％-1.980％的情况。综上所述，基于尾波干涉的方法适用于螺栓预紧力变化微小的情况，即初始松动问题，而基于直达波时移的监测方法可以反映螺栓预紧力发生较大松动的情况。将直达波与尾波相结合，可以监测螺栓不同程度预紧力变化。