CN112697336B - 基于重叠扇环形贴片天线的螺栓松动传感器及监测系统 - Google Patents

基于重叠扇环形贴片天线的螺栓松动传感器及监测系统 Download PDF

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Abstract

一种基于重叠扇环形贴片天线的螺栓松动监测系统，包括RFID标签、阅读器和设置模块，用于监测螺栓及螺帽旋转的RFID标签，包括组件一和组件二，组件一由中部六边形开孔介质板和扇环形贴片构成，扇环形贴片打印在六边形开孔介质板的突出部分的下表面；组件二由扇环形贴片、微带馈电线8、芯片、环形介质板和地平面构成；扇环形贴片和微带馈电线相连；芯片连接于微带馈电线的末端并固定在环形介质板上；地平面打印在环形介质板下表面；当扇环形贴片与扇环形贴片处于重叠状态时，扇环形贴片的环向长度与扇环形贴片的环向长度之和减去二者重叠部分的长度即为天线的谐振长度；当扇环形贴片与扇环形贴片不再重叠时，天线的谐振长度为扇环形贴片的长度。

Description

基于重叠扇环形贴片天线的螺栓松动传感器及监测系统
技术领域
本申请涉及螺栓松动监测技术。
背景技术
螺栓广泛应用于土木、交通、航空航天等领域的连接中，其强度高、可拆卸的特点使得其适用性更广阔。但是，螺栓在振动、冲击等荷载作用下容易发生松动，对结构会存在很严重的安全隐患。因此，对于采用螺栓连接的结构，有必要进行定时的螺栓监测，避免因螺栓松动而引起的结构破坏。
目前，常用的螺栓监测技术有：基于压电导纳的螺栓松动监测方法和应变片电测法。
基于压电导纳的螺栓松动监测方法在螺栓上粘贴压电传感器，通过测量压电导纳图中的峰值频率变化，可以判断螺栓是否松动，但是压电传感器需要通过导线来进行激励，并且需要昂贵的高精度阻抗分析仪，难以大范围应用在工程实际中。
应变片电测法通过测量螺栓螺杆的应变来精确测量螺栓轴向力，但是螺栓轴向应变不大，使得其测量精度不高，而且受安装条件的限制，其难以广泛应用。
发明内容
为解决传统螺栓监测技术的不足，本申请提出了一种基于重叠扇环形贴片天线的螺栓松动传感器；一种基于重叠扇环形贴片天线的螺栓松动传感系统；一种实现大范围多个螺栓松动监测系统。
技术方案
一种基于重叠扇环形贴片天线的螺栓松动监测系统，其特征在于，包括RFID标签1、阅读器4和设置模块，其中：
用于监测螺栓及螺帽旋转的RFID标签1，包括组件一和组件二，其中：
组件一由中部六边形开孔介质板5和第一扇环形贴片6构成，第一扇环形贴片6打印在六边形开孔介质板5的突出部分的下表面；
组件二由第二扇环形贴片7、微带馈电线8、芯片9、环形介质板10和地平面11构成；第二扇环形贴片7和微带馈电线8相连，并打印在环形介质板10的上表面；芯片9连接于微带馈电线8的末端并固定在环形介质板10上；地平面11打印在环形介质板10下表面；
第二扇环形贴片7的径向宽度与第一扇环形贴片6相同；
当第一扇环形贴片6与第二扇环形贴片7处于重叠状态时，第一扇环形贴片6的环向长度与第二扇环形贴片7的环向长度之和减去二者重叠部分的长度即为天线的谐振长度；当第一扇环形贴片6与第二扇环形贴片7不再重叠时，天线的谐振长度为第二扇环形贴片7的长度；
组件一与待测螺栓2的螺帽相连，组件二与被连接件3相连，使用中螺帽的转动会引起组件一与组件二之间相对转动，从而引起第一扇环形贴片6与第二扇环形贴片7重叠长度的变化，进而引起天线谐振长度的变化，导致天线的谐振频率发生改变；RFID标签1将待测螺栓2的螺帽旋转角度的信息转化为电磁波信号。
RFID标签1与阅读器4之间的距离在通信读取范围内；
系统控制阅读器4以周期性可变的不同频率电磁波发射，当发射的频率电磁波匹配RFID标签1目前的工作谐振频率则被激活，RFID标签1通过天线发生应答信号，与阅读器4建立通信；
阅读器4负责无线读取RFID标签1的信息并进行数据处理。
设置模块作为人机交互模块，系统通过设置模块负责输入预警开始松动时和完全失去预紧力状态时螺帽所发生旋转的角度边界阈值；
根据螺栓的规格、力学参数和螺距，确定出螺栓从预设预紧力状态变化到完全失去预紧力状态时螺帽所旋转的角度，设置模块给系统输入；在安装标签1时，同时根据选定某任意的内圆弧和外圆弧初始相对面积；
当被测对象螺栓松动时，第一扇环形贴片6与第二扇环形贴片7重叠长度的发生变化，天线谐振长度发生变化，从而天线谐振频率发生变化，经过理论分析和具体试验，确定出天线谐振频率漂移量和螺帽旋转角度的影响关系式；天线谐振频率变化ΔfR与待测螺栓的螺帽旋转角度Δθ之间的关系可用如下公式表示：
Figure GDA0003166752730000031
式中c是真空中光速，ε是介质板10的相对介电常数，L2是第一扇环形贴片6的中线的环向长度，L4是第二扇环形贴片7的中线的环向长度，L0为两贴片中线的初始环向重叠长度，R为第一扇环形贴片6和第二扇环形贴片7中线的半径。通过确定谐振频率的漂移量，可以计算出待测螺栓的螺帽旋转角度。
阅读器4包括无线收发模块、调制解调模块、控制模块、数字处理模块；通过无线收发模块、调制解调模块，RFID阅读器可以检测RFID标签的谐振频率漂移，经调制解调模块解调后提供给控制模块、数字处理模块，数字处理模块根据设置模块中的对应关系计算出因螺栓松动两组件所发生的相对转角，即螺帽旋转角度，进而判断螺栓状态。
其中,控制模块，用于控制系统的RFID阅读器以不同的频率向RFID标签发射调制过的电磁波信号，当RFID标签接收到的信号功率达到阈值时，RFID标签中的芯片即可被激活；激活标签所需要的阅读器最小发射功率Pmin(f)与阅读器所发射信号频率f有关，当阅读器以RFID标签中扇环形贴片天线谐振频率发射信号时fR，激活标签所需的最小发射功率Pmin(fR)最小。
其中，数字处理模块通过寻找使最小发射功率达到最小值的发射频率，即可确定出RFID标签中天线的谐振频率；当天线两个重叠长度的发生变化，天线电容发生变化，其谐振频率漂移，通过数字处理模块根据公式(1)可以确定谐振频率漂移量，从而得出发生的转角值和螺帽旋转角度，根据螺帽旋转角度判断螺栓状态，从而实现螺栓松动的无源无线监测。
本申请技术特点和有益效果：
(1)本申请的无源无线角度传感器可以感知角度变化，并且传感器的谐振频率的漂移量与角度大小在固定范围内有较为明确的关系；检测设备可无线检测天线谐振频率的漂移量，依此推算出螺栓松动所导致螺帽旋转的角度，实现螺栓松动的无线检测；
(2)检测设备可以无线检测天线谐振频率的漂移量，以此推算螺栓的连接状态；当螺栓预紧力消失时，该基于部分重叠扇环形贴片天线的无源无线角度传感器会产生明显的谐振频率漂移；
(3)芯片可存储贴片天线的ID、位置等简单信息，实现大范围多个螺栓松动监测。
(4)检测设备可通过电磁波激活传感器使其工作，不需要额外的电源，实现传感器的无源；
(5)传感系统中的RFID标签安装时无需对螺栓进行改造，可以安装在现有螺栓上，更加经济实用；
(6)通过电磁波进行信息传输，不需要同轴线，使传感系统更加简单，布置更加灵活，在自然灾害下更不容易失效；
(7)通过电磁波提供能量，不需要电源线或电池为传感系统提供能量，减少了传感器安装的劳力以及传感系统的成本；
(8)以天线的谐振频率作为参数判断螺栓状态，该参数受距离和环境噪声等因素的影响可忽略，增加了该传感系统的适用性；
(9)可以作为预制设备与结构一同设计和建造，建设起实时监测的网络。
附图说明
图1实施例1中由组件一、二构成的RFID标签立体图
图2实施例2系统构成示意图
数字标记：
1-RFID标签
2-待测螺栓
3-被连接件
4-阅读器
5-六边形开孔介质板
6-第一扇环形贴片
7-第二扇环形贴片
8-微带馈电线
9-芯片
10-环形介质板
11-地平面
具体实施方式
下面将结合具体实施例及其附图对本申请提供的技术方案作进一步说明。结合下面说明，本申请的优点和特征将更加清楚。
需要说明的是，本申请的实施例有较佳的实施性，并非是对本申请任何形式的限定。本申请实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。本申请优选实施方式的范围也可以包括另外的实现，且这应被本申请实施例所属技术领域的技术人员所理解。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限定。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。
本申请的附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本申请实施例的目的，并非是限定本申请可实施的限定条件。任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本申请所能产生的效果及所能达成的目的下，均应落在本申请所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。且本申请各附图中所出现的相同标号代表相同的特征或者部件，可应用于不同实施例中。
实施例1
监测传感器(构造、结构原理)
如图1所示，用于监测螺栓及螺帽旋转的RFID标签1，包括组件一和组件二，其中：
组件一由中部六边形开孔介质板5和第一扇环形贴片6构成，第一扇环形贴片6打印在六边形开孔介质板5的突出部分的下表面；
组件二由第二扇环形贴片7、微带馈电线8、芯片9、环形介质板10和地平面11构成；第二扇环形贴片7和微带馈电线8相连，并打印在环形介质板10的上表面；芯片9连接于微带馈电线8的末端并固定在环形介质板10上；地平面11打印在环形介质板10下表面；
第二扇环形贴片7的径向宽度与第一扇环形贴片6相同；
当第一扇环形贴片6与第二扇环形贴片7处于重叠状态时，第一扇环形贴片6的环向长度与第二扇环形贴片7的环向长度之和减去二者重叠部分的长度即为天线的谐振长度；当第一扇环形贴片6与第二扇环形贴片7不再重叠时，天线的谐振长度为第二扇环形贴片7的长度。
RFID标签1安装时，组件一与待测螺栓2的螺帽相连，组件二与被连接件3相连，组件二放在组件一之下，第一扇环形贴片6与第二扇环形贴片7位于同一平面，且部分重叠；螺帽的转动会引起组件一与组件二之间相对转动，从而引起第一扇环形贴片6与第二扇环形贴片7重叠长度的变化，进而引起天线谐振长度的变化，导致天线的谐振频率发生改变。RFID标签1将待测螺栓2的螺帽旋转角度的信息转化为电磁波信号。
进一步，第一扇环形贴片6与第二扇环形贴片7由重叠状态变到非重叠状态时，天线谐振长度会发生急剧变化，进而导致天线谐振频率发生跳跃变化，给使用者以明显的提示。这一特性可作为判断螺栓从具有预紧力状态变化到完全失去预紧力状态的指示性指标。
进一步，举例而非限制，所述第一扇环形贴片6、第二扇环形贴片7、微带馈电线8和地平面11的材料为黄铜，介质板5和介质板10的材料为RT5880。
进一步，根据螺栓的规格、力学参数和螺距，可以确定出螺栓从预设预紧力状态变化到完全失去预紧力状态时螺帽所旋转的角度。在安装标签1时，保证初始状态下，第一扇环形贴片6与第二扇环形贴片7的重叠角度等于预紧力状态下的角度。当螺栓2在被连接构件3上出现松动时，第一扇环形贴片6与第二扇环形贴片7的重叠部分发生改变，天线谐振频率发生变化。这一特性可作为判断螺栓从具有预紧力状态变化到完全失去预紧力状态的指示性指标。
实施例2(应用系统、工作原理)
基于实施例1进一步给出监测系统
图2所示，
无线射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)技术为螺栓松动监测提供了一种新思路，本申请公开了基于重叠扇环形贴片天线的螺栓松动传感器监测系统，可以实现无需外部有线电源的转角测量。
一种基于重叠扇环形贴片天线的螺栓松动监测系统，其特征在于，包括RFID标签1、阅读器4和设置模块(图中未画)，其中：
参照实施例1方式完成RFID标签1安装，组件一与待测螺栓2的螺帽相连，组件二与被连接件3相连，使用中螺帽的转动会引起组件一与组件二之间相对转动，从而引起第一扇环形贴片6与第二扇环形贴片7重叠长度的变化，进而引起天线谐振长度的变化，导致天线的谐振频率发生改变。RFID标签1将待测螺栓2的螺帽旋转角度的信息转化为电磁波信号。
RFID标签1与阅读器4之间的距离在通信读取范围内。
系统控制阅读器4以周期性可变的不同频率电磁波发射，当发射的频率电磁波匹配RFID标签1目前的工作谐振频率则被激活，RFID标签1通过天线发生应答信号，与阅读器4建立通信。
阅读器4负责无线读取RFID标签1的信息并进行数据处理。
设置模块作为人机交互模块，系统通过设置模块负责输入预警开始松动时和完全失去预紧力状态时螺帽所发生旋转的角度边界阈值。
根据螺栓的规格、力学参数和螺距，经过理论分析和试验，确定出螺栓从预设预紧力状态变化到完全失去预紧力状态时螺帽所旋转的角度，设置模块给系统输入。在安装标签1时，同时根据选定某任意的内圆弧和外圆弧初始相对面积，
当被测对象螺栓松动时，第一扇环形贴片6与第二扇环形贴片7重叠长度的发生变化，天线谐振长度发生变化，从而天线谐振频率发生变化，经过理论分析和具体试验，确定出天线谐振频率漂移量和螺帽旋转角度的影响关系式。天线谐振频率变化ΔfR与待测螺栓的螺帽旋转角度Δθ之间的关系可用如下公式表示：
Figure GDA0003166752730000071
式中c是真空中光速，ε是介质板10的相对介电常数，L2是第一扇环形贴片6的中线的环向长度，L4是第二扇环形贴片7的中线的环向长度，L0为两贴片中线的初始环向重叠长度，R为第一扇环形贴片6和第二扇环形贴片7中线的半径。通过确定谐振频率的漂移量，可以计算出待测螺栓的螺帽旋转角度。
进一步的，阅读器4包括无线收发模块、调制解调模块、控制模块、数字处理模块；其中无线收发模块、调制解调模块皆属于本领域通用的已知技术，不是本申请的创新点。通过无线收发模块、调制解调模块，RFID阅读器可以检测RFID标签的谐振频率漂移，经调制解调模块解调后提供给控制模块、数字处理模块，数字处理模块根据设置模块中的对应关系计算出因螺栓松动两组件所发生的相对转角，即螺帽旋转角度，进而判断螺栓状态。
其中,控制模块，用于控制系统的RFID阅读器以不同的频率向RFID标签发射调制过的电磁波信号，当RFID标签接收到的信号功率达到阈值时，RFID标签中的芯片即可被激活。激活标签所需要的阅读器最小发射功率Pmin(f)与阅读器所发射信号频率f有关，当阅读器以RFID标签中扇环形贴片天线谐振频率发射信号时fR，激活标签所需的最小发射功率Pmin(fR)最小。
其中，数字处理模块通过寻找使最小发射功率达到最小值的发射频率，即可确定出RFID标签中天线的谐振频率。当天线两个重叠长度的发生变化，天线电容发生变化，其谐振频率漂移，通过数字处理模块根据公式(1)可以确定谐振频率漂移量，从而得出发生的转角值和螺帽旋转角度，根据螺帽旋转角度判断螺栓状态，从而实现螺栓松动的无源无线监测。
实施例3
在实施例2基础上，实现对大范围的螺栓松动进行无源无线的监测。
系统还包括存储模块，预存有各个电子标签传感器中芯片携带标签的编码和位置信息，系统利用RFID阅读器向标签发射调制的电磁波信号，可以识别该标签的编码，当RFID阅读器扫描范围布置多个RFID标签时，阅读器可以根据各标签的编码，标记各个测点的螺栓状态，并快速定位已经松动的螺栓。
上述描述仅是对本申请较佳实施例的描述，并非是对本申请范围的任何限定。任何熟悉该领域的普通技术人员根据上述揭示的技术内容做出的任何变更或修饰均应当视为等同的有效实施例，均属于本申请技术方案保护的范围。

Claims (4)

1.一种基于重叠扇环形贴片天线的螺栓松动监测系统，其特征在于，包括RFID标签(1)、阅读器(4)和设置模块，其中：
用于监测螺栓及螺帽旋转的RFID标签(1)，包括组件一和组件二，其中：
组件一由中部六边形开孔介质板(5)和第一扇环形贴片(6)构成，第一扇环形贴片(6)打印在六边形开孔介质板(5)的突出部分的下表面；
组件二由第二扇环形贴片(7)、微带馈电线(8)、芯片(9)、环形介质板(10)和地平面(11)构成；第二扇环形贴片(7)和微带馈电线(8)相连，并打印在环形介质板(10)的上表面；芯片(9)连接于微带馈电线(8)的末端并固定在环形介质板(10)上；地平面(11)打印在环形介质板(10)下表面；
第二扇环形贴片(7)的径向宽度与第一扇环形贴片(6)相同；
当第一扇环形贴片(6)与第二扇环形贴片(7)处于重叠状态时，第一扇环形贴片(6)的环向长度与第二扇环形贴片(7)的环向长度之和减去二者重叠部分的长度即为天线的谐振长度；当第一扇环形贴片(6)与第二扇环形贴片(7)不再重叠时，天线的谐振长度为第二扇环形贴片(7)的长度；
组件一与待测螺栓(2)的螺帽相连，组件二与被连接件(3)相连，使用中螺帽的转动会引起组件一与组件二之间相对转动，从而引起第一扇环形贴片(6)与第二扇环形贴片(7)重叠长度的变化，进而引起天线谐振长度的变化，导致天线的谐振频率发生改变；RFID标签(1)将待测螺栓(2)的螺帽旋转角度的信息转化为电磁波信号；
RFID标签(1)与阅读器(4)之间的距离在通信读取范围内；
系统控制阅读器(4)以周期性可变的不同频率电磁波发射，当发射的频率电磁波匹配RFID标签(1)目前的工作谐振频率则被激活，RFID标签(1)通过天线发生应答信号，与阅读器(4)建立通信；
阅读器(4)负责无线读取RFID标签(1)的信息并进行数据处理；
设置模块作为人机交互模块，系统通过设置模块负责输入预警开始松动时和完全失去预紧力状态时螺帽所发生旋转的角度边界阈值；
根据螺栓的规格、力学参数和螺距，确定出螺栓从预设预紧力状态变化到完全失去预紧力状态时螺帽所旋转的角度，设置模块给系统输入；在安装标签(1)时，同时根据选定某任意的内圆弧和外圆弧初始相对面积；
当被测对象螺栓松动时，第一扇环形贴片(6)与第二扇环形贴片(7)重叠长度的发生变化，天线谐振长度发生变化，从而天线谐振频率发生变化，经过理论分析和具体试验，确定出天线谐振频率漂移量和螺帽旋转角度的影响关系式；天线谐振频率变化ΔfR与待测螺栓的螺帽旋转角度Δθ之间的关系可用如下公式表示：
Figure FDA0003166752720000021
式中c是真空中光速，ε是环形介质板(10)的相对介电常数，L2是第一扇环形贴片(6)的中线的环向长度，L4是第二扇环形贴片(7)的中线的环向长度，L0为两贴片中线的初始环向重叠长度，R为第一扇环形贴片(6)和第二扇环形贴片(7)中线的半径；通过确定谐振频率的漂移量，可以计算出待测螺栓的螺帽旋转角度。
2.如权利要求1所述系统，特征是，阅读器(4)包括无线收发模块、调制解调模块、控制模块、数字处理模块；通过无线收发模块、调制解调模块，RFID阅读器可以检测RFID标签的谐振频率漂移，经调制解调模块解调后提供给控制模块、数字处理模块，数字处理模块根据设置模块中的对应关系计算出因螺栓松动两组件所发生的相对转角，即螺帽旋转角度，进而判断螺栓状态。
3.如权利要求2所述系统，特征是，
其中,控制模块，用于控制系统的RFID阅读器以不同的频率向RFID标签发射调制过的电磁波信号，当RFID标签接收到的信号功率达到阈值时，RFID标签中的芯片即可被激活；激活标签所需要的阅读器最小发射功率Pmin(f)与阅读器所发射信号频率f有关，当阅读器以RFID标签中扇环形贴片天线谐振频率发射信号时fR，激活标签所需的最小发射功率Pmin(fR)最小。
4.如权利要求2所述系统，特征是，
其中，数字处理模块通过寻找使最小发射功率达到最小值的发射频率，即可确定出RFID标签中天线的谐振频率；当天线两个重叠长度的发生变化，天线电容发生变化，其谐振频率漂移，通过数字处理模块根据公式(1)可以确定谐振频率漂移量，从而得出发生的转角值和螺帽旋转角度，根据螺帽旋转角度判断螺栓状态，从而实现螺栓松动的无源无线监测。
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