CN108386437A - 一种紧固件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种紧固件，包括实现其紧固功能或辅助实现紧固功能的本体，还包括设置在所述本体上、感知该紧固件在固定物体时产生的微小形变导致的应力，将该应力转换为相应的电信号并与表示该紧固件自身身份的身份信息一起形成状态数据发送的状态检测单元。实施本发明的一种紧固件，具有以下有益效果：其能够实现自动检测、能够得到具体的、系统的数据。
Description
技术领域
本发明涉及物联网领域，更具体地说，涉及一种紧固件。
背景技术
现代工业、建筑领域传统中使用了大量的紧固件来实现部件与部件间的连接作用。这些紧固件除了与连接主体一起承担主体的基本功能之外，还必须承担来自温度、紫外线、震动、环境腐蚀、载荷、交变应力、抗剪切、抗扭转等各种考验。由于紧固件往往位居最为关键的关节点位置，这些因素对紧固件影响之严酷，甚至远远超过对建筑主要部件的考验程度。因此，为避免紧固件失效引发的工程事故，需要对紧固件的工作状态进行定期检查，例如在轨道交通领域，就需要维护人员定期对固定铁轨的扣件进行巡视检查和紧固。这种人工巡检方式要消耗大量的人力，效率低，需要安排相应的维护天窗作业点，限制了铁路吞吐运力的提升空间，且人工巡检还存在错检、漏检，海量数据无法记录、追溯等问题。现在也有一些自动化的视频检测技术，对紧固件的形态有无、缺失进行判别，间接反映紧固件的工作状态。该方法只有好和坏或有和无两种结论，该方法无法对紧固件的应力渐变过程、失效过程进行跟踪掌握，不能进行事前纠正。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述需要人力检测、缺乏量化的、系统的数据的缺陷，提供一种能够实现自动检测、能够得到具体的、系统的数据的一种紧固件。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种紧固件，包括实现其紧固功能或辅助实现紧固功能的本体，还包括设置在所述本体上、感知该紧固件在固定物体时产生的微小形变导致的应力，将该应力转换为相应的电信号并与表示该紧固件自身身份的身份信息一起形成状态数据发送的状态检测单元。
更进一步地，所述状态检测单元包括用于检测所述应力的应力信号产生模块、对所述应力信号进行采样的采样模块和接收所述采样信号并将其形成状态数据发送出去的数据处理模块，所述数据处理模块还为上述的模块提供电源。
更进一步地，所述数据处理单元包括无源RFID标签，其通过天线接收外部的激励信号并将所述激励信号转换为电源电压，为其自身和其他模块供电。
更进一步地，所述应力信号产生模块包括应力片和放大所述应力片输出的电信号的信号放大模块；所述应力片感知其所在位置发生的微小形变，产生或使得施加在其上的电压发生变化，从而得到输出的电信号。
更进一步地，所述应力片设置在所述紧固件的一个受力平面上，并粘贴在该受力平面。
更进一步地，所述紧固件包括螺钉，所述状态检测单元设置在所述螺钉的头部。
更进一步地，所述螺钉头部的中心位置设置有一凹陷的沉孔，所述沉孔底部为一光滑平面，所述应变片粘贴在所述平面上。
更进一步地，所述状态检测单元的其他模块设置在所述沉孔中，所述无源RFID标签的天线设置在与所述螺钉头部表面平齐的位置，并用环氧树脂灌封固定处所述天线表面外的其他位置。
更进一步地，所述紧固件包括用于辅助紧固件固定的垫圈，所述应力片设置在所述垫圈一面的环状表面上，并通过设置在所述垫圈侧面的凹槽，由线缆与设置在所述垫圈一侧的状态检测单元的其他模块连接。
更进一步地，所述垫圈侧壁的一面设置有附耳腔，所述状态检测单元的其他模块设置在所述附耳腔中。
实施本发明的一种紧固件，具有以下有益效果：由于在紧固件上设置有状态检测单元，该状态检测单元能够检测紧固件上的由于受力引起的微小形变而导致的应力，并将其转换为电信号，与该紧固件的身份信息一起形成状态数据发送出来，通过接收这样的状态数据，就能自动判断紧固件的受力状态，从而得到该紧固件是否工作正常的结论。在紧固件松开的情况下，由于其不受力或受力状态减小，导致其应力消失或变小，这些状态都能够通过上述状态数据体现出来。因此，其能够实现自动检测、能够得到具体的、系统的数据。
附图说明
图1是本发明一种紧固件实施例中状态检测单元的结构示意图；
图2是所述实施例中所述状态检测单元设置在螺钉上的位置结构示意图；
图3是所述实施例中所述状态检测单元设置在垫圈上的位置结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明实施例作进一步说明。
如图1所示，在本发明的一种紧固件实施例中，该紧固件包括实现其紧固功能的本体，还包括设置在所述本体上、感知该紧固件在固定物体时产生的微小形变导致的应力，将该应力转换为相应的电信号并与表示该紧固件自身身份的身份信息一起形成状态数据发送的状态检测单元。所述状态检测单元包括用于检测所述应力的应力信号产生模块(4、5)、对所述应力信号进行采样的采样模块3、接收所述采样信号并将其形成状态数据发送出去的数据处理模块(即RFID标签2)以及发送上述信号的天线1，所述数据处理模块还为上述的模块提供电源；即所述数据处理模块包括无源RFID标签2，其通过天线1接收外部的激励信号并将所述激励信号转换为电源电压，为其自身和其他模块供电。
在图1中，所述应力信号产生模块包括应力片1和放大所述应力片5输出的电信号的信号放大模块4；所述应力片5感知其所在位置发生的微小形变，产生或使得施加在其上的电压发生变化，从而得到输出的电信号。例如，所述应力片5在其所在位置并未发生形变的情况下，具有一个固定的电阻值；而在其所在位置发生形变的情况下，其电阻值发生变化，通过一个电桥能够得到这个电阻的变化情况，并将这个变化转换为电信号(例如电压)输出。这样的电阻变化是和形变的程度相关的，形变程度越大，其电阻变化就越大。而形变的程度又是和该位置的受力情况相关的，一般来讲，受力越大，形变也越大。一个紧固件在实现紧固物体的同时，必然会受力，这些受力的情况也必然会体现出该紧固件的一些位置上，这些位置组成的一个平面，称之为受力平面。如果一个紧固件的受力平面上没有受力，基本上只有一种可能，就是该紧固件松脱，没有达到紧固物体的效果。同时，不同的受力情况还表示了该紧固件的紧固程度，这些都可以通过上述电阻的变化情况进行准确的判断。在本实施例中，由于应力片5输出的电信号比较微小，为了使其适应后续的处理过程，使用了信号放大模块4对其进行放大。在本实施例中，将上述信号放大模块4视为上述应力信号产生模块的一部分，而在另外一些情况下，也可以将上述应力片5作为一个单独的部分，而将其他部分视为附属于RFID标签2的一部分。
由于在本实施例中，上述应力片5需要检测紧固件由于紧固或辅助紧固带来的微小形变，因此，所述应力片5设置在所述紧固件的一个受力平面上，并粘贴在该受力平面。
总体上来看，在本实施例中，标签电路由顺序连接的天线1、标签芯片2、采样模块3和信号放大模块4组成。标签电路外部通过连线和应变片5连接。标签芯片2和天线1连接，并通过天线1感应RFID读出器的激励射频信号，生成供自身工作的工作电压。标签芯片2启动工作后，能响应RFID读出器的查询指令，并反馈自身存储的ID数据。标签芯片2响应RFID读出器的操作指令，对外输出直流电压，供采样芯片3、信号放大模块4，应变片5工作使用。应变片5贴在紧固件上，将应力引起的微结构变化转化为电压，该电压传递给信号放大模块4进行信号放大。标签芯片2通过SPI总线和采样模块3进行通讯，控制采样模块3对放大后的信号进行采样，并获取转化后的数字量。标签芯片2缓存采样后的数据，在响应RFID读出器的读出指令时，将采样数据通过无线通讯方式反馈给RFID读出器。
在本实施例中，以两个例子来说明上述状态检测单元和紧固件本体之间的结合情况，一个例子是螺钉，另一个例子是在紧固件使用时大量应用的垫圈(在本发明中将垫圈视为紧固件的一种，其辅助实现紧固功能)。
当上述紧固件是螺钉时，所述状态检测单元设置在所述螺钉的头部。请参见图2。在图2中，所述螺钉头部的中心位置设置有一凹陷的沉孔，所述沉孔底部为一光滑平面，所述应变片粘贴在所述平面上。所述状态检测单元的其他模块设置在所述沉孔中，所述无源RFID标签的天线设置在与所述螺钉头部表面平齐的位置，并用环氧树脂灌封固定处所述天线表面外的其他位置。
具体来讲，在图2中，螺钉(或螺栓)头部10留有圆形(也可以是其他形状，例如，方形或六边形等)沉孔。圆形应变片11贴装在沉孔底部的平面上，标签电路12(即上述各单元中除应变片之外的部件)叠在圆形应变片11上边，标签电路12和应变片通过电缆13连接。圆形应变片11和标签电路12之间、标签电路12和螺栓头部沉孔的孔眼平面之间用环氧树脂灌封密闭。当该螺栓连接紧固部件时，螺栓头部会因受到反作用力而引起微形变。RFID读出器天线通过对螺栓头部进行对微波辐射，激活螺栓内的标签电路工作，RFID读出器通过指令获取标签内的ID数据、控制标签电路12对应变片进行供电、并对应变片因微变产生的电信号转换为数字信号。RFID读出器通过读取指令将从标签电路内将应力数据读取上来。通过上述过程，即可实现对螺栓的身份识别和其工作时内部所受应力的检测。
当上述紧固件是用于辅助紧固件固定的垫圈，请参见图3，所述应力片设置在所述垫圈一面的环状表面上，并通过设置在所述垫圈侧面的凹槽，由线缆与设置在所述垫圈一侧的状态检测单元的其他模块连接。所述垫圈侧壁的一面设置有附耳腔，所述状态检测单元的其他模块设置在所述附耳腔中。
在图3中，垫圈20内安装有多个应变片21。垫圈侧壁一侧连接有方形的附耳腔22。标签电路23安装在附耳腔23内，通过电缆24和应变片21按顺序串行连接。垫圈套在螺杆上使用，当螺杆拧紧时，中间的垫圈20会受因收到压力引起微形变，垫圈20内的应变片21将微形变转换为电信号，标签电路23对该电信号进行采样并传递给RFID读出器，可实现对螺栓紧固力状态的检测。当然，在一些情况下，上述应变片也可以安装在上述垫圈的两面的圆环表面。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种紧固件，包括实现其紧固功能或辅助实现紧固功能的本体，其特征在于，还包括设置在所述本体上、感知该紧固件在固定物体时产生的微小形变导致的应力，将该应力转换为相应的电信号并与表示该紧固件自身身份的身份信息一起形成状态数据发送的状态检测单元。
2.根据权利要求1所述的紧固件，其特征在于，所述状态检测单元包括用于检测所述应力的应力信号产生模块、对所述应力信号进行采样的采样模块和接收所述采样信号并将其形成状态数据发送出去的数据处理模块，所述数据处理模块还为上述的模块提供电源。
3.根据权利要求2所述的紧固件，其特征在于，所述数据处理单元包括无源RFID标签，其通过天线接收外部的激励信号并将所述激励信号转换为电源电压，为其自身和其他模块供电。
4.根据权利要求3所述的紧固件，其特征在于，所述应力信号产生模块包括应力片和放大所述应力片输出的电信号的信号放大模块；所述应力片感知其所在位置发生的微小形变，产生或使得施加在其上的电压发生变化，从而得到输出的电信号。
5.根据权利要求4所述的紧固件，其特征在于，所述应力片设置在所述紧固件的一个受力平面上，并粘贴在该受力平面。
6.根据权利要求5所述的紧固件，其特征在于，所述紧固件包括螺钉，所述状态检测单元设置在所述螺钉的头部。
7.根据权利要求6所述的紧固件，其特征在于，所述螺钉头部的中心位置设置有一凹陷的沉孔，所述沉孔底部为一光滑平面，所述应变片粘贴在所述平面上。
8.根据权利要求7所述的紧固件，其特征在于，所述状态检测单元的其他模块设置在所述沉孔中，所述无源RFID标签的天线设置在与所述螺钉头部表面平齐的位置，并用环氧树脂灌封固定处所述天线表面外的其他位置。
9.根据权利要求5所述的紧固件，其特征在于，所述紧固件包括用于辅助紧固件固定的垫圈，所述应力片设置在所述垫圈一面的环状表面上，并通过设置在所述垫圈侧面的凹槽，由线缆与设置在所述垫圈一侧的状态检测单元的其他模块连接。
10.根据权利要求9所述的紧固件，其特征在于，所述垫圈侧壁的一面设置有附耳腔，所述状态检测单元的其他模块设置在所述附耳腔中。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20180810 |