CN106323154A - 监测紧固件松动的装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了监测紧固件松动的装置及系统。其中，监测紧固件松动的装置适于部署在设备的被紧固件固定的第一部件和第二部件的对接处。该装置包括相对设置的第一感应部件和第二感应部件。其中，第一感应部件设置在第一部件上，第二感应部件设置在第二部件上。该装置还包括监测单元，适于输出幅值对应第一感应部件和第二感应部件之间距离的电信号。

Description

监测紧固件松动的装置及系统

技术领域

本发明涉及机械设备领域，尤其涉及监测紧固件松动的装置及系统。

背景技术

紧固件(例如螺栓等)广泛应用在风电、化工和冶金等领域。紧固件的拧紧状态会直接影响设备的工作性能。例如，紧固件松动或断裂等有可能造成较严重的设备损坏。紧固件由于制造缺陷、长期的交变载荷或偶发性超出设计范围的大载荷影响会产生松动。松动的存在和扩展会造成螺栓的断裂，进一步，紧固件松动在设备运行中造成各类重大事故。例如，风机叶片根部螺栓断裂导致叶片弯折，塔筒连接处螺栓断裂导致塔筒倒塌，主轴连接处螺栓断裂导致轮毂掉落等等。螺栓等紧固件松动带来的后果较严重，但是监控难度很大。

常见的检测手段有应力测试、螺栓位置检测、图像摄取、振动监测等等，这些监测手段通常要求满足一定的条件才能达到较好的监测效果。这些条件通常包括检测时的背景噪声要很低，待测物表面干净清洁，检测时间较长，要求被测物保持静止等等。例如图1A及图1B示出了现有的一个螺栓松动监测装置。图中标记：螺母安装板1、螺栓安装板2、连接杆3、主动齿轮4、螺母孔4.1、从动齿轮5、传感器安装槽6、金属涂层8、从动齿轮缺口9、盖板10钢板12、螺栓13和螺母14。螺母和一个主动齿轮固定在一起。当螺母松动发生转动时，会带着主动齿轮转动，从而带动与之啮合的从动齿轮转动。从动齿轮上有一金属遮挡物。螺母松动时，金属遮挡物由从动齿轮带动旋转到传感器安装槽的上方，挡住传感器向探测器发出的信号，从而探测出紧固件出现松动。然而，现有的监测装置只能对螺帽松动进行监测，但对螺栓等紧固件拉伸变形等原因造成连接处的松动并不能进行有效监测。

为此，本发明提出了一种新的监测紧固件松动的技术方案。

发明内容

为此，本发明提供一种新的监测紧固件松动的方案，有效的解决了上面至少一个问题。

根据本发明的一个方面，提供一种监测紧固件松动的装置，适于部署在设备的被紧固件固定的第一部件和第二部件的对接处。该装置包括相对设置的第一感应部件和第二感应部件。其中，第一感应部件设置在第一部件上，第二感应部件设置在第二部件上。该装置还包括监测单元，适于输出幅值对应第一感应部件和第二感应部件之间距离的电信号。

可选地，根据本发明的监测紧固件松动的装置还包括与监测单元耦接的控制单元。控制单元适于获取电信号并根据该电信号计算距离的测量值。

可选地，根据本发明的监测紧固件松动的装置还包括无线通信单元。控制单元还适于在测量值超过门限阈值时，通过无线通信单元向监测服务器发送报警信息。

可选地，在根据本发明的监测紧固件松动的装置中，第一感应部件包括第一电容的上极板。第二感应部件包括第一电容的下极板。监测单元包括与第一电容耦接的第一振荡器和第一检测放大电路。第一振荡器适于输出对应上极板和下极板之间距离的第一振荡信号。第一检测放大电路输入端与第一振荡器的输出端耦接，适于检测并放大该第一振荡信号的电压幅值，并将经过放大的第一振荡信号的电压幅值作为对应距离的电信号。

可选地，在根据本发明的监测紧固件松动的装置中，第二感应部件还包括与下极板保持第一预定间距的基准极板，该基准极板与下极板组成基准电容。监测单元还包括与第一振荡器相同的第二振荡器。该第二振荡器与基准电容耦接，适于输出对应第一预定间距的第二振荡信号。监测单元还包括与第一检测放大电路相同的第二检测放大电路。第二检测放大电路输入端与第二振荡器的输出端耦接，适于检测并放大第二振荡信号的电压幅值，并将放大后的第二振荡信号的电压幅值作为第一基准电信号。在紧固件松动时，上极板和下极板的之间的距离与第一振荡信号的电压幅值成反比关系。

可选地，在根据本发明的监测紧固件松动的装置中，第一感应部件包括第一电感线圈。第二感应部件包括金属板。监测单元包括第三振荡器和点检测放大电路。第三振荡器与该第一电感线圈耦接，适于输出对应第一电感线圈和金属板之间距离的第三振荡信号。第三检测放大电路输入端与第三振荡器的输出端耦接，适于检测并放大该第三振荡信号的电压幅值，并将经过放大的第三振荡信号的电压幅值作为对应距离的电信号。

可选地，在根据本发明的监测紧固件松动的装置中，第二感应部件还包括与下极板与下极板保持第二预定间距的第二电感线圈。监测单元还包括与第三振荡器相同的第四振荡器，其与第二电感线圈耦接，适于输出对应第二预定间距的第四振荡信号。监测单元还包括与第三检测放大电路相同的第四检测放大电路，其输入端与第四振荡器的输出端耦接，适于检测并放大第四振荡信号的电压幅值。第四检测放大电路可以将放大后的第四振荡信号的电压幅值作为第二基准电信号。在紧固件松动时，第一电感线圈与金属板之间的距离与第三振荡信号的电压幅值成正比关系。

可选地，在根据本发明的监测紧固件松动的装置中，第一部件和第二部件均为法兰结构。紧固件例如为螺栓。

根据本发明又一个方面，提供一种监测紧固件松动的系统，包括：至少一个监测紧固件松动的装置和监测服务器。监测服务器适于与监测紧固件松动的装置通信，以定位发生紧固件松动的位置和时间。

根据本发明监测紧固件松动的技术方案，通过在设备的对接处布置感应器件(电容方式或电感方式)，以及通过振荡器和检测放大电路，可以将紧固件松动引起设备对接处间隙的变化(即本发明中第一部件和第二部件的间距)转化为电信号的变化。在此基础上，本发明的技术方案可以通过电信号来计算对接处间隙的测量值，进而在超过报警门限时进行报警。这样，本发明的技术方案可以准确定位紧固件松动的位置和时间。另外，根据本发明的技术方案还可以进一步配置用于修正对接处间隙的测量值的基准极板或线圈，以及检测基准极板与下极板预定间距(或者第二线圈与金属板的预定间距)的振荡器和检测放大电路。这样，本发明的技术方案可以根据基准信号来修正对接处间隙的测量值，以提高检测精度。应注意，本发明的技术方案不仅可以监测紧固件松动，还可以监测例如通过焊接等连接方式的对接处的间隙变化以及监测设备上一些部位是否发生严重变形。

附图说明

为了实现上述以及相关目的，本文结合下面的描述和附图来描述某些说明性方面，这些方面指示了可以实践本文所公开的原理的各种方式，并且所有方面及其等效方面旨在落入所要求保护的主题的范围内。通过结合附图阅读下面的详细描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显。遍及本公开，相同的附图标记通常指代相同的部件或元素。

图1A示出了一种监测螺栓松动的装置的俯视图；

图1B示出了图1A中装置的侧视图；

图2示出了根据本发明一些实施例的监测紧固件松动的装置200的示意图；

图3示出了根据本发明一些实施例的监测紧固件松动的装置300的示意图；以及

图4示出了根据本发明一些实施例的监测紧固件松动的装置400的示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

图2示出了根据本发明一些实施例的监测紧固件松动的装置200的示意图。如图2所示，装置200适于部署在设备的被紧固件(图中未示出)固定的第一部件110和第二部件120的对接处。这里，第一部110件和第二部件120例如是对接在一起的法兰结构，但不限于此。装置200包括感应器件210和监测单元220。感应器件包括第一感应部件211和第二感应部件212。这里，第一感应部件211设置在第一部件110上。第二感应部件212设置在第二部件120上。这样，在紧固件(例如螺栓等，但不限于此)松动(例如螺帽松动或者紧固件拉伸变形)时，第一感应部件211和第二感应部件212之间的距离会发生变化。监测单元200适于输出对应第一和第二感应部件之间距离的电信号。

在根据本发明一个实施例中，第一感应部件211包括一个电容C的上级板。第二感应部件包括了这个电容C的下极板。上下极板的间距与这个电容的电容量成反比。监测单元220与电容C耦接。具体地，监测单元220例如可以包括振荡器和检测放大电路。电容C可以作为振荡器的一部分。这样，电容C的变化会引起振荡器振荡幅度的变化。这里，振荡器例如可以是多种公知的LC振荡电路或者RC振荡电路，本发明对此不做过多限制。检测放大电路可以检测并放大(如果需要放大的话)振荡器输出振荡信号的电压幅值。这样，振荡信号的电压幅值可以作为对应第一和第二感应部件之间距离的电信号。

在根据本发明又一个实施例中，第一感应部件211包括一个电感线圈L。第二感应部件121包括一个金属板。监测单元220包括振荡器和检测放大电路。线圈L耦接到振荡器中。这样，在紧固件松动时，线圈L和金属板的距离发生变化。由于涡流效应，线圈L的阻抗发生变化。进一步，振荡器的振荡幅度发生变化。检测放大电路可以检测并输出振荡信号的电压幅值。

综上，根据本发明的装置200可以将第一部件110和第二部件120之间距离(即对接处的间隙)转化为一个对应的电信号。上文中对感应器件分别为电容和电感的实施方式进行说明。但不限于此，感应器件也可以是其他公知的适于测量距离的器件，这里不再赘述。另外，监测单元220也不限于包括上述的振荡器和检测放大单元，也可以是其他公知的可以将距离信号转化为相应电信号的电路。

需要说明的是，根据本发明的装置200并不限于监测紧固件的松动，还可以被安装在例如通过焊接连接的对接处或者需要监测是否发生变形的位置处(相应地，第一感应部件和第二感应部件的安装方式可以进行调整，这里不再赘述)。

图3示出了根据本发明一些实施例的监测紧固件松动的装置300的示意图。如图3所示，装置300包括第一感应部件310、第二感应部件320、监测单元330、控制单元340和无线通信单元350。

第一感应部件310包括上极板311。第二感应部件320包括下极板321和与下极板321保持第一预定间距的基准极板322。这样，上、下极板可以组成第一电容C₁。下极板和基准极板322可以组成电容C₂。监测单元330包括第一振荡器331、第二振荡器332、第一检测放大电路333和第二检测放大电路334。第一电容C₁与第一振荡器331耦接。通常，在紧固件未松动时，第一电容C₁的电容值保持初始值。这样，第一振荡器331保持稳定的振荡幅度。在紧固件松动时，第一电容C₁的极板间距变大。相应地，第一振荡器的振荡幅度变小。即，振荡幅度与第一电容C₁的极板间距成反比。第一检测放大电路333输入端与第一振荡器331的输出端耦接。这样，第一检测放大电路333可以获取并放大第一振荡器331所输出振荡信号的电压幅值。第一检测放大电路333所获取的电压幅值可以作为对应第一感应部件310和第二感应部件320之间距离的电信号。控制单元340可以获取来自第一检测放大电路333的电信号，并根据该电信号计算第一和第二感应部件之间距离的测量值。在测量值大于门限阈值时，控制单元340可以生成相应的报警消息，并通过无线通信单元350将报警消息传输到监测服务器(未示出)。这样，监测服务器可以获取到发生松动的紧固件位置和松动时间。

基准电容C₂与第二振荡器332耦接。第二振荡器332与第一振荡器331的配置一致。第二检测放大电路334的输入端与第二振荡器332的输出端耦接。第二检测放大电路334与第一检测放大电路334的配置一致。第二振荡器332适于输出对应第一预定间距的振荡信号。第二检测放大电路334可以从检测并放大来自第二振荡器332的振荡信号的电压幅值，并将该电压幅值输出为对应第一预定间距的第一基准电信号。这里，第一基准电信号可以作为第一检测放大电路输出电信号的参考信号，以便控制单元340修正第一和第二感应部件之间距离的测量值。下面结合电容器原理对修正测量值进一步说明。

C＝εS/4πkd其中，ε为相对电容率，S为电容极板的正对面积，d为电容极板的距离，k是静电力常量。在装置300处于不同的温度等环境条件时，ε存在漂移。另外监测单元330中振荡器也存在漂移。由于基准电容的板件距离保持为第一预定间距。控制单元340可以利用基准电信号对第一检测放大电路输出的电信号进行修正，以提高测量准确度。

需要说明的是，装置300中振荡器(第一和第二振荡器)可以选择多种公知的振荡电路。检测放大电路例如可以包括电压检测电路和放大器。当然，在一些不需要放大信号的实施例中，放大器可以省略，这里不再赘述。另外，检测放大电路也可以被替换为其他适于检测并输出电压信号的公知电路模块。

图4示出了根据本发明一些实施例的监测紧固件松动的装置400的示意图。如图4所示，装置400包括第一感应部件410、第二感应部件420、监测单元430、控制单元440和无线通信单元450。第一感应部件410包括第一电感线圈L₁。第二感应部件420包括金属板421和与金属板保持第二预定间距的第二电感线圈L₂。监测单元430包括第三振荡器431、第四振荡器432、第三检测放大电路433和第四检测放大电路434。

第三振荡器431与第一电感线圈L₁耦接，适于输出对应第一电感线圈L₁和金属板421之间距离的第三振荡信号。具体而言，由于涡流效应，第一电感线圈L₁与金属板之间的距离与第一电感线圈L₁的等效阻抗对应。第一电感线圈L₁的等效阻抗又与第三振荡信号的振荡幅度对应。在一个实施例中，第一电感线圈L₁与金属板421之间的距离与第三振荡信号的电压幅值成正比关系。第三检测放大电路433的输入端与第三振荡器431的输出端耦接。第三检测放大电路433适于检测并放大该第三振荡信号的电压幅值，并将经过放大的第三振荡信号的电压幅值作为对应第一电感线圈L₁与金属板421之间的距离的电信号。这样，控制单元440可以根据来自第三检测放大电路433的电信号来计算金属板421和线圈L₁之间距离(即第一部件和第二部件之间的距离)的测量值。在确定金属板421和线圈L₁之间的距离超过门限阈值时，控制单元440生成并通过无线通信单元450向监测服务器传输报警信息。这样，监测服务器可以根据该报警信息确定紧固件松动的位置和时间。

另外，第二感应线圈L₂与第四振荡器432耦接。第四振荡器432的输入端与第四检测放大电路434的输入端耦接。其中，第四振荡器432与第三振荡器431的配置一致。第四检测放大电路434与第三检测放大电路433的配置一致。第四振荡器432适于输出对应第二预定间距的第四振荡信号。第四检测放大电路434适于检测并放大第四振荡信号的电压幅值，并将放大后的第四振荡信号的电压幅值作为第二基准电信号。这里，由于温度变化等环境因素的影响，第三振荡器431和第四振荡器432存在温度漂移等参数变化。由于第二电感线圈L₂与金属板421之间的距离(即第二预定间距)保持稳定，控制单元440可以根据第二基准电信号对第一感应线圈L₂与金属板421之间的距离测量值进行修正，以便提高测量准确度。

需要说明的是，第三和第四振荡器可以是多种可以应用在本发明中的公知LC振荡电路，这里不再赘述。第三(第四)检测放大电路可以包括电压检测电路和放大器。另外，检测放大单元也可以被替换为其他可以检测并输出振荡器的振荡幅值的其他公知检测电路。

另外，根据本发明的监测紧固件松动的系统可以包括多个根据本发明的监测紧固件松动的装置。系统还包括监测服务器。这里，监测紧固件松动的装置可以是装置200、300和400中任一种，这里不再赘述。监测服务器可以接收监测紧固件松动的装置的报警信息。这样，监测服务器可以实时确定发生紧固件松动的位置和时间。在此基础上，用户可以及时得到紧固件松动的通知，可以有足够的时间裕度对设备进行维修。

A10、如A1-A8中任一项所述的装置，其中所述第一部件和第二部件均为法兰结构。A11、如A1-A10中任一项所述的装置，其中，所述紧固件为螺栓。

在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下被实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。

本领域那些技术人员应当理解在本文所公开的示例中的设备的模块或单元或组件可以布置在如该实施例中所描述的设备中，或者可替换地可以定位在与该示例中的设备不同的一个或多个设备中。前述示例中的模块可以组合为一个模块或者此外可以分成多个子模块。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

此外，所述实施例中的一些在此被描述成可以由计算机系统的处理器或者由执行所述功能的其它装置实施的方法或方法元素的组合。因此，具有用于实施所述方法或方法元素的必要指令的处理器形成用于实施该方法或方法元素的装置。此外，装置实施例的在此所述的元素是如下装置的例子：该装置用于实施由为了实施该发明的目的的元素所执行的功能。

如在此所使用的那样，除非另行规定，使用序数词“第一”、“第二”、“第三”等等来描述普通对象仅仅表示涉及类似对象的不同实例，并且并不意图暗示这样被描述的对象必须具有时间上、空间上、排序方面或者以任意其它方式的给定顺序。

尽管根据有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施例。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本发明的范围，对本发明所做的公开是说明性的，而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。

Claims (10)

1.一种监测紧固件松动的装置，适于部署在设备上被紧固件固定的第一部件和第二部件的对接处，该装置包括：

相对设置的第一感应部件和第二感应部件，其中第一感应部件设置在第一部件上，第二感应部件设置在第二部件上；

监测单元，适于输出幅值对应第一感应部件和第二感应部件之间距离的电信号。

2.如权利要求1所述的装置，还包括与所述监测单元耦接的控制单元，适于获取所述电信号，并根据该电信号计算所述距离的测量值。

3.如权利要求2所述的装置，还包括无线通信单元；

所述控制单元还适于在所述测量值超过门限阈值时，通过该无线通信单元向监测服务器发送报警信息。

4.如权利要求1-3中任一项所述的装置，其中，

所述第一感应部件包括第一电容的上极板，所述第二感应部件包括第一电容的下极板；

所述监测单元包括：

与该第一电容耦接的第一振荡器，适于输出对应该上极板和下极板之间距离的第一振荡信号；

第一检测放大电路，其输入端与第一振荡器的输出端耦接，适于检测并放大该第一振荡信号的电压幅值，并将经过放大的第一振荡信号的电压幅值作为对应所述距离的电信号。

5.如权利要求4所述的装置，其中，所述第二感应部件还包括与所述下极板保持第一预定间距的基准极板，该基准极板与下极板组成基准电容；

所述监测单元还包括与第一振荡器相同的第二振荡器；

该第二振荡器与基准电容耦接，适于输出对应第一预定间距的第二振荡信号；

所述监测单元还包括与第一检测放大电路相同的第二检测放大电路；

该第二检测放大电路输入端与第二振荡器的输出端耦接，适于检测并放大第二振荡信号的电压幅值，并将放大后的第二振荡信号的电压幅值作为第一基准电信号。

6.如权利要求4或5所述的装置，其中在所述紧固件松动时，所述上极板和下极板的之间的距离与所述第一振荡信号的电压幅值成反比关系。

7.如权利要求1-3中任一项所述的装置，其中，所述第一感应部件包括第一电感线圈，所述第二感应部件包括金属板；

所述监测单元包括：

第三振荡器，与该第一电感线圈耦接，适于输出对应第一电感线圈和金属板之间距离的第三振荡信号；

第三检测放大电路，其输入端与第三振荡器的输出端耦接，适于检测并放大该第三振荡信号的电压幅值，并将经过放大的第三振荡信号的电压幅值作为对应所述距离的电信号。

8.如权利要求7所述的装置，其中，所述第二感应部件还包括与下极板与下极板保持第二预定间距的第二电感线圈；

所述监测单元还包括与第三振荡器相同的第四振荡器，其与第二电感线圈耦接，适于输出对应第二预定间距的第四振荡信号；

所述监测单元还包括与第三检测放大电路相同的第四检测放大电路，其输入端与第四振荡器的输出端耦接，适于检测并放大第四振荡信号的电压幅值，并将放大后的第四振荡信号的电压幅值作为第二基准电信号。

9.如权利要求7或8所述的装置，其中在所述紧固件松动时，所述第一电感线圈与所述金属板之间的距离与所述第三振荡信号的电压幅值成正比关系。

10.一种监测紧固件松动的系统，包括：

至少一个如权利要求1-8中任一项所述的监测紧固件松动的装置；以及

监测服务器，适于与所述至少一个监测紧固件松动的装置通信，以定位发生紧固件松动的位置和时间。