CN103630282A - 一种螺栓松动监测方法及其实现装置 - Google Patents

Abstract

一种螺栓松动监测方法及其实现装置，通过监测螺杆张力的大小来判别螺栓松动情况；若螺杆张力低于安全阈值，判定螺栓发生松动。在螺帽与被连接构件之间安装压电感应元件，用于监测螺栓在使用过程中螺杆的张力大小变化，采集该变化下的反馈响应信号并将其与预定的安全阈值对比分析以确定螺栓的松动情况；若螺杆张力低于安全阈值，判定螺栓发生松动，发出预警信号。实现上述方法的螺栓松动监测装置，包括压电感应元件、数据采集元件、数据读取设备、数据管理分析及反馈报警模块。本发明可远程、快速检查螺栓松动状态，监测装置的主体可拆卸更换，对原结构影响很小，适用于大型结构的螺栓监测，节省人力及能源，造价及运行成本低廉。

Description

一种螺栓松动监测方法及其实现装置

技术领域

本发明属于结构工程及检测技术领域，涉及检测、数据采集方法及装置，尤其是可用于监测结构螺栓是否处于松动状态的方法及装置。

背景技术

每一个工程产品，不管其构成有多复杂，实际上都需要用到螺纹紧固件。与其他大部分联结方式相比，螺纹紧固件的重要优势在于能拆卸并重复使用。然而，因为螺纹紧固件容易发生自松动现象，自从工业革命以来，螺纹自松动一直是一个没有很好解决的问题。尽管在最近的150年间，针对螺纹松动的问题推出了大量的解决方案。直接由螺纹松动导致的事故在数个土木或工业领域中都时有发生，而其中不乏一些灾难性的事故。

对螺栓的检查方法目前可分为两种，目视检查方法以及打音检查方法。所谓目视，就是用肉眼观察金属部件有所变化，变色；所谓打音检查就是用锤子敲打金属连接部位，从声音上判断是否有松弛或别的异常。当然，打音检查的效果比目视检查要好。但无论采用哪种方法，其都具有人工成本高的缺点，且对巡检人员责任心和工作态度等依赖性较大。

因此，对螺栓的状态进行监测，安装可靠有效的智能监测装置，及时发现螺栓连接是否松动，对保障结构安全有着重要的意义。

目前，已公开的各项关于螺栓状态监测的装置，多数都采用实时有线监测的方法。其技术方案虽然有效，但只适用于个别重要设备和关键位置，需要复杂的线路和电源供应的保障。对于磁悬浮、高铁和地铁等铁路线的螺栓监测问题，其螺栓分布距离长、数量多的特点，故以上方法实施成本高，无法应用于实际工程。

无线射频识别技术(RFID)作为一种新兴的非接触性无线通信技术，已广泛应用于物流、防伪、交通管理等领域。

RFID射频识别技术采用大规模集成电路计算、电子识别、计算机通信技术，通过读写器和安装于载体上的RFID标签，能够实现对载体的非接触的识别和数据信息交换。再加上其方便快捷、识别速度快、数据容量大、使用寿命长、标签数据可动态更改、较条码而言具有更好的安全性、动态实时通信等优点，最近几年得到迅猛的发展。无源电子标签的远距离、高速移动物体的识别成为需要并且不断得到应用。

压电式压力传感器是利用压电材料所具有的压电效应所制成的。压电式压力传感器的优点是具有自生信号，输出信号大，体积小，结构坚固。基于压电效应的传感器是一种自发电式和机电转换式传感器。它的敏感元件由压电材料制成。如果对压电材料施加压力，它便会产生电位差（称之为正压电效应），反之施加电压,则产生机械应力（称为逆压电效应）。如果压力是一种高频震动，则产生的就是高频电流。而高频电信号加在压电材料上时，则产生高频声信号（机械震动），即压电材料的压电效应。压电式传感器用于测量力和能变换为力的非电物理量。它的优点是灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等。

螺栓紧固状态下，螺杆存在张力。随着螺栓发生松动，螺杆张力相应减小。可通过监测螺杆张力的大小来判别螺栓松动情况。

发明内容

本发明的目的是提供一种螺栓松动监测方法及其实现装置，克服现有技术的以上缺点。

为实现以上发明目的，本发明采取以下技术方案：

一种螺栓松动监测方法，通过监测螺杆张力的大小来判别螺栓松动情况；若螺杆张力低于安全阈值，判定螺栓发生松动，发出预警信号。

进一步，在螺帽与被连接构件之间安装压电感应元件，用于监测螺栓在使用过程中螺杆的张力大小变化，采集该变化下的反馈响应信号并将其与预定的安全阈值对比分析以确定螺栓的松动情况；若螺杆张力低于安全阈值，判定螺栓发生松动，发出预警信号。

在螺帽与被连接构件之间安装压电感应元件，用于监测螺栓在使用过程中螺杆的张力大小变化，在RFID电子标签被阅读器电磁波能量激发后产生振动，并获取因螺杆的张力大小不同而产生的不同的振动反馈响应信号；

通过无源RFID数据采集元件在被RFID阅读器发出的电磁波激发后，接受所述因螺杆的张力大小不同而产生的不同的振动反馈响应信号，并将得到的响应信号传送给RFID阅读器；

通过数据管理及反馈报警模块用于将该响应信号与预定的安全阈值对比分析，来确定螺栓的松动情况，若螺杆预拉力低于安全阈值，判定螺栓发生松动，发出预警信号。

实现上述方法的螺栓松动监测装置，包括压电感应元件、数据采集元件、数据读取设备、数据管理分析及反馈报警模块；

所述压电感应元件安装于螺帽与被连接构件之间，用于监测螺栓在使用过程中螺杆的张力大小变化，并获取因螺杆的张力大小不同而产生的不同的振动反馈响应信号；

所述数据采集元件在被阅读器发出的信号激发后，接受所述因螺杆的张力大小不同而产生的不同的振动反馈响应信号，并将得到的该响应信号传送给阅读器；

所述数据管理及反馈报警模块用于将反映螺杆张力大小的响应信号与预定的安全阈值对比分析来确定螺栓的松动情况；当螺杆张力低于安全阈值时发出预警信号。

进一步，所述压电感应元件使用压电材料，所述压电感应元件监测螺杆的张力大小，由A/D数据转换模块将模拟信号转换为数字信号，并将得到的数字响应信号发送给阅读器。

所述数据采集元件采用无源被动式RFID数据采集元件；所述数据读取设备采用RFID数据读取设备；每一个RFID标签均具有唯一的编码标识，可由数据读取设备识别读取；RFID电子标签采用无源被动式。

所述压电感应元件采用三层结构，中间层为压电感应材料，上下表层镀金属膜作为电极。

所述压电感应元件与无源RFID电子标签整合为一个整体。

所述整体以防水防漏电耐高温硬质材料外包。

所述压电感应元件采用垫片的结构形式。

由于采用上述方案，本发明的有益效果是：监测效果良好且具有较为简单的结构，无需电源的供应及进行大量的线路铺设，适用于数量众多的螺栓松动监测。

附图说明

图1为本发明所提供的螺栓松动监测系统的一种具体实施方式的结构示意图；

图2为本发明所提供的螺栓松动监测系统的压电-RFID部分的俯视图，其中黑色部分为压电元件1，其表面作耐磨处理；

图3为本发明所提供的螺栓松动监测系统的压电-RFID部分I-I横截面图。压电元件1为三层设计，中间层为压电材料7，上下层为金属镀膜电极6；

图4为本发明所提供的螺栓松动监测系统的一种具体实施方式的原理框图。

具体实施方式

以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。

图1为本发明所提供的螺栓松动监测系统一种具体实施方式的元件结构图。其通过监测螺杆张力的大小来判别螺栓松动情况。若螺杆张力低于安全阈值，判定螺栓发生松动，发出预警信号。

所述螺栓松动监测系统包括压电感应元件1（包括压电材料7和金属镀膜电极6）、无源RFID电子标签2、RFID阅读器3、数据管理分析及反馈报警模块4。

其中压电感应元件1中的压电材料7通过金属镀膜电极6与无源RFID电子标签2相连。无源RFID电子标签2与RFID阅读器3通过电磁射频信号连接交换能量和数据。数据管理分析及反馈报警模块4可以集成在RFID阅读器3中，也可单独成设备，与RFID阅读器通过数据线、wifi等方式进行数据交换。

所述压电感应元件1加工为垫片的形状，安装于螺帽与被连接构件之间（见附图1），用于监测螺杆的张力大小。压力感应元件1是利用压电材料7所具有的压电效应所制成的。基于压电效应的压电感应元件1是一种自发电式和机电转换式传感器，它的敏感元件由压电材料7制成。压电材料7在外加交变电场作用下，会产生机械应力，形成机械振动信号。反之压电材料7受外力产生变形时自身又会在正反表面分别产生正负电荷，形成电位差，产生电信号。这种材料的优点在于可以利用被动式RFID收集到的电磁波能量而不通过外加电源产生振动激励信号，并依靠反馈振动而自身产生反馈电信号，这样可以避免外加电源而必须的大量电能消耗和布线的麻烦。

将压电材料7与无源RFID电子标签2通过金属镀膜电极6相连接。当RFID阅读器3向其发射电磁波扫描信号时，无源RFID电子标签被此电磁波信号激发，并将此电磁波信号转化为交变电压信号通过金属镀膜电极6输入给压电元件。压电材料受此交变电压作用，而产生机械振动，作为振动激励信号。同时压电材料接收相应的反馈振动信号，并转化为相应的电信号，再次通过金属镀膜电极6输入到与之相连的无源RFID电子标签2中。当螺栓处于拧紧状态时，压电感应材料7受螺杆张而压缩变形。当螺栓发生松动，螺杆预紧力降低，随之压电材料7发生回弹变形。即在螺杆的张力大小不同情况下，压电材料所处的状态不同。故受到振动激励而产生的反馈响应信号也有所不同。反馈的响应信号与一定的螺栓松动程度相对应。无源RFID电子标签2内置A/D转换模块，可识别反馈的感应电流信号的大小及持续时间长短，并将其转化为模拟信号，储存在无源RFID电子标签2中的存储模块中。

所述无源RFID电子标签2用于采集接收反映螺杆的张力大小的响应信号。无源RFID电子标签2为被动式元件，本身不具备电源，其在RFID阅读器3发出扫描电磁波后被激发，可将存储在存储模块中的信息转化为电磁射频信号，并传送到RFID阅读器3中。此无源RFID电子标签2具有唯一的编码标识，可实现RFID阅读器3可以同时对多个螺栓进行扫描。

所述RFID阅读器3，使用时发出扫描电磁波射频信号激发无源RFID电子标签2，并接受RFID电子标签2返回的螺栓松动信息。

RFID阅读器3用于激发RFID电子标签，为其提供能量并读取其中存储模块中的数据。

当RFID阅读器进行扫描时会向无源RFID电子标签2发出电磁波信号。当无源RFID电子标签2进入磁场范围后，接收解读器发出的射频信号，凭借产生的电磁感应电流被激发，可将存储在存储模块中的信息转化为电磁信号，同时发送给RFID阅读器3。RFID阅读器3在接收到反馈信息后，进行解码并送至中央信息系统由数据管理分析及反馈报警模块4进行有关数据处理。

所述数据管理分析及反馈报警模块4，将RFID阅读器3得到的反馈信号与预定的响应阈值对比分析，来确定螺栓的松动情况。如果螺栓松动超过安全值，向工作人员发出预警信号。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种螺栓松动监测方法，其特征在于：通过监测螺杆张力的大小来判别螺栓松动情况；若螺杆张力低于安全阈值，判定螺栓发生松动，发出预警信号。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

在螺帽与被连接构件之间安装压电感应元件，用于监测螺栓在使用过程中螺杆的张力大小变化，采集该变化下的反馈响应信号并将其与预定的安全阈值对比分析以确定螺栓的松动情况；若螺杆张力低于安全阈值，判定螺栓发生松动，发出预警信号。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

在螺帽与被连接构件之间安装压电感应元件，用于监测螺栓在使用过程中螺杆的张力大小变化，在RFID电子标签被阅读器电磁波能量激发后产生振动，并获取因螺杆的张力大小不同而产生的不同的振动反馈响应信号；

通过无源RFID数据采集元件在被RFID阅读器发出的电磁波激发后，接受所述因螺杆的张力大小不同而产生的不同的振动反馈响应信号，并将得到的响应信号传送给RFID阅读器；

通过数据管理及反馈报警模块用于将反映螺杆张力大小的该响应信号与预定的安全阈值对比分析，来确定螺栓的松动情况，若螺杆张力低于安全阈值，判定螺栓发生松动，发出预警信号。

4.实现权利要求1-3中任一所述方法的螺栓松动监测装置，其特征在于：

包括压电感应元件、数据采集元件、数据读取设备、数据管理分析及反馈报警模块；

所述压电感应元件安装于螺帽与被连接构件之间，用于监测螺栓在使用过程中螺杆的张力大小变化，在RFID电子标签被阅读器电磁波能量激发后产生振动，并获取因螺杆的张力大小不同而产生的不同的振动反馈响应信号；

所述数据采集元件在被阅读器发出的信号激发后，接受所述因螺杆的张力大小不同而产生的不同的振动反馈响应信号，并将得到的响应信号传送给阅读器；

所述数据管理及反馈报警模块用于将反映螺杆张力大小的该响应信号与预定的安全阈值对比分析来确定螺栓的松动情况；当螺杆张力低于安全阈值时发出预警信号。

5.根据权利要求4所述的螺栓松动监测装置，其特征在于：

所述压电感应元件使用压电材料，所述压电感应元件监测螺杆的张力大小，由A/D数据转换模块将模拟信号转换为数字信号，并将得到的数字响应信号发送给阅读器。

6.根据权利要求4所述的螺栓松动监测装置，其特征在于：

所述数据采集元件采用无源被动式RFID数据采集元件；所述数据读取设备采用RFID数据读取设备；每一个RFID标签均具有唯一的编码标识，可由数据读取设备识别读取；RFID电子标签采用无源被动式。

7.根据权利要求4所述的螺栓松动监测装置，其特征在于：

所述压电感应元件采用三层结构，中间层为压电感应材料，上下表层镀金属膜作为电极。

8.根据权利要求4所述的螺栓松动监测装置，其特征在于：

所述压电感应元件与无源RFID电子标签整合为一个整体。

9.根据权利要求8所述的螺栓松动监测装置，其特征在于：所述整体以防水防漏电耐高温硬质材料外包。

10.根据权利要求4至9中任一所述的螺栓松动监测装置，其特征在于：所述压电感应元件采用垫片的结构形式。

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