CN109738169B - 一种通过紧固结构连接的结构件之间紧固状态的检测方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种通过紧固结构连接的结构件之间紧固状态的检测方法及系统。把至少一个振动传感器安装在一个结构件上，用于采集结构件的振动参数；把至少一个另外的振动传感器安装在另一个结构件或结构件之间的紧固结构上，用于采集另一个结构件或结构件之间的紧固结构的振动参数；根据振动参数判定所述紧固结构的紧固状态。该方法和系统在保证获取结构件之间紧固状态的同时，降低了功耗和成本。
Description
技术领域
本发明属于结构紧固状态检测领域，具体涉及一种通过紧固结构连接的结构件之间紧固状态的检测方法及系统。
背景技术
结构件之间的紧固安装是一种普遍存在的技术手段，如利用螺栓、焊接或粘接等方法紧固两个结构，以此来达到固定结构或传动的目的。在一些领域，结构件紧固关系的稳定性涉及到人身和财产安全，因此检测结构件之间的紧固是否牢靠极其重要。
输电线路铁塔上的螺栓松动会造成铁塔在外界的大风吹动时振动加大，并在振动中造成螺栓进一步松动，需要及时发现并紧固，以避免出现铁塔倒下的风险。当前采用人工巡检的方法检测螺栓的紧固状态，但是这样人工巡检低效且不及时。
利用电子系统和传感器自动实现螺栓紧固状态的监测，该方法虽然能及时有效地监测紧固件之间的松动，但是相关技术实现复杂，需要较多的资源和历史数据来判别。如申请公布号为CN 108414075 A公开的高压断路器紧固螺栓松动检测装置及检测方法，首先对振动加速度传感器的信号变换到频域，计算出加速度频域的固有频率，需要建立无松动的模型数据库，在如申请公布号为CN107976307A的专利申请公开了一种输电线路铁塔螺栓松动在线监测装置，在对振动加速度传感器的信号变换到频域后，在频域里面计算加速度频段的能量，并建立无松动的模型数据库。
时域到频域的信号变换需要消耗比较多的系统资源，在一些应用比如物联网领域，使用电池供电来实现是比较困难的，而且成本也高，难于应用于需要大量监测的应用。另一方面，建立无松动时的振动信号的数据库，理论上可行，但是需要长时间的历史数据的积累的，在不同的外部激励的情况下，比如不同风力和风向的激励，结构件的振动频率变化复杂，建立起完整的数据库是一件比较难以实现的工作。
申请公布号为CN107024343A的专利申请公开了一种GIS盆式绝缘子固定螺栓松动试验系统，具体采用同一个结构当中的两个振动信号的时域信号差别来分析振动的传播模式，但是这仅是同一个结构中的振动传播，并不能用来分析两个结构之间的紧固关系。
发明内容
本发明的目的是提供一种通过紧固结构连接的结构件之间紧固状态的检测方法及系统，该检测方法及系统采用耗电量低、外形小、成本低的振动传感器采集振动参数，并基于振动参数计算结构件之间紧固状态，保证快速稳定获取结构件之间紧固状态的同时，降低计算消耗和成本。
为实现上述发明目的，本发明提供以下两个技术方案：
第一，一种通过紧固结构连接的结构件之间紧固状态的检测方法，包括：
利用安装在一个结构件上的至少一个振动传感器，采集结构件的振动参数；
利用安装在另一个结构件或结构件之间的紧固结构上的至少一个另外的振动传感器，采集另一个结构件或结构件之间的紧固结构的振动参数；
根据所述振动参数判定所述紧固结构的紧固状态。
第二，一种通过紧固结构连接的结构件之间紧固状态的检测系统，包括：
至少一个振动传感器安装在一个结构件上，用于采集结构件的振动参数；
至少一个另外的振动传感器安装在另一个结构件或结构件之间的紧固结构上，用于采集另一个结构件或结构件之间的紧固结构的振动参数；
一个处理单元，用于根据所述振动参数判定所述紧固结构的紧固状态。
本发明提出的检测方法和系统实现容易，成本低，计算消耗很小的电量，特别适用于耗电量要求小的应用场景，比如没有外部供电，使用电池供电的场合。
优选地，所述紧固结构包括但不限于紧固件，焊接、吸附、或粘接形成的固定结构。其中，紧固件包括但不限于螺栓、螺柱、螺钉、螺母、自攻螺钉、木螺钉、垫圈、挡圈、销、铆钉、组合件与连接副以及焊钉等。
优选地，所述振动传感器包括但不限于振动加速度传感器、振动速度传感器、振动位移传感器中的至少一项。
优选地，所述振动参数包括但不限于振动加速度、振动速度、振动位移中的至少一项。
优选地，所述振动传感器为1轴、2轴、或多于2轴的振动传感器。
优选地，所述根据所述振动参数判定所述紧固结构的紧固状态包括：
设定至少一个紧固状态的松动指数阈值，根据所述振动参数计算所述紧固结构的松动指数，通过比较所述松动指数与所述松动指数阈值，判定所述紧固结构的紧固状态。
优选地，所述松动指数阈值的设定方法为：对所述紧固结构进行不同紧固程度的松动，根据所述振动参数计算所述紧固结构的松动指数，形成紧固程度与松动指数的关系，根据该关系确定所述松动指数阈值。
优选地，所述紧固件为具有螺纹的紧固件，通过通过2轴或多于2轴的振动传感器采集的振动参数计算所述紧固件的旋出角度和/或旋出圈数；根据所述紧固件的旋出角度和/或旋出圈数，设定至少一个紧固状态的旋出角度阈值和/或旋出圈数阈值；通过比较所述旋出角度和/或旋出圈数与所述旋出角度阈值和/或旋出圈数阈值，判定所述紧固件的紧固状态。
本发明的检测系统既可以是离线检测，也可以是在线检测。
用于离线检测时，在需要进行检测的时候，所述振动传感器分别采集所述振动参数，所述处理单元根据所述振动参数判定所述紧固结构的紧固状态。
用于在线检测时，所述振动传感器连续、定时、或根据设置分别采集所述振动参数，所述处理单元根据所述振动参数判定所述紧固结构的紧固状态。
优选地，所述处理单元根据判定紧固结构的紧固状态发出报警信息。
本发明中，所述处理单元可以在要检测的紧固结构附近，也可以通过有线或无线网络连接在远端。
本发明提供的结构件之间紧固状态的监测系统具有以下有益效果：
本发明中的振动传感器耗电量低、外形小、成本低，减低了检测系统的成本和耗电量；松动指数的计算方法简单，节省计算消耗，且根据松动指数能够稳定快速地实现对结构件之间紧固状态的监测；此外，根据具体实验设置多级松动指数阈值，以多种途径实现结构件之间紧固状态的多级报警，能够以最低的成本，做到及时对结构件之间紧固状态的全方位检测。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动前提下，还可以根据这些实施例获得其他实施方案。
图1是实施例1提供的通过紧固结构连接的结构件之间紧固状态的检测方法及系统的结构示意图。
图2是实施例2提供的通过紧固结构连接的结构件之间紧固状态的检测方法及系统的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。
实施例1
本实施例显示了一种通过焊接的紧固结构的检测方法和系统，本实施例中，振动传感器采用加速度传感器。如图1所示，第一结构件P1与第二结构件P2之间通过焊接方式紧固。该实施例中，对两结构件之间的焊缝按分段监测，分别记为D1,D2,……,Dn。
举例监测第一焊缝段D1的紧固状态，第一结构件P1为主要振动源，如上面安装有电机。第一结构件P1上靠近第一焊缝段D1的位置安装第一振动传感器V11，其采集的振动参数离散信号为a11(k),k＝1,2,3,…,N，k表示时间轴上振动参数离散信号的序号，相同的k值表示相同的离散时间；在第二结构件上靠近第一焊缝段D1的位置安装第二振动传感器V12，其采集的振动参数离散信号为a12(k),k＝1,2,3,…,N。
在焊接紧固状态完好时，靠近第一焊缝段D1的第一个结构P1和第二个结构P2的振动模式在振动方向、频率和强度上相一致；而在焊缝紧固状态松动或者出线裂缝时，两者的振动模式存在差异性，且随着焊缝松动或焊缝裂缝的程度扩大，两者的振动模式差异性扩大。
在一定的时间域内采集振动传感器V11和V12监测的振动参数离散信号为a11(k)和a12(k)，并以第一振动传感器的振动参数离散信号强度为参照，消除振动源强度的差异性因素，通过公式(1)计算获得用于衡量第一焊接段松动程度的松动指数S1。
其中，
表示两种振动参数值序列在N维空间的欧氏距离的平方，反应出两种振动参数数据的差异性，N值在实际应用当中的选择跟采样频率和振动频率有关，通常的振动频率是几百赫兹，那么根据奈奎斯特采样定理，采样率可以用几千赫兹，这个N值可选几个振动周期的采样点数。
在计算松动指数时，以安装在结构件上的振动加速传感器监测的振动参数强度为参考，消除振动源强度的差异性因素，利用公式(1)计算紧固结构的松动指数，该松动指数能够衡量紧固结构的松动程度，松动指数越大，表示松动程度越高，即越松动。
采用上述同样的方法，通过公式(2)获得焊缝段D2,D3,……,Dn的松动指数。
根据预设的松动指数阈值，可以判定各段焊缝的紧固状态。
本实施例中，松动指数阈值是通过实验获得的，具体地，通过切割焊缝，制造振动，采集振动参数离散信号为a11(k)和a12(k)，根据公式(1)计算松动指数，并建立松动指数和焊缝松动关系曲线，最后根据焊缝的实际需要的紧固程度确定相应的松动指数阈值。
本实施例中，处理单元在云端，传感器通过网络连接云端，把振动数据传给处理单元。用户可以通过电脑或手机远程查询螺栓的松动指数，以实现对螺栓紧固状态的监测。系统通过邮件、短信、微信等进行报警。
实施例2
本实施例显示了一种通过螺栓连接的紧固结构的检测方法和系统。如图2所示，结构件P1和结构件P2之间通过螺栓D1和螺栓D2连接。
本实施例中，对螺栓D1的松动情况进行检测，振动传感器V0安装在结构件P1上，振动传感器V1安装在螺栓D1上。
振动传感器V0采集的振动参数离散信号为a0(k),k＝1,2,3,…,N，k表示时间轴上的离散序号，振动传感器V1采集的振动参数离散信号为a1(k),k＝1,2,3,…,N。在螺栓完全紧固时，结构件P1的振动模式和螺栓D1的振动模式在振动方向、频率和强度上相一致；而在螺栓松动时，两者的振动模式存在差异性，且随着螺栓松动的程度扩大，两者的振动模式差异性扩大。
根据振动参数离散信号a0(k)和a1(k)，利用公式(3)计算获得螺栓D1的松动指数S1。
采用上述同样的方法，利用公式(4)获得螺栓D2的松动指数。
根据预设的松动指数阈值，可以判定D1和D2的紧固状态。
本实施例中，松动指数阈值是通过实验获得的，具体地，通过松动螺栓，制造振动，采集振动参数离散信号为a0(k)和a1(k)，根据公式(3)计算松动指数，并建立松动指数和螺栓松动关系曲线，最后根据螺栓的实际需要的紧固程度确定相应的松动指数阈值。
值得注意的是，振动传感器V1和V2共用了一个振动传感器V0作为基准。
进一步，由于螺栓松动经常是振动造成螺栓的旋出，可以采用螺栓的旋出角度和/或旋出圈数作为判定松动的依据。
本实施例的振动传感器V0和V1采用2轴或3轴振动传感器。
本发明中，紧固件的旋转平面是指与紧固件的旋转轴垂直相交的平面，x轴和y轴是旋转平面上相交的两轴。
在螺栓紧固状态下安装传感器。安装时，要保障振动传感器V0和V1能够采集到螺栓的旋转平面上的轴线x轴和y轴的振动参数，根据振动参数即可以计算出在螺栓的旋转平面上的振动方向。同时，振动传感器V0和V1的安装方向一致，使得振动传感器V0和V1的采集的振动参数轴向一致；如果没有保证振动传感器的监测V0和V1采集的振动参数轴向一致，可以通过软件校准到一致。
对于安装在结构件上P1振动传感器V0，根据采集的在螺栓的旋转平面上的x轴振动参数和y轴振动参数，可以计算出在旋转平面上的振动方向，即P1振动方向与x轴的夹角A0。
对于安装在螺栓D1上振动传感器V1，根据采集的在螺栓的旋转平面上的x轴振动参数和y轴振动参数，可以计算出在旋转平面上的振动方向，即D1振动方向与x轴的夹角A1。
当螺栓D1和结构件P1完全紧固时，安装于两者上面的振动传感器V0和V1在螺栓的旋转平面上的振动方向一致，即A1＝A0。当螺栓D1旋出一定角度后，安装于两者上面的振动传感器V0和V1在螺栓的旋转平面上的振动方向出现相对变化，即A1≠A0。其相对角度A1-A0就体现了螺栓的相对旋出角度。
需要考虑到单纯依靠旋转平面上的振动方向无法确定有可能出现的螺栓旋出超过一圈的情况。根据在足够短的检测时间间隔上，螺栓不会在此间隔之内旋转达到360度，通过持续间隔性的检测记录，可以得出累计的螺栓旋出角度。比如上次检测累积旋出角度是350度，相对旋出角度也是350度。而下一次相对检测旋出角度是10度，这说明这两次检测之间，螺栓旋出了20度，而累积旋出角度是350+20＝370度，或者以旋出圈数计算为1.028圈为螺栓旋出圈数。
本实施例中，松动指数阈值采用旋出角度阈值，该阈值采用实验确定。具体地，通过松动螺栓，根据旋出角度和螺栓的实际需要的紧固程度，确定旋出角度阈值。
本实施例中，处理单元与振动传感器V0集成在一起，通过网络连接云端。用户可以通过电脑或手机远程查询焊接段序号以及焊接段的松动指数，以实现对焊接段紧固状态的监测。系统通过邮件、短信、微信等进行报警。
上述检测系统中，振动传感器耗电量低、外形小、成本低，降低了系统的成本和耗电量；松动指数和旋出角度的计算方法简单，节省计算消耗，且根据松动指数和/或旋出角度能够稳定快速地实现对结构件之间紧固状态的监测；此外，根据具体实验设置多级松动指数阈值和旋出角度阈值，以多种途径实现结构件之间紧固状态的多级报警，能够以最低的成本，做到及时对构件之间紧固状态的全方位监测。
以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的部分实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (11)
1.一种通过紧固结构连接的结构件之间紧固状态的检测方法，其特征在于，包括：利用安装在一个结构件上的至少一个振动传感器，采集结构件的振动参数；利用安装在另一个结构件或结构件之间的紧固结构上的至少一个另外的振动传感器，采集另一个结构件或结构件之间的紧固结构的振动参数；根据所述振动参数判定所述紧固结构的紧固状态；
所述根据所述振动参数判定所述紧固结构的紧固状态包括：设定至少一个紧固状态的松动指数阈值，根据所述振动参数计算所述紧固结构的松动指数，通过比较所述松动指数与所述松动指数阈值，判定所述紧固结构的紧固状态；
所述紧固结构包括紧固件，焊接、吸附或粘接形成的固定结构；
当所述紧固件为具有螺纹的紧固件时，通过2轴或多于2轴的振动传感器采集的振动参数计算所述紧固件的旋出角度和/或旋出圈数；根据所述紧固件的旋出角度和/或旋出圈数，设定至少一个紧固状态的旋出角度阈值和/或旋出圈数阈值；通过比较所述旋出角度和/或旋出圈数与所述旋出角度阈值和/或旋出圈数阈值，判定所述紧固件的紧固状态。
2.如权利要求1所述的通过紧固结构连接的结构件之间紧固状态的检测方法，其特征在于，所述振动传感器包括振动加速度传感器、振动速度传感器、振动位移传感器中的至少一项。
3.如权利要求1所述的通过紧固结构连接的结构件之间紧固状态的检测方法，其特征在于，所述振动参数包括振动加速度、振动速度、振动位移中的至少一项。
4.如权利要求1所述的通过紧固结构连接的结构件之间紧固状态的检测方法，其特征在于，所述松动指数阈值的设定方法为：对所述紧固结构进行不同紧固程度的松动，根据所述振动参数计算所述紧固结构的松动指数，形成紧固程度与松动指数的关系，根据该关系确定所述松动指数阈值。
5.一种通过紧固结构连接的结构件之间紧固状态的检测系统，其特征在于，包括：至少一个振动传感器安装在一个结构件上，用于采集结构件的振动参数；至少一个另外的振动传感器安装在另一个结构件上或结构件之间的紧固结构上，用于采集另一个结构件或结构件之间的紧固结构的振动参数；一个处理单元，用于根据所述振动参数判定所述紧固结构的紧固状态；
所述根据所述振动参数判定所述紧固结构的紧固状态包括：设定至少一个紧固状态的松动指数阈值，根据所述振动参数计算所述紧固结构的松动指数，通过比较所述松动指数与所述松动指数阈值，判定所述紧固结构的紧固状态；
所述紧固结构包括紧固件，焊接、吸附或粘接形成的固定结构；
当所述紧固件为具有螺纹的紧固件时，通过2轴或多于2轴的振动传感器采集的振动参数计算所述紧固件的旋出角度和/或旋出圈数，根据所述紧固件的旋出角度和/或旋出圈数，设定至少一个紧固状态的旋出角度阈值和/或旋出圈数阈值，通过比较所述旋出角度和/或旋出圈数与所述旋出角度阈值和/或旋出圈数阈值，判定所述紧固件的紧固状态。
6.如权利要求5所述的通过紧固结构连接的结构件之间紧固状态的检测系统，其特征在于，所述振动传感器包括振动加速度传感器、振动速度传感器、振动位移传感器中的至少一项。
7.如权利要求5所述的通过紧固结构连接的结构件之间紧固状态的检测系统，其特征在于，所述振动参数包括振动加速度、振动速度、振动位移中的至少一项。
8.如权利要求5所述的通过紧固结构连接的结构件之间紧固状态的检测系统，其特征在于，所述松动指数阈值的设定方法为：对所述紧固结构进行不同紧固程度的松动，根据所述振动参数计算所述紧固结构的松动指数，形成紧固程度与松动指数的关系，根据该关系确定所述松动指数阈值。
9.如权利要求5～8任一项所述的通过紧固结构连接的结构件之间紧固状态的检测系统，其特征在于，所述检测系统为离线检测系统，在需要进行检测的时候，所述振动传感器分别采集所述振动参数，所述处理单元根据所述振动参数判定所述紧固结构的紧固状态。
10.如权利要求5～8任一项所述的通过紧固结构连接的结构件之间紧固状态的检测系统，其特征在于，所述检测系统为在线检测系统，所述振动传感器连续、定时、或根据设置分别采集所述振动参数，所述处理单元根据所述振动参数判定所述紧固结构的紧固状态。
11.如权利要求10所述的通过紧固结构连接的结构件之间紧固状态的检测系统，其特征在于，所述处理单元根据判定紧固结构的紧固状态发出报警信息。
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