CN112835105A - 螺栓松动监控装置及方法、计算机可存储介质 - Google Patents

Abstract

本公开涉及螺栓松动监控装置及方法、计算机可存储介质。螺栓松动监控装置包括：LC谐振电路，被配置为根据频率为LC谐振电路的特征频率的电流信号生成当前电压幅值信号，LC谐振电路包括平行板电容器，平行板电容器包括相对设置的第一电容极板和第二电容极板，第一电容极板包括至少一个第一扇弧形极板，第二电容极板包括至少一个第二扇弧形极板，第一扇弧形极板和第二扇弧形极板一一对应，且每一对第一扇弧形极板与第二扇弧形极板的圆心角相同，在螺栓未松动的情况下，第一扇弧形极板在第二扇弧形极板的投影与第二扇弧形极板的重叠角度等于圆心角；以及数据处理模块，被配置为接收当前电压幅值信号，并根据当前电压幅值信号，判断螺栓是否松动。

Description

螺栓松动监控装置及方法、计算机可存储介质

技术领域

本公开涉及通信技术领域，特别涉及螺栓松动监控装置及方法、计算机可存储介质。

背景技术

通信铁塔依靠螺栓来组合主要结构部件，维持结构的稳定性，同时利用螺栓固定工作平台和安装天线，因此螺栓松动检查是铁塔周期性巡查维护的主要内容。每次均需要由维护人员爬上铁塔，逐一对大量螺栓进行紧固操作，工作强度和作业风险很大。除此之外螺栓还广泛应用于铁路轨道、公路桥梁、航海船舶、航空飞行器等机械结构中，螺栓连接的可靠性决定了结构的稳定性，其中螺栓是否松动是影响稳定性的主要因素，螺栓松动可能会造成严重后果。因此，目前存在很多螺栓松动检测技术。

相关螺栓松动监测技术还是依靠大量人力进行划线标记检查，进而利用图形识别、预紧力检测、非线性特性监控、超声波探测等螺栓松动检测方法，逐个对螺栓进行监测，效率低。

发明内容

发明人认为：相关的螺栓松动监测技术中，需要人工进行划线标记，效率低。

针对上述技术问题，本公开提出了一种解决方案，自动进行螺栓松动监测，提高了螺栓松动监测的效率。

根据本公开的第一方面，提供了一种螺栓松动监控装置，包括：LC谐振电路，被配置为根据频率为所述LC谐振电路的特征频率的电流信号，生成当前电压幅值信号，所述LC谐振电路包括平行板电容器，所述平行板电容器包括相对设置的第一电容极板和第二电容极板，所述第一电容极板的中心设置有与螺栓头部相适配的第一孔，所述第二电容极板的中心设置有可穿过螺杆的第二孔，所述螺栓头部固定在所述第一孔内，所述螺杆穿过所述第二孔安装到固定结构件，所述第二电容极板固定安装到所述固定结构件，所述第一电容极板包括至少一个第一扇弧形极板，所述第二电容极板包括至少一个第二扇弧形极板，其中，所述第一扇弧形极板和所述第二扇弧形极板一一对应，且每一对第一扇弧形极板与第二扇弧形极板的圆心角相同，在螺栓未松动的情况下，第一扇弧形极板在相对应的第二扇弧形极板的投影与所述相对应的第二扇弧形极板的重叠角度等于第一扇弧形极板的圆心角；以及数据处理模块，被配置为接收所述当前电压幅值信号，并根据所述当前电压幅值信号，判断所述螺栓是否松动。

在一些实施例中，所述至少一个第一扇弧形极板包括串联连接、具有相同圆心且半径相同的、相互间隔开的多个第一扇弧形极板，所述至少一个第二扇弧形极板包括串联连接、具有相同圆心且半径相同的、相互间隔开的多个第二扇弧形极板。

在一些实施例中，所述数据处理模块包括：信号抽样电路，被配置为接收所述当前电压幅值信号，并对所述当前电压幅值信号进行抽样，生成当前电压幅值离散信号；模数转换电路，被配置为接收所述当前电压幅值离散信号，并对所述当前电压幅值离散信号进行模数转换，生成当前数字编码。

在一些实施例中，所述数据处理模块还包括：通信单元，被配置为接收并发送所述当前数据编码；监控单元，被配置为接收所述当前数字编码，并根据所述当前数字编码，判断螺栓是否松动。

在一些实施例中，所述LC谐振电路还被配置为：在螺栓未松动的情况下，根据所述频率为所述LC谐振电路的特征频率的电流信号，生成标准电压幅值信号；所述信号抽样电路还被配置为：对所述标准电压幅值信号进行抽样，生成标准电压幅值离散信号；所述模数转换电路还被配置为：对所述标准电压幅值离散信号进行模数转换，生成标准数字编码。

在一些实施例中，根据所述当前数字编码，判断螺栓是否松动包括：根据所述当前数字编码，计算每一对第一扇弧形极板和第二扇弧形极板的当前重叠角度的和，所述当前重叠角度为第一扇弧形极板在第二扇弧形极板上的投影与第二扇弧形极板的重叠角度；确定各个第一扇弧形极板的圆心角的和与所述当前重叠角度的和的差值；根据所述差值与所述第一扇弧形极板的数量的比值，确定螺栓的松动角度。

在一些实施例中，根据所述数字编码，计算每一对第一扇弧形极板和第二扇弧形极板的当前重叠角度的和包括：根据所述当前数字编码中的峰值编码，确定当前峰值电压幅值；根据所述标准数字编码中的标准峰值编码，确定标准峰值电压幅值；根据所述当前峰值电压幅值与所述标准峰值电压幅值的比值，确定当前频率；根据所述当前频率，确定当前电容值；根据所述当前电容值，确定当前重叠面积；根据所述当前重叠面积，确定当前重叠角度的和。

在一些实施例中，根据所述当前数字编码，判断螺栓是否松动包括：比较所述当前数字编码与标准数字编码，在所述当前数字编码与所述标准数字编码不一致的情况下，螺栓松动。

在一些实施例中，所述数据处理模块还包括信号源，所述信号源被配置为：周期性产生频率为所述LC谐振电路的特征频率的电流信号，并输入所述LC谐振电路；所述通信单元还被配置为：周期性触发所述信号源产生频率为所述LC谐振电路的特征频率的电流信号。

在一些实施例中，所述LC谐振电路还包括电感，螺栓松动监控装置还包括：第一封装件，包括第一电极，其中，所述第二电容极板、所述电感、所述信号抽样电路、所述模数转换电路、所述通信单元和所述信号源位于所述第一封装件内部，所述第一电极分别与所述第二电容极板和所述信号源串联连接；第二封装件，包括第二电极，其中，所述第二电极分别与所述第一电容极板和所述电感串联连接，所述第一电容极板位于所述第二封装件内部。

在一些实施例中，所述第二电极与所述电感串联连接包括：所述第二电极通过导电触点与所述电感串联连接。

在一些实施例中，所述第二封装件包括固定覆盖于所述第一孔上的保护帽。

在一些实施例中，所述第二封装件还包括将螺栓头部固定在所述第一孔内的多个固定扣。

根据本公开第二方面，提供了一种螺栓松动监控方法，由上述任一实施例所述的螺栓松动监控装置，包括：根据频率为LC谐振电路的特征频率的电流信号，生成当前电压幅值信号；根据所述当前电压幅值信号，判断螺栓是否松动。

根据本公开第三方面，提供了一种螺栓松动监控装置，包括：存储器；以及耦接至所述存储器的处理器，所述处理器被配置为基于存储在所述存储器的指令，执行上述任一实施例所述的螺栓松动监控方法。

根据本公开的第四方面，一种计算机可存储介质，其上存储有计算机程序指令，该指令被处理器执行时实现上述任一实施例所述的螺栓松动监控方法。

在上述实施例中，自动进行螺栓松动监测，提高了螺栓松动监测的效率。

附图说明

构成说明书的一部分的附图描述了本公开的实施例，并且连同说明书一起用于解释本公开的原理。

参照附图，根据下面的详细描述，可以更加清楚地理解本公开，其中：

图1示出根据本公开一些实施例的螺栓松动监控装置的框图；

图2A示出根据本公开一些实施例的具有多个第一扇弧形极板的第一电容极板的示意图；

图2B示出根据本公开一些实施例的描述不同螺栓松动情况下的电压幅值信号的波形图、电压幅值离散信号的波形图和数字编码之间的对应关系的示意图；

图2C示出根据本公开一些实施例的螺栓未松动情况下的平行板电容器的状态示意图；

图2D示出根据本公开一些实施例的螺栓松动情况下的平行板电容器的状态示意图；

图2E示出根据本公开另一些实施例的螺栓松动情况下的平行板电容器的状态示意图；

图2F示出根据本公开再一些实施例的螺栓松动情况下的平行板电容器的状态示意图；

图3示出根据本公开一些实施例的数据处理模块的框图；

图4示出根据本公开一些实施例的螺栓松动监控装置的示意图；

图5示出根据本公开一些实施例的螺栓松动监控装置的电路示意图；

图6示出根据本公开一些实施例的螺栓松动监控方法的流程图；

图7示出根据本公开一些实施例的螺栓松动监控装置的框图；

图8示出用于实现本公开一些实施例的计算机系统的框图。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本公开的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本公开的范围。

同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本公开及其应用或使用的任何限制。

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，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

图1示出根据本公开一些实施例的螺栓松动监控装置的框图。

如图1所示，螺栓松动监控装置1包括LC谐振电路11和数据处理模块12。

LC谐振电路11被配置为根据频率为LC谐振电路的特征频率的电流信号，生成当前电压幅值信号。在一些实施例中，LC谐振电路还被配置为在螺栓未松动的情况下，根据频率为所述LC谐振电路的特征频率的电流信号，生成标准电压幅值信号。

LC谐振电路包括平行板电容器。平行板电容器包括相对设置的第一电容极板和第二电容极板。第一电容极板的中心设置有与螺栓头部相适配的第一孔。第二电容极板的中心设置有可穿过螺杆的第二孔。螺栓头部固定在第一孔内，螺杆穿过第二孔安装到固定结构件。第二电容极板固定安装到固定结构件。第一电容极板包括至少一个第一扇弧形极板。第二电容极板包括至少一个第二扇弧形极板。其中，第一扇弧形极板和第二扇弧形极板一一对应，且每一对第一扇弧形极板与第二扇弧形极板的圆心角相同。在螺栓未松动的情况下，第一扇弧形极板在相对应的第二扇弧形极板的投影与相对应的第二扇弧形极板的重叠角度等于第一扇弧形极板的圆心角。这里的圆心角为扇弧形圆心角。在螺栓松动的情况下，螺栓带动第一电容极板旋转，从而第一电容极板与第二电容极板的重叠面积发生变化。例如，第一扇弧形极板和第二扇弧形极板均为铝箔材质、或其他导电材质。

在一些实施例中，至少一个第一扇弧形极板包括串联连接、具有相同圆心且半径相同的、相互间隔开的多个第一扇弧形极板。至少一个第二扇弧形极板包括串联连接、具有相同圆心且半径相同的、相互间隔开的多个第二扇弧形极板。

下面将结合图2A详细描述具有多个第一扇弧形极板的第一电容极板的结构。

图2A示出根据本公开一些实施例的具有多个第一扇弧形极板的第一电容极板的示意图。

如图2A所示，第一电容极板2包括多个第一扇弧形极板21，多个第一扇弧形极板21通过导线22串联连接。多个第一扇弧形极板21具有相同的圆心A且半径R和r均相同。多个第一扇弧形极板21相互间隔开，使得在螺栓完全松动的情况下，第一电容极板转动过一定角度后，任意一个第一扇弧形极板不会与除与该任意一个第一扇弧形极板一一对应的第二扇弧形极板以外的其他第二扇弧形极板形成重叠面积。例如，所有第一扇弧形极板的圆心角设置为30度，任意两个第一扇弧形极板之间的空缺夹角为30度。第一电容极板2的中心设置有与螺栓头部相适配的第一孔23。例如第一孔为正六边形孔。

具有多个第二扇弧形极板的第二电容极板具有与如图2所示的具有多个第一扇弧形极板的第一电容极板具有类似的结构。对于第二电容极板，第二孔没有形状的限定，只需可以穿过螺栓的螺杆即可。

数据处理模块12被配置为接收当前电压幅值信号，并根据当前电压幅值信号，判断螺栓是否松动。

下面将结合图2B、图2C、图2D、图2E、图2F详细描述具有多个第一扇弧形极板的第一电容极板与具有多个第二扇弧形极板的第二电容极板在不同螺栓松动情况下的状态。即，螺栓松动与平行板电容器的联动关系。图2C、图2D、图2E、图2F均为将第一电容极板投影到第二电容极板后的状态示意图。并且，各个第一扇弧形极板和各个第二扇弧形极板的圆心角相同。

图2B示出根据本公开一些实施例的描述不同螺栓松动情况下的电压幅值信号的波形图、电压幅值离散信号的波形图和数字编码之间的对应关系的示意图。

如图2B所示，第一列为螺栓处于紧固状态、LC谐振电路谐振情况下的LC谐振电路输出的电压幅值信号的波形图、电压幅值离散信号的波形图和数字编码的对应关系。第一行第一列所示的波形图为的LC谐振电路输出的电压幅值信号的波形图，第二行第一列所示的波形图为电压幅值离散信号的波形图，第三行第一列所示的数字编码为模数转换电路对电压幅值离散信号进行模数转换后输出的数字编码。本公开的电压幅值离散信号均为电压幅值的离散时间信号。

第二列为螺栓开始松动、LC谐振电路开始失谐情况下的LC谐振电路输出的电压幅值信号的波形图、电压幅值离散信号的波形图和数字编码的对应关系。第一行第二列所示的波形图为的LC谐振电路输出的电压幅值信号的波形图，第二行第二列所示的波形图为电压幅值离散信号的波形图，第三行第二列所示的数字编码为模数转换电路对电压幅值离散信号进行模数转换后输出的数字编码。

第三列为螺栓继续松动、LC谐振电路失谐加重情况下的LC谐振电路输出的电压幅值信号的波形图、电压幅值离散信号的波形图和数字编码的对应关系。第一行第三列所示的波形图为的LC谐振电路输出的电压幅值信号的波形图，第二行第三列所示的波形图为电压幅值离散信号的波形图，第三行第三列所示的数字编码为模数转换电路对电压幅值离散信号进行模数转换后输出的数字编码。

第四列为螺栓继续松动、LC谐振电路谐振停止情况下的LC谐振电路输出的电压幅值信号的波形图、电压幅值离散信号的波形图和数字编码的对应关系。第一行第四列所示的波形图为的LC谐振电路输出的电压幅值信号的波形图，第二行第四列所示的波形图为电压幅值离散信号的波形图，第三行第四列所示的数字编码为模数转换电路对电压幅值离散信号进行模数转换后输出的数字编码。

图2C示出根据本公开一些实施例的螺栓未松动情况下的平行板电容器的状态示意图。

如图2C所示，平行板电容器的第一电容极板和第二电容极板上一一对应的第一扇弧形极板和第二扇弧形极板完全重叠，重叠角度为θ₀。θ₀即为第一扇弧形极板或第二扇弧形极板的圆心角。

平行板电容器在这种状态下，螺栓处于紧固状态，LC谐振电路谐振，LC谐振电路输出的电压幅值信号的波形图例如为如图2B中的第一行第一列所示的波形图。信号抽样电路对电压幅值信号进行抽样，输出的电压幅值离散信号的波形图例如为如图2B中的第二行第一列所示的波形图。模数转换电路对电压幅值离散信号进行模数转换，输出数字编码，数字编码例如为如图2B中的第三行第一列所示的数字编码。这种状态下的数字编码为标准数字编码。

图2D示出根据本公开一些实施例的螺栓松动情况下的平行板电容器的状态示意图。

如图2D所示，平行板电容器的第一电容极板和第二电容极板上一一对应的第一扇弧形极板和第二扇弧形极板部分重叠，重叠角度为θ₁，θ₁＜θ₀。

平行板电容器在这种状态下，螺栓开始松动，LC谐振电路开始失谐，LC谐振电路输出的电压幅值信号的波形图例如为如图2B中的第一行第二列所示的波形图。信号抽样电路对电压幅值信号进行抽样，输出的电压幅值离散信号的波形图例如为如图2B中的第二行第二列所示的波形图。模数转换电路对电压幅值离散信号进行模数转换，输出数字编码，数字编码例如为如图2B中的第三行第二列所示的数字编码。

图2E示出根据本公开另一些实施例的螺栓松动情况下的平行板电容器的状态示意图。

如图2E所示，平行板电容器的第一电容极板和第二电容极板上一一对应的第一扇弧形极板和第二扇弧形极板部分重叠，重叠角度为θ₂，θ₂＜θ₁。

平行板电容器在这种状态下，螺栓继续松动，LC谐振电路失谐加重，LC谐振电路输出的电压幅值信号的波形图例如为如图2B中的第一行第三列所示的波形图。信号抽样电路对电压幅值信号进行抽样，输出的电压幅值离散信号的波形图例如为如图2B中的第二行第三列所示的波形图。模数转换电路对电压幅值离散信号进行模数转换，输出数字编码，数字编码例如为如图2B中的第三行第三列所示的数字编码。

图2F示出根据本公开再一些实施例的螺栓松动情况下的平行板电容器的状态示意图。

如图2F所示，平行板电容器的第一电容极板和第二电容极板上一一对应的第一扇弧形极板和第二扇弧形极板部分重叠，重叠角度为θ₃，θ₃＜θ₂且θ₃≈0。

平行板电容器在这种状态下，螺栓继续松动，LC谐振电路谐振停止，LC谐振电路输出的电压幅值信号的波形图例如为如图2B中的第一行第四列所示的波形图。信号抽样电路对电压幅值信号进行抽样，输出的电压幅值离散信号的波形图例如为如图2B中的第二行第四列所示的波形图。模数转换电路对电压幅值离散信号进行模数转换，输出数字编码，数字编码例如为如图2B中的第三行第四列所示的数字编码。

通过图2B、图2C、图2D、图2E、图2F可知，在第一扇弧形极板和第二扇弧形极板完全对齐时，极板重叠角度最大，极板重叠面积最大，输入信号在LC回路中产生谐振现象，输出信号幅值最大。在螺栓偏离预定位置后，极板重叠角度减小，重叠面积减小，电容值下降，特征频率向上偏离，输入信号频率不变，回路逐渐失谐，输出幅值下降。螺栓继续偏离，极板重叠角度继续减小，输出幅值继续下降。在螺栓继续偏离直到极板重叠角度减小到约为0时，极板重叠面积减小到0，谐振现象停止，输出幅值最低。

螺栓松动过程是因外力、震动、温度等因素造成螺牙在螺孔中从紧密啮合到逐步松动的现象，即螺栓沿张紧动作的反方向松动，表现为螺栓与固定件本体之间的角度旋转变化。

可变电容器的一种形式就是通过改变两个极板重叠面积来调整电容值，因此可以通过测量螺栓旋转角度，并转化成电容值和电路输出信号幅值的变化来量化判断螺栓结构的松动程度。

螺栓松动监控装置根据螺栓标准公差设计，按照标准件要求批量生产，可以在螺栓安装紧固完毕后进行安装和拆卸，过程不影响螺栓结构稳定性，提供了安装、更换、维护的便利。例如，目前螺栓生产采用标准为国标GB/T 5783-2016，其中有对六角形螺栓尺寸的规范说明。

通过本公开的螺栓松动监控装置，实现了自动进行螺栓松动监测，提高了螺栓松动监测的效率。本公开设计了一种全天候监控螺栓松动程度的装置，结合物联网低功耗、高可靠的通信特性，形成对螺栓结构的全自动巡检机制，可以动态获取螺栓逐步松动直至固定作用失效的过程。进一步地，螺栓松动监控装置还可以及时发出维护提示信息，减少因螺栓松动带来的安全风险和经济损失。

下面将结合图3详细描述本公开一些实施例的数据处理模块12的结构。

图3示出根据本公开一些实施例的数据处理模块的框图。

如图3所示，数据处理模块12包括信号抽样电路121和模数转换电路122。

信号抽样电路121被配置为接收当前电压幅值信号，并对当前电压幅值信号进行抽样，生成当前电压幅值离散信号。在一些实施例中，信号抽样电路还被配置为对标准电压幅值信号进行抽样，生成标准电压幅值离散信号。

根据奈奎斯特原理，信号抽样频率为信号工作频率的2.5-4倍时，已经能够完整记录原始信号波形特征，从工程计算该装置典型工作频率为3-12MHZ，以30-50MHZ频率进行抽样能够满足要求，抽样频率可以在此范围内调整，最优抽样频率因元件参数组合差异，需要通过实际测试确定。

模数转换电路122被配置为接收当前电压幅值离散信号，并对当前电压幅值离散信号进行模数转换，生成当前数字编码。在一些实施例中，模数转换电路还被配置为对标准电压幅值离散信号进行模数转换，生成标准数字编码。

在一些实施例中，数据处理模块12还包括通信单元123和监控单元124。

通信单元123被配置为接收并发送当前数字编码。在一些实施例中，数据处理模块还包括信号源125。信号源125被配置为周期性产生频率为LC谐振电路的特征频率的电流信号，并输入LC谐振电路。通信单元123还被配置为周期性触发信号源产生频率为LC谐振电路的特征频率的电流信号。例如，通信单元为物联网通信单元。

在一些实施例中，通信单元123还被配置为记录发送当前数据编码的时间，并与当前数字编码一起发送给监控单元124。

监控单元124被配置为接收当前数字编码，并根据当前数字编码，判断螺栓是否松动。模数转换得到的代表图形特征的数字编码，通信单元接收的数字编码是包含了数字通信必要的控制信息在内的编码，序列格式不完全相同，但是从通信单元接收序列可以还原出模数转换电路输出的最初的数字编码。

例如，监控单元124部署于计算机设备上，形成监控平台，通过无线连接的方式与通信单元进行信息交互。

监控平台接收到物联网通信单元发送的数字编码后，根据通信单元编号索引到螺栓编号进行记录，通过读取数字编码，还原出LC振荡回路的输出信号值的时域信号特征，并根据极板转动角度θ、极板重叠面积S、可变电容器电容值C，谐振电路品质因素Q，输出电路幅值U的关系逆向运算出螺栓松动旋转θ大小，进行风险判断。通过物联网通信单元形成唯一编号，结合监控平台管理机制，形成对大量监控对象的精确管理，发现异常情况便于快速处理，及时消除隐患。螺栓编号由螺栓建设维护方确定，通信单元自身包含运营商IMSI(International Mobile Subscriber Identity，国际移动用户识别码)编码，并将IMSI编码作为通信单元编号。

例如，通过如下方式实现根据当前数字编码，判断螺栓是否松动。

首先，根据当前数字编码，计算每一对第一扇弧形极板和第二扇弧形极板的当前重叠角度的和。当前重叠角度为第一扇弧形极板在第二扇弧形极板上的投影与第二扇弧形极板的重叠角度。

在一些实施例中，通过如下方式实现根据当前数字编码，计算每一对第一扇弧形极板和第二扇弧形极板的当前重叠角度的和。

首先，根据当前数字编码中的峰值编码，确定当前峰值电压幅值。其次，根据标准数字编码中的标准峰值编码，确定标准峰值电压幅值。再次，根据当前峰值电压幅值与标准峰值电压幅值的比值，确定当前频率。然后，根据当前频率，确定当前电容值。之后，根据当前电容值，确定当前重叠面积。最后，根据当前重叠面积，确定当前重叠角度的和。

例如，已知LC谐振电路的电感元件的固定电感值L，各个第一扇弧形极板的圆心角之和为θ，每个第一扇弧形极板和每个第二扇弧形极板的外径和内径分别为R和r。外径和内径均为扇弧形的半径，外径为扇弧形半径长边，内径为扇弧形半径短边。

在一一对应的第一扇弧形极板和第二扇弧形极板的重叠角度为每个第一扇弧形极板的圆心角的情况下，螺栓未松动。第一电容极板和第二电容极板的完全重叠面积S₀通过如下公式计算得到：

其中，在螺栓发生松动的情况下，第一电容极板和第二电容极板发生相对旋转，θ减小，S₀同比例减小。

根据如下公式计算得到LC谐振电路的最大电容值C₀：

其中，εr为介电常数，k为静电力常数，d为电容极板之间距离。在本公开中，螺栓松动导致的电容极板之间的距离相对于旋转角度的影响是很小的，因此，可以忽略不计。

根据如下公式计算得到LC谐振电路的特征频率f₀：

根据如下公式计算得到LC谐振电路的品质因数Q₀：

其中，R＇为电阻元件的固定电阻值。

当前峰值电压幅值为U，标准峰值电压幅值为U₀，通过如下公式计算得到LC谐振电路的当前频率f：

其中，N(f)为单位谐振函数，代表振荡回路输出电流幅值I与谐振时输出电流幅值I₀之比，N(f)总是小于等于1，只有输入信号频率f与回路特征f₀一致时等于1。

当输入信号为频率f₀、通过电路产生谐振后输出电压幅值为V₀＝I₀R＇的信号。当螺栓松动时极板跟随旋转，电容值C逐渐偏离C₀，导致特征频率改变为f＝f₀-△f，如果继续输入信号为频率f₀、通过电路产生谐振后输出电压幅值为V＝IR＇<I₀R＇。

根据当前频率f，通过如下公式计算得到当前电容值C：

根据当前电容值C，通过如下公式计算得到当前重叠面积S：

根据当前重叠面积S，通过如下公式计算得到当前重叠角度之和θ′：

然后，确定各个第一扇弧形极板的圆心角的和与当前重叠角度的和的差值。

最后，根据差值与第一扇弧形极板的数量的比值，确定螺栓的松动角度。在一些实施例中，将差值与第一扇弧形极板的数量的比值，确定螺栓的松动角度。例如，已知第一扇弧形极板的数量为N，则螺栓的松动角度为θ′/N。

通过将螺栓松动时螺栓相对于固定平面的角度变化转换为可变电容器电容值的变化，构建一个LC振荡回路，输入特定频率利用LC谐振回路产生驱动信号，模数转换后通过通信单元发送到监控单元，监控单元根据信号电平值大小，判断振荡回路是处于谐振、失谐、开路状态，计算出螺栓相对转动角度，判断螺栓结构稳定性。

例如，通过如下方式实现根据当前数字编码，判断螺栓是否松动。

比较当前数字编码与标准数字编码，在当前数字编码与标准数字编码不一致的情况下，螺栓松动。例如，在螺栓松动后发出警报。

在一些实施例中，LC谐振电路还包括电感。螺栓松动监控装置还包括第一封装件和第二封装件。例如，第一封装件和第二封装件为圆柱形结构。

第一封装见包括第一电极。第二电容极板、电感、信号抽样电路、模数转换电路、通信单元和信号源位于第一封装件内部。第一电极分别与第二电容极板和信号源串联连接。

第二封装件包括第二电极。第二电极分别与第一电容极板和电感串联连接。第一电容极板位于第二封装件内部。在一些实施例中，第二电极通过导电触点与电感串联连接。例如，第二封装件包括固定覆盖于第一孔上的保护帽。在一些实施例中，第二封装件还包括将螺栓头部固定在第一孔内的多个固定扣。例如，第一电极或第二电极为条形外露电极。

通过对电容极板、导线、信号抽样电路、模数转换电路、物联网通信单元、电池、信号源均进行封装处理，避免环境因素影响测试精度。采取上述措施保证了螺栓松动监控装置全天候免维护运行，减少人力维护成本。

下面将结合图4详细描述本公开一些实施例的螺栓松动监控装置。

图4示出根据本公开一些实施例的螺栓松动监控装置的示意图。

如图4所示，螺栓松动监控装置4包括第一封装件41、第二电容极板42、组合电路结构43、第二封装件44、第一电容极板45。组合电路结构43包括电感、信号抽样电路、模数转换电路、通信单元和信号源。

第一封装件41包括第一电极411和导电触点412。第二电容极板42和组合电路结构43位于第一封装件41内部。第一电极411与第二电容极板42通过导线串联连接。第一电极411与组合电路结构43通过导线串联连接。例如，第一电极411与组合电路结构43的信号源串联连接。

在一些实施例中，第一封装件41还包括工作粘贴点413A和工作粘贴点413B。第一封装件41通过工作粘贴点413A和工作粘贴点413B。

第二封装件44包括第二电极441。第二电极441通过导电触点412与组合电路结构43串联连接。具体地，第二电极441通过导电触点412与电感串联连接。第一电容极板45位于第二封装件42内部。第一电容极板45通过导线与第二电极441串联连接。

在一些实施例中，第二封装件44包括固定覆盖与第一孔上的保护帽442。通过保护帽可以减少外界因素对螺栓的影响。应当理解，第一电容极板42封装于第二封装件44的内部，第二封装件44具有与第一电容极板42相同大小和位置的第一孔。

在一些实施例中，第二封装件44还包括将螺栓头部固定在第一空内的固定扣443A和固定扣443B。通过固定扣和保护帽能够将螺栓头部更稳定地固定在第一孔。应当理解，本实施例的固定扣只是示意，本公开可以包括3个以上的固定扣。

图5示出根据本公开一些实施例的螺栓松动监控装置的电路示意图。

如图5所示，螺栓松动监控装置5包括信号源50、第一电极51、第二电极52、LC谐振电路53、信号抽样电路54、模数转换电路55、通信单元56、天线单元57、监控单元58。

信号源50的s端与第一电极51连接，信号源50的s＇端分别与LC谐振电路53的c端和通信单元56的i端连接。信号源50被配置为周期性地产生频率为LC谐振电路53的特征频率的电流信号，并输入LC谐振电路53。

第一电极51分别与信号源50的s端和LC谐振电路53的a端连接。

LC谐振电路53被配置为接收信号源50输入的频率为LC谐振电路53的特征频率的电流信号，并输出电压幅值信号。LC谐振电路53的b端和c端与信号抽样电路54连接。

LC谐振电路53包括平行电容器C、电感L和电阻R。平行板电容器第一电容极板531和第二电容极板532。第一电容极板531一侧为a＇端，第二电容极板532一侧为LC谐振电路53的a端。平行板电容器的a＇端通过第二电极52与电感L的L端连接。电感L的L＇端与电阻R的r端连接。电感L的L＇端与电阻R的r端的连接点为LC谐振电路53的b端。LC谐振电路53的c端即为电阻R的另一端。

信号抽样电路54被配置为接收LC谐振电路53输出的电压幅值信号，并输出电压幅值离散信号。信号抽样电路54的d端和e端与模数转换电路55连接。

模数转换电路5被配置为5接收信号抽样电路54输出的电压幅值离散信号，并输出数字编码。模数转换电路55的f端和g端与通信单元56连接。

通信单元56的h端与天线单元57连接。通信单元56被配置为接收模数转换电路55输出的数字编码，并通过天线单元57发送给监控单元58。在一些实施例中，通信单元对数字编码进行封装，以特定形式的数据包进行发送。例如，为数字编码增加头部和尾部。

通信单元56还被配置为周期性触发信号源50产生频率为LC谐振电路53的特征频率的电流信号。

图6示出根据本公开一些实施例的螺栓松动监控方法的流程图。

如图6所示，螺栓松动监控方法包括步骤S110～步骤S120。螺栓松动监控方法由本公开任意一些实施例中的螺栓松动监控装置执行。

在步骤S110中，根据频率为LC谐振电路的特征频率的电流信号，生成当前电压幅值信号。

在步骤S120中，根据当前电压幅值信号，判断螺栓是否松动。

图7示出根据本公开一些实施例的螺栓松动监控装置的框图。

如图7所示，螺栓松动监控装置7包括存储器71；以及耦接至该存储器71的处理器72。存储器71用于存储执行螺栓松动监控方法对应实施例的指令。处理器72被配置为基于存储在存储器71中的指令，执行本公开中任意一些实施例中的螺栓松动监控方法。

图8示出用于实现本公开一些实施例的计算机系统的框图。

如图8所示，计算机系统80可以通用计算设备的形式表现。计算机系统80包括存储器810、处理器820和连接不同系统组件的总线800。

存储器810例如可以包括系统存储器、非易失性存储介质等。系统存储器例如存储有操作系统、应用程序、引导装载程序(Boot Loader)以及其他程序等。系统存储器可以包括易失性存储介质，例如随机存取存储器(RAM)和/或高速缓存存储器。非易失性存储介质例如存储有执行螺栓松动监控方法中的至少一种的对应实施例的指令。非易失性存储介质包括但不限于磁盘存储器、光学存储器、闪存等。

处理器820可以用通用处理器、数字信号处理器(DSP)、应用专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其它可编程逻辑设备、分立门或晶体管等分立硬件组件方式来实现。相应地，诸如判断模块和确定模块的每个模块，可以通过中央处理器(CPU)运行存储器中执行相应步骤的指令来实现，也可以通过执行相应步骤的专用电路来实现。

总线800可以使用多种总线结构中的任意总线结构。例如，总线结构包括但不限于工业标准体系结构(ISA)总线、微通道体系结构(MCA)总线、外围组件互连(PCI)总线。

计算机系统80还可以包括输入输出接口830、网络接口840、存储接口850等。这些接口830、840、850以及存储器88和处理器820之间可以通过总线800连接。输入输出接口830可以为显示器、鼠标、键盘等输入输出设备提供连接接口。网络接口840为各种联网设备提供连接接口。存储接口850为软盘、U盘、SD卡等外部存储设备提供连接接口。

这里，参照根据本公开实施例的方法、装置和计算机程序产品的流程图和/或框图描述了本公开的各个方面。应当理解，流程图和/或框图的每个框以及各框的组合，都可以由计算机可读程序指令实现。

这些计算机可读程序指令可提供到通用计算机、专用计算机或其他可编程装置的处理器，以产生一个机器，使得通过处理器执行指令产生实现在流程图和/或框图中一个或多个框中指定的功能的装置。

这些计算机可读程序指令也可存储在计算机可读存储器中，这些指令使得计算机以特定方式工作，从而产生一个制造品，包括实现在流程图和/或框图中一个或多个框中指定的功能的指令。

本公开可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。

通过上述实施例中的螺栓松动监控装置及方法、计算机可存储介质，自动进行螺栓松动监测，提高了螺栓松动监测的效率。

至此，已经详细描述了根据本公开的螺栓松动监控装置及方法、计算机可存储介质。为了避免遮蔽本公开的构思，没有描述本领域所公知的一些细节。本领域技术人员根据上面的描述，完全可以明白如何实施这里公开的技术方案。

Claims (16)

1.一种螺栓松动监控装置，包括：

LC谐振电路，被配置为根据频率为所述LC谐振电路的特征频率的电流信号，生成当前电压幅值信号，所述LC谐振电路包括平行板电容器，所述平行板电容器包括相对设置的第一电容极板和第二电容极板，所述第一电容极板的中心设置有与螺栓头部相适配的第一孔，所述第二电容极板的中心设置有可穿过螺杆的第二孔，所述螺栓头部固定在所述第一孔内，所述螺杆穿过所述第二孔安装到固定结构件，所述第二电容极板固定安装到所述固定结构件，所述第一电容极板包括至少一个第一扇弧形极板，所述第二电容极板包括至少一个第二扇弧形极板，其中，所述第一扇弧形极板和所述第二扇弧形极板一一对应，且每一对第一扇弧形极板与第二扇弧形极板的圆心角相同，在螺栓未松动的情况下，第一扇弧形极板在相对应的第二扇弧形极板的投影与所述相对应的第二扇弧形极板的重叠角度等于第一扇弧形极板的圆心角；以及

数据处理模块，被配置为接收所述当前电压幅值信号，并根据所述当前电压幅值信号，判断所述螺栓是否松动。

2.根据权利要求1所述的螺栓松动装置，其中，所述至少一个第一扇弧形极板包括串联连接、具有相同圆心且半径相同的、相互间隔开的多个第一扇弧形极板，所述至少一个第二扇弧形极板包括串联连接、具有相同圆心且半径相同的、相互间隔开的多个第二扇弧形极板。

3.根据权利要求1所述的螺栓松动装置，其中，所述数据处理模块包括：

信号抽样电路，被配置为接收所述当前电压幅值信号，并对所述当前电压幅值信号进行抽样，生成当前电压幅值离散信号；

模数转换电路，被配置为接收所述当前电压幅值离散信号，并对所述当前电压幅值离散信号进行模数转换，生成当前数字编码。

4.根据权利要求3所述的螺栓松动装置，其中，所述数据处理模块还包括：

通信单元，被配置为接收并发送所述当前数据编码；

监控单元，被配置为接收所述当前数字编码，并根据所述当前数字编码，判断螺栓是否松动。

5.根据权利要求4所述的螺栓松动装置，其中，

所述LC谐振电路还被配置为：在螺栓未松动的情况下，根据所述频率为所述LC谐振电路的特征频率的电流信号，生成标准电压幅值信号；

所述信号抽样电路还被配置为：对所述标准电压幅值信号进行抽样，生成标准电压幅值离散信号；

所述模数转换电路还被配置为：对所述标准电压幅值离散信号进行模数转换，生成标准数字编码。

6.根据权利要求5所述的螺栓松动装置，其中，根据所述当前数字编码，判断螺栓是否松动包括：

根据所述当前数字编码，计算每一对第一扇弧形极板和第二扇弧形极板的当前重叠角度的和，所述当前重叠角度为第一扇弧形极板在第二扇弧形极板上的投影与第二扇弧形极板的重叠角度；

确定各个第一扇弧形极板的圆心角的和与所述当前重叠角度的和的差值；

根据所述差值与所述第一扇弧形极板的数量的比值，确定螺栓的松动角度。

7.根据权利要求4所述的螺栓松动装置，其中，根据所述数字编码，计算每一对第一扇弧形极板和第二扇弧形极板的当前重叠角度的和包括：

根据所述当前数字编码中的峰值编码，确定当前峰值电压幅值；

根据所述标准数字编码中的标准峰值编码，确定标准峰值电压幅值；

根据所述当前峰值电压幅值与所述标准峰值电压幅值的比值，确定当前频率；

根据所述当前频率，确定当前电容值；

根据所述当前电容值，确定当前重叠面积；

根据所述当前重叠面积，确定当前重叠角度的和。

8.根据权利要求4所述的螺栓松动装置，其中，根据所述当前数字编码，判断螺栓是否松动包括：

比较所述当前数字编码与标准数字编码，在所述当前数字编码与所述标准数字编码不一致的情况下，螺栓松动。

9.根据权利要求4所述的螺栓松动装置，其中，

所述数据处理模块还包括信号源，所述信号源被配置为：周期性产生频率为所述LC谐振电路的特征频率的电流信号，并输入所述LC谐振电路；

所述通信单元还被配置为：周期性触发所述信号源产生频率为所述LC谐振电路的特征频率的电流信号。

10.根据权利要求9所述的螺栓松动装置，其中，所述LC谐振电路还包括电感，螺栓松动监控装置还包括：

第一封装件，包括第一电极，其中，所述第二电容极板、所述电感、所述信号抽样电路、所述模数转换电路、所述通信单元和所述信号源位于所述第一封装件内部，所述第一电极分别与所述第二电容极板和所述信号源串联连接；

第二封装件，包括第二电极，其中，所述第二电极分别与所述第一电容极板和所述电感串联连接，所述第一电容极板位于所述第二封装件内部。

11.根据权利要求6所述的螺栓松动装置，其中，所述第二电极与所述电感串联连接包括：

所述第二电极通过导电触点与所述电感串联连接。

12.根据权利要求10所述的螺栓松动装置，其中，所述第二封装件包括固定覆盖于所述第一孔上的保护帽。

13.根据权利要求12所述的螺栓松动装置，其中，所述第二封装件还包括将螺栓头部固定在所述第一孔内的多个固定扣。

14.一种螺栓松动监控方法，由如权利要求1-13任一项所述的螺栓松动监控装置执行，包括：

根据频率为LC谐振电路的特征频率的电流信号，生成当前电压幅值信号；

根据所述当前电压幅值信号，判断螺栓是否松动。

15.一种螺栓松动监控装置，包括：

存储器；以及

耦接至所述存储器的处理器，所述处理器被配置为基于存储在所述存储器的指令，执行如权利要求14所述的螺栓松动监控方法。

16.一种计算机可存储介质，其上存储有计算机程序指令，该指令被处理器执行时实现如权利要求14所述的螺栓松动监控方法。

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