CN113029420A - 一种基于声表面波技术的嵌入式无线无源螺栓松紧状态监测系统 - Google Patents

一种基于声表面波技术的嵌入式无线无源螺栓松紧状态监测系统 Download PDF

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范彦平
颜培科
王煊
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Abstract

本发明提出一种基于声表面波技术的嵌入式无线无源螺栓松紧状态监测系统，包括测量模块、接收模块和螺栓本体；测量模块与接收模块信号连接；测量模块包括传感器敏感器件和天线；传感器敏感器件预制于螺栓本体内，天线的一端延伸出螺栓本体，天线的另一端与传感器敏感器件相连接，以提出一种实现对螺栓松紧实时监控的基于声表面波技术的无线无源螺栓松紧状态监测系统。

Description

一种基于声表面波技术的嵌入式无线无源螺栓松紧状态监测 系统
技术领域
本发明涉及螺丝松紧监测技术领域，尤其涉及一种基于声表面波技术的嵌入式无线无源螺栓松紧状态监测系统。
背景技术
螺丝的作用主要是把两个工件连在一起，起紧固的作用，螺丝是一般设备上都要用的，比如手机，电脑，汽车，自行车，各种机床、设备，几乎所有的机器上都要用到螺丝。螺栓为日常生活中不可或缺的工业必需品：如照相机、眼镜、钟表、电子等使用的极小的螺丝；电视、电气制品、乐器、家具等的一般螺丝；至于工程、建筑、桥梁则使用大型螺丝、螺帽；交通器具、飞机、电车、汽车等则为大小螺栓并用。螺丝在工业上负有重要任务，只要地球上存在着工业，则螺丝的功能永远重要。
与此同时，应为螺栓的松动造成的事故也日益增多，轻则减慢机器运转速度造成运转故障，重则危害人的生命安全。尤其在大型机械和客运方便，一个螺栓的松动甚至可能造成无法挽回的后果。目前的螺栓监测大都是人为检查。这种检查方法不彻底，不全面，尤其在一些高低温、粉尘等恶劣环境下，监测不便，且存在一定的安全隐患。
发明内容
本发明的目的在于提出一种实现对螺栓松紧实时监控的基于声表面波技术的嵌入式无线无源螺栓松紧状态监测系统。
为达到上述目的，本发明提出一种基于声表面波技术的嵌入式无线无源螺栓松紧状态监测系统，包括测量模块、接收模块和螺栓本体；所述测量模块与所述接收模块信号连接；
所述测量模块包括传感器敏感器件和天线；所述传感器敏感器件预制于所述螺栓本体内，所述天线的一端延伸出所述螺栓本体，所述天线的另一端与所述传感器敏感器件相连接。
进一步的，所述传感器敏感器件包括声表面波谐振器和匹配单元，所述匹配单元与所述声表面波谐振器信号连接。
进一步的，所述匹配单元有电容和电感组成。
进一步的，所述声表面波谐振器为叉指换能器置于两个全反射的反射栅之间。
进一步的，所述接收模块包括设备终端、阅读器和阅读天线；
所述阅读天线连接于所述阅读器上，所述阅读器设于所述设备终端内。
进一步的，所述声表面波谐振器为单端对谐振器；所述声表面波谐振器表面设有一层保护层。
与现有技术相比，本发明的优势之处在于：
1、通过合理设计使敏感单元电容成为声表面波谐振器(SAWR)匹配网络的一个组成部分，通过优化环路设计SAWR谐振器具有足够的带宽和高Q值、从而降低器件插损、失配特性。
2、声表面波谐振器(SAWR)具有灵敏度高、线性度好、抗干扰能力强等特点，且符合微型化、低功耗、低成本、高精度、长寿命等技术要求。
3、通过无线射频激励和回波信号频率检测，可以解决现有监测方法中存在得布线难、需要电源的弊端，实现对螺栓松紧状态无线无源的监测。
附图说明
图1为本发明实施例中基于声表面波技术的嵌入式无线无源螺栓松紧状态监测系统的总图；
图2为本发明实施例中声表面波谐振器和匹配单元的连接图；
图3为本发明实施例中具有保护层的SAW谐振器结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案作进一步地说明。
如图1所示，本发明提出一种基于声表面波技术的嵌入式无线无源螺栓松紧状态监测系统，包括测量模块、接收模块2和螺栓本体1；测量模块与接收模块2信号连接；
测量模块包括传感器敏感器件3和天线4；传感器敏感器件3预制于螺栓本体1内，天线4的一端延伸出螺栓本体1，天线4的另一端与传感器敏感器件3相连接。
在本实施例中，如图2所示，传感器敏感器件3包括声表面波谐振器和匹配单元5，匹配单元5与声表面波谐振器信号连接。
在本实施例中，匹配单元5有电容和电感组成。
在本实施例中，如图2所示，声表面波谐振器为叉指换能器7置于两个全反射的反射栅6之间，声表面波声谐振器的表面波的频率与谐振器频率相等时，声表面波在反射栅6间形成驻波。
在本实施例中，接收模块2包括设备终端(包括个人电脑或者移动手机)、阅读器和阅读天线；阅读天线连接于阅读器上，阅读器设于设备终端内，阅读天线用于接收测量模块的测量信息，通过阅读器信号转换后在设备终端显示。
在本实施例中，如图3所示，声表面波谐振器为单端对谐振器；声表面波谐振器表面设有一层保护层8；保护层8防止粘胶接触叉指电极和反射栅6，保证SAW谐振器正常工作。
在本实施例中，工作原理如下：声表面波谐振器插入到螺栓内部，对螺栓受力状态进行实时的监测。工作时集成的终端设备会发送激励信号，螺栓受力状态的改变会使无线收发信号的声表面波(SAWR)谐振器的谐振频率发生改变。当集成终端设备的激励信号停止发送时，阅读器转到接收状态后，系统接收到传感器发出的幅值不断衰减的自由振荡信号，通过频率计测量该接收信号的频率即可完成对输液管输液状态的监测。
从工作原理来看，SAW传感器大致可分为以相位为输出的时间延迟型和以频率为输出的谐振型两大类，时间延迟型SAW传感器将被测量转化为信号的延迟时间，而延迟时间为模拟量测量，与频率量相比，其测量不方便，且精度不高，另外终端阅读器与传感器之间的距离对信号的延迟时间也有很大影响。谐振型声表面波传感器将叉指换能器置于两个全反射的反射栅之间。当激励出的声表面波的频率与谐振器频率相等时，声表面波在反射栅间形成驻波，反射栅反射的能量也达到最大。当振荡环路的参数发生变化是，谐振器的中心频率也随之发生漂移，这样得到的频率漂移量就可以来度量被测量的变化情况。工作时终端阅读器向传感器发送宽带脉冲信号，谐振器的IDT接收到该脉冲后在谐振腔内激励出SAW驻波，其频率等于传感器的中心频率，当激励信号停止发送，阅读器转到接收状态后，系统接收到传感器发出的幅值不断衰减的自由振荡信号，通过频率计测量该接收信号的频率即可完成对螺栓松紧状态的监测。
值得一提的是，本发明可采用频分技术实现多个螺栓松紧状态监测。
上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于声表面波技术的嵌入式无线无源螺栓松紧状态监测系统，其特征在于，包括测量模块、接收模块和螺栓本体；所述测量模块与所述接收模块信号连接；
所述测量模块包括传感器敏感器件和天线；所述传感器敏感器件预制于所述螺栓本体内，所述天线的一端延伸出所述螺栓本体，所述天线的另一端与所述传感器敏感器件相连接。
2.根据权利要求1所述的基于声表面波技术的嵌入式无线无源螺栓松紧状态监测系统，其特征在于，所述传感器敏感器件包括声表面波谐振器和匹配单元，所述匹配单元与所述声表面波谐振器信号连接。
3.根据权利要求1所述的基于声表面波技术的嵌入式无线无源螺栓松紧状态监测系统，其特征在于，所述匹配单元有电容和电感组成，通过在SAW谐振器两端串接电感、电阻，再并联电容，利用Smith圆图调整匹配电路中的电感、电阻和电容值，使包括链接天线在内的SAW谐振单元具有具有足够的带宽和高Q值、从而降低器件插损、失配特性。
4.根据权利要求1所述的基于声表面波技术的嵌入式无线无源螺栓松紧状态监测系统，其特征在于，所述声表面波谐振器为叉指换能器置于两个全反射的反射栅之间。
5.根据权利要求1所述的基于声表面波技术的嵌入式无线无源螺栓松紧状态监测系统，其特征在于，所述接收模块包括设备终端、阅读器和阅读天线；
所述阅读天线连接于所述阅读器上，所述阅读器设于所述设备终端内。
6.根据权利要求1所述的基于声表面波技术的嵌入式无线无源螺栓松紧状态监测系统，其特征在于，所述声表面波谐振器为单端对谐振器；所述声表面波谐振器表面设有一层保护层，可嵌入在螺栓本体内。
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