工業物聯網(IIoT)是指在工業設備上裝置傳感器，連接到無線網絡以收集和共享數據，工業互聯網正是在工業物聯網的基礎上增加人與物的互聯互通。微型低成本傳感器和高帶寬無線網絡的出現，意味著當下只要有一定水平的數字智能，即使是最小的設備也可以連接起來，對它們進行監控和跟蹤，共享它們的狀態數據，並與其他設備進行通信。然後還可以收集和分析所有的這些數據，來實時監測傳感信息，提升設備、工程安全性和可靠性。
在提高安全性的很重要的一點在於確保連接處持久穩固，當連接失效或安全性有所降低時能夠及時發現問題。零件與部件之間的連接方式有許多，其中，由於螺栓連接具有可靠性高、承載能力強、拆卸方便等優點，是工程中應用最為廣泛的連接方式之一。然而，螺栓連接結合部又是影響系統結構可靠性的薄弱環節。比如橋樑鋼結構固定連接處的螺栓常年風水日曬，導致生鏽、鬆動等現象，降低橋樑安全性。再如，諸多大型機械裝備工作中往往存在低頻往復振動，導致螺栓連接結合部出現預緊力下降，結合面鬆動、滑移、發出異響等現象。其最終結果就是系統的剛度降低、結構的完整性遭到破壞、振動加劇、能量耗散增加，進而影響結構的工作性能和安全可靠性。因此，科學準確地測試螺栓連接結構的連接狀態，對於保證結構的安全性、避免重大安全事故具有重要意義。
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傳統螺栓連接狀態監測技術
在工程實踐中，施工人員廣泛採用扭矩扳手法控制連接結構中的螺栓預緊力。然而，由於螺紋副以及螺栓與零件接觸面之間的摩擦係數存在較大的分散性，採用扭矩法測得的螺栓預緊力並不精確。相關研究表明，同一規格的螺栓在同一扭矩下的預緊力誤差可以高達30%。為提高螺栓預緊力的精確性，準確判斷結構的連接狀態，研究人員開發出了電阻應變片電測法、壓力敏感膠片法等螺栓連接狀態直接測量技術。
1、電阻應變片電測法
電阻應變片電測法是通過電阻應變片測量螺栓長度方向上的應變獲得螺栓預緊力的一種方法。將電阻應變片粘貼在未受力螺栓表面，通過對比螺栓擰緊前後的應變片的電阻值變化計算得出螺栓表面的軸嚮應變，然後根據胡克定律推導出螺栓表面的應力變化。在螺栓擰緊過程中存在剪切應力，會對測量結果的精度產生影響。該方法相對於扭矩扳手法精度較高，但是由於應變片粘貼過程較為複雜、成本較高、受測螺栓不能拆卸等缺點，僅適用於實驗室環境下的測量分析。
2、壓力敏感膠片法
壓力敏感膠片對接觸面間的壓力敏感，能夠通過受壓染色的圖像顯示出界面接觸區域和壓力分佈情況。該方法的優點是試驗簡單、直接、成本低；缺點是壓力敏感膠片不能測量動態壓力，且其存在本身就已經改變了結合面的微觀特性，最終難以分析測量的結果。
綜上所述，傳統的螺栓連接狀態測試技術雖然能夠對單個螺栓預緊力進行直接檢測，但同時也存在其侷限性：（1）多數方法僅適用於靜態連接結構或實驗室環境；（2）對技術人員的專業技能要求較高；（3）基於扭矩法、轉角法間接測得預緊力，結果存在較大誤差；（4）螺栓需要特製，且僅能單次使用，成本較高。
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基於振動分析的連接狀態監測技術
螺栓連接廣泛存在於各類連接結構中，其振動特性與轉子系統的剛度、阻尼、模態振型等動力學特性密切相關。而振動信號具有易於提取、可實現實時監測、在線監測等優點，特別適用於大型複雜結構。
1、基於結構動力學參數的連接狀態監測技術
根據結構動力學理論，結構連接狀態的變化必然會導致結構的剛度、阻尼等動力學特性發生變化。可將觀測到的結構動力學參數作為特徵指標與基準參數進行對比，根據敏感參數的變化情況即可判斷結構的連接狀態。狀態信息的特徵提取是機械設備故障診斷技術的關鍵，信號處理是信號特徵提取的基礎。振動分析法的關鍵技術在於振動信號處理技術和敏感特徵提取技術。
基於振動分析的監測技術是研究機械結構動力學特性最為成熟的一種技術，但該技術應用於螺栓連接結構狀態監測領域的時間較短，相關的非線性動力學特性、信號處理、特徵提取等關鍵技術還有待進一步發展。
2、基於機電阻抗法的連接狀態監測技術
壓電材料（如石英晶體、鋯鈦酸鉛壓電陶瓷，簡稱 PZT）工作頻率較高，對結構中的細微變化非常敏感，能夠及時發現結構中的損傷。螺栓連接狀態的變化會改變結構的機械阻抗，利用其機電耦合效應可以獲得機械阻抗的變化信息。被測基體的振動又會反作用於壓電陶瓷，使其產生正壓電效應，引起壓電陶瓷自身的電阻抗發生變化。通過採集並分析壓電陶瓷的電阻抗信號，即可獲得結合部機械阻抗的變化信息。壓電傳感器原理如下：
由於壓電阻抗技術設備昂貴、壓電材料難以應用於曲面結構等特點， 該方法的應用範圍受到了一定的限制，主要集中在航空、航天、機床、核能等高端領域。
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基於超聲導波的螺栓連接狀態測試技術
超聲波檢測技術開始於 20 世紀30 年代，發展到今天該技術已經成為無損檢測技術中研究和應用最為廣泛的技術之一。超聲波用於無損檢測具有以下優點：
（1）全面性。檢測範圍廣，適用於金屬、非金屬和複合材料。
（2）高林敏度性。穿透力強， 檢測深度大，能夠準確定位結構損傷。
（3）無破壞性。超聲作用應力小，不損傷被測結構。
1、基於聲彈性效應法的連接狀態監測技術
聲彈性效應是超聲波波速隨材料內部應力狀態變化而發生變化的一種現象。而基於聲彈性效應的監測技術就是利用超聲波聲彈性效應間接測量螺栓軸向預緊力。軸向所承受的應力和超聲波的飛行時間模型如下圖：
基於聲彈性效應的監測技術能夠快速實現無損檢測，而且其測量目標是螺栓內部的軸嚮應力，不需要像扭矩法一樣考慮摩擦係數離散性的影響，因而精度較高。但該技術需要專用的精密儀器才能識別出超聲波傳播過程中的飛行時間差，因此成本很高；且超聲導波易受工業現場噪聲的影響，存在多模態、頻散等特性， 使得信號處理困難，在實際工業應用中受到一定限制。
2、基於超聲波能量法的連接狀態監測技術
超聲波在固體、液體和氣體中傳播時聲阻抗差異巨大，研究表明，三者之間的聲特性阻抗之比約為1∶3000∶80000。當超聲由固體傳遞到固體時，聲阻抗差很小，其聲強透射係數接近100%；而由固體傳遞到氣體時，聲阻抗差很大，其聲強透射係數幾乎為 0，全部反射。
該方法的關鍵技術問題是確定螺栓預緊力、實際接觸面積以及透射導波能量三者之間的關係。由於該問題涉及到粗糙表面接觸理論模型和超聲導波理論等，要想通過理論推導研究該問題存在較大困難。但是一旦解決上述問題，加之超聲波監測成本低、穩定可靠的特點，該檢測方法將具有極強的商業價值。
綜上，現有的測試技術很難完全解決被測對象因環境複雜、工作載荷不穩定等因素帶來的干擾信號的影響，因此大多數螺栓狀態監測的產品停留在實驗室試驗階段，無法真正實現結構連接狀態的實時監測和在線監測。螺栓連接狀態測試技術未來的發展方向主要是解決以下問題：
(1) 為完善理論基礎，實現連接結構參數化建模，需要進一步研究螺栓連接結構的非線性動力學特性和結合面的微觀接觸特性。
(2) 提高現有技術的測試精度，發展更為先進的測試技術。
(3) 為去除信號中的噪聲干擾等冗雜信息，需要改進非線性激勵技術和非線性信號採集處理技術。
( 4 ) 研究的最終目的是面向工程應用。為此，在試驗過程中應發展多物理場耦合條件下的螺栓連接狀態監測技術，更好的模擬工作環境。
