CN209102257U - 一种智能螺栓组件 - Google Patents

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费香泽
张明皓
刘彬
马潇
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Abstract

一种智能螺栓组件,包括:预紧力敏感单元和数据处理模块;所述预紧力敏感单元与所述数据处理模块通过导线连接;所述预紧力敏感单元设置于螺栓的螺帽与螺母之间,用于测量螺栓的预紧力;所述数据处理模块获取所述预紧力敏感单元的信号,并将所述信号发送至智能螺栓读写装置。本实用新型提供的监测装置可在施工阶段安装在杆塔上,对螺栓紧固后即可针对预紧力进行监测,并清点杆塔上螺栓数量,实现杆塔施工现场组塔过程中螺栓紧固质量的监控与管理,降低了巡检的工作量。

Description

一种智能螺栓组件
技术领域
本实用新型涉及输电线路在线监测,具体涉及一种智能螺栓组件。
背景技术
目前特高压输变电工程已经处于建设的关键时期,而组立铁塔作为特高压线路工程建设的重要环节,施工过程铁塔中的零部件,尤其是螺栓连接的安全性、可靠性对特高压工程建设的安全及质量具有重要影响。每座铁塔上有大量螺栓,受施工条件限制,螺栓的紧固过程还是通过人工拧紧,受人为因素影响大,无法清点螺栓是否存在漏装情况,更无法保证每个螺栓的紧固一致性,而施工完毕后,螺栓的施工质量更无从检查。在输电线路建设完毕投运后,铁塔作为电网的重要组成部分,地域分布广泛,运行条件复杂,易受自然环境影响和外力破坏,在大风、微风振动、导线覆冰舞动等因素的影响下,往往会引起杆塔的螺栓松动乃至脱落,最终导致导线脱落、杆塔倾斜、倒塔等事故,给电网安全稳定运行埋下了巨大隐患。
因此需要针对线路环境进行有效监测,而输电线路中杆塔数量庞大,受力情况复杂,在线路巡检过程中针对螺栓的检查仍然通过目视的方法,缺少有效手段快速、准确地发现杆塔上螺栓的脱落、预紧力不足等异常情况,增加了巡检的工作量,难以满足智能电网的建设要求。
实用新型内容
为了解决现有技术中所存在的难以及时发现杆塔上螺栓的脱落、预紧力不足、巡检工作量大的问题,本实用新型提供一种智能螺栓组件。
本实用新型提供的技术方案是:一种智能螺栓组件,包括:预紧力敏感单元和数据处理模块;
所述预紧力敏感单元与所述数据处理模块通过导线连接;
所述预紧力敏感单元设置于螺栓的螺帽与螺母之间,用于测量螺栓的预紧力;
所述数据处理模块获取所述预紧力敏感单元的信号,并将所述信号发送至智能螺栓读写装置。
优选的,所述预紧力敏感单元呈中空的环状结构,套在螺栓的螺杆上,包括:
上壳体、下壳体和保护层;
所述上壳体的内部为环形膜状应力结构,在所述环形膜状应力结构上设置应变片;
所述保护层夹在所述上壳体和下壳体之间。
优选的,所述应变片的数量为4,组成惠斯通电桥结构,用于测量任意两端电桥之间的电压变化。
优选的,所述保护层为橡胶垫圈。
优选的,所述数据处理模块,包括:模数单元、嵌入式处理器和通信单元;
所述模数单元和所述通信单元分别与所述嵌入式处理器电连接;
所述模数单元通过导线与所述应变片连接,获取所述应变片的电压信号;
所述模数单元包括:信号放大电路和模数转换电路,所述信号放大电路将所述电压信号放大;所述模数转换电路将电压信号转换为电压数字信号;
所述嵌入式处理器将接收到的电压数字信号转换为预紧力数据发送到通信单元;
所述通信单元将接收到的数据和预设固有信息按设置的通信协议生成数据包,并将所述数据包发送至智能螺栓读写装置;
其中,所述固有信息包括:螺栓的规格型号、等级、安装位置和螺栓材料。
优选的,所述数据处理模块,还包括:电源管理单元、温湿度监测单元和振动监测单元;
所述电源管理单元包括:电池和脉冲触发开关;
所述温湿度监测单元包括:温湿度传感器;所述温湿度传感器测量环境温湿度;
振动监测单元包括:加速度传感器,所述加速度传感器监测所述数据处理模块所在位置的振动信号。
优选的,所述环境温湿度和振动信号通过模数单元和嵌入式处理器生成环境温湿度数据和振动数据;
所述环境温湿度数据和振动数据通过所述通信单元生成数据包按预设的频率发送至智能螺栓读写装置。
优选的,所述的智能螺栓组件,还包括:天线,天线设置于所述数据处理模块表面,与通信单元电连接用于转发数据包。
优选的,所述天线为射频识别天线。
基于同一构思,还提供了一种智能螺栓读写装置,包括:射频收发器和人机交互模块;
所述射频收发器与人机交互模块电连接;
所述射频收发器给智能螺栓组件发送射频信号,并接收智能螺栓组件的天线发送的数据包;
所述人机交互模块用于:接收的操作指令,基于螺栓直径和螺栓材料的参数计算预紧力的标值,还用于基于所述预紧力的标值、数据包中的预紧力数据和阈值得到螺栓松动信息,并显示数据包中的智能螺栓组件信息和螺栓松动信息。
优选的,所述装置为手持读写器或智能终端。
基于同一构思,还提供了一种智能螺栓组件的测量方法,包括:
数据处理模块将预紧力敏感单元测量的螺栓的预紧力进行模数转换处理,并生成数据包;
将所述数据包进行展示。
优选的,所述将所述数据包进行展示,包括:
对所述数据包进行解析得到预紧力数据、安装位置、螺栓规格型号和螺栓材料;
基于所述螺栓规格型号获取螺栓直径和螺栓材料的参数;
基于所述螺栓直径和螺栓材料的参数计算预紧力的标值;
当所述预紧力数据与预紧力的标值之差不小于阈值时,则所述螺栓的松动需要处理,并标记松动标识,否则不标注松动标识;
将安装位置和松动标识进行展示。
优选的,所述基于所述螺栓直径和螺栓材料的参数计算预紧力的标值,如下式所示:
式中:F':预紧力的标值;σs:螺栓材料的参数;d:螺栓直径。
与现有技术相比,本实用新型的有益效果为:
本实用新型提供的技术方案,预紧力敏感单元和数据处理模块;所述预紧力敏感单元与所述数据处理模块通过导线连接;所述预紧力敏感单元设置于螺栓的螺帽与螺母之间,用于测量螺栓的预紧力;所述数据处理模块获取所述预紧力敏感单元的信号,并将所述信号发送至智能螺栓读写装置,该监测装置可在施工阶段安装在杆塔上,对螺栓紧固后即可针对预紧力进行监测,并清点杆塔上螺栓数量,实现杆塔施工现场组塔过程中螺栓紧固质量的监控与管理,以及在后期线路巡检过程中实现螺栓预紧力的实时监测,降低了巡检的工作量。
本实用新型提供的技术方案,通过对杆塔上螺栓的监测实现杆塔的全寿命周期监测管理。
本实用新型提供的技术方案,通过温湿度监测单元可以监测输电线路所处环境情况,一方面可以监测螺栓是否处于潮湿的环境,因为螺栓处于潮湿环境会导致生锈脱落,另一方面预防在温度、湿度、降水等自然条件的影响下引起导线覆冰舞动等情况的发生。
本实用新型提供的技术方案,带有嵌入式处理器,具螺栓预紧力计算能力,可实时采集预紧力数据,并集成温湿度及振动监测功能,实现杆塔所处输电线路通道环境一体化监测。
本实用新型提供的技术方案,将螺栓预紧力、温湿度及振动数值通过RFID发送,经手持读写器进行读取并进行智能判别并实时显示,同时清点螺栓数量,直观的反应每个螺栓所受预紧力的大小及输电通道环境情况。
本实用新型提供的技术方案,手持读写器自带预紧力读取及展示程序,在判别过程中,根据不同线路设计规范及建设要求、螺栓材质及其直径设置不同的预紧力阈值。
本实用新型提供的技术方案,基于标准螺栓设计,无安装条件限制,预紧力敏感单元采用环形膜状敏感结构设计,通过应变片合理布置及桥接,可快速准确清点出螺栓数量,测量螺栓预紧力。
附图说明
图1为本实用新型中一种螺栓的测量装置的结构示意图;
图2为本实用新型预紧力敏感单元的俯视图;
图3为本实用新型数据处理模块的内部结构示意图;
1-预紧力敏感单元上壳;2-螺栓;3-应变片;4-预紧力敏感单元下壳;5-数据处理模块;6-RFID天线;7-手持读写器;8-电源管理单元;9-温湿度监测单元;10-振动监测单元;11-模数单元;12-嵌入式处理器;13-通信单元。
具体实施方式
为了更好地理解本实用新型,下面结合说明书附图和实例对本实用新型的内容做进一步的说明。
本实用新型针对输电杆塔上的紧固螺栓,提出一种可快速清点螺栓数量并监测预紧力的智能螺栓组件。在杆塔组立过程中,在普通螺栓上加装该智能装置,代替垫片进行铁塔杆件的紧固。该装置带有RFID芯片,并集成温湿度传感器及振动传感器,通过射频识别(RFID)技术,将螺栓数量快速扫描,同时将所受预紧力及线路所处环境温湿度、振动等情况采集到手持读写器中,并带有螺栓在杆塔上的位置信息,实现螺栓快速清点并可进行预紧力及杆塔周围环境的实时监测。以便于实现铁塔组立施工验收及后期巡检智能化,防止因螺栓脱落造成杆塔倾斜、倾倒,最终实现杆塔的全寿命周期监测。
如图1所示,智能螺栓组件包括:安装在螺帽下面的预紧力敏感单元1和外置数据处理模块5,数据处理模块5设置在固定预紧力敏感单元1的螺帽或螺栓的支撑物或任何固定物上。
其中,螺栓本体和螺母不属于本实用新型要保护的结构,本实用新型提到的智能螺栓组件适应于任何型号的螺栓本体和螺母。
在杆塔组立时,用预紧力敏感单元代替垫片,置于杆塔节点板及螺栓的螺帽之间,再依次将螺栓紧固。预紧力敏感单元上下壳体间夹有橡胶垫圈,固定后可有效防止水浸破坏,同时作为限位保护层,可防止预紧力过大超出测量量程引起敏感单元塑性变形。
如图2所示,通过上壳内部形成环形膜状应力敏感结构,并附着数量为4的应变片3,在螺栓紧固过程中,预紧力敏感单元受压产生微应变,引起其中的应变芯片阻值变化。应变芯片在膜状结构上,分纵向、横向两两对称排列,并以惠斯通全桥形式连接,增大测量灵敏度的同时去除环境温度误差影响。通过电流后可引起电桥两端电压的微弱变化,以此来反映所受预紧力的大小。
智能螺栓组件还包括:数据传输模块6即为RFID天线及数据展示模块7即为手持读写器组成。智能螺栓拧紧后,连接到数据处理模块5,即可上电运行。电桥中的微弱电压信号发送至数据处理模块中,进行进一步放大、处理、分析,通过嵌入式处理器(MCU)12发送至通信单元13,最终预紧力数据经由RFID天线6被手持读写器7读取。
如图3所示,数据处理模块的各部分主要功能叙述如下:
电源管理单元8包含电池及其控制电路,给智能螺栓组件各模块供电,同时对电池进行管理,控制电路中设置有脉冲触发开关,当脉冲触发开关接收到RFID手持读写器发射信号时,唤醒电池为智能螺栓组件供电,进一步节省电量。
温湿度监测单元9按需内置温湿度传感器,可将目前输电通道环境温湿度发送至MCU,进行杆塔周围环境监测。
振动监测单元10按需内置加速度传感器,可对数据处理单元固定位置进行振动监测,并将振动情况发送至MCU,按需进行杆塔振动情况监测。
模数单元11包含信号放大电路、模拟-数字转换电路等。将预紧力敏感单元产生的微弱电压信号以及温湿度、振动信号转换成嵌入式处理器能够处理的数字信号,以便进行预紧力监测。
本实施例中采用80C51微处理器作为嵌入式处理器12(MCU),负责将预紧力、温湿度及振动等运行数据进行常规处理,并发送至RFID模块。
通信单元13将MCU处理好的预紧力、温湿度及振动数据,按照通信协议打包,便于手持读写器进行数据读取,本实施例中的通信单元采用RFID技术。
该智能螺栓安装完毕后,在工程验收时,验收人员通过手持读写器7或RFID读写器扫描RFID天线6进行扫描批量读取螺栓信息,可分别将预紧力数值、环境温湿度数值及振动情况读取至读写器中并即时显示,同时清点螺栓数量,读取当前螺栓预紧力并按需集成的环境温湿度和振动情况,由此来直观反映每个螺栓所受预紧力的大小及输电通道环境情况,实时察看杆塔健康状态。本实施例中的RFID读写器(Radio FrequencyIdentification,RFID)又称为RFID阅读器,即无线射频识别。
常规的手持读写器自带预紧力读取及展示程序,根据不同线路设计规范及建设要求、螺栓材质及其公称直径设置判别时预紧力阈值上。
这里可以将材料参数、直径和预紧力阈值事先做成对照表,然后根据现场情况在程序中手动选择螺栓材料参数及直径,判别预紧力是否符合要求,自动进行预紧力要求检查,实现基建领域从设计到验收的全流程数字化智能建设。移交运检后,在运维人员巡检时亦可通过手持读写器即时掌握螺栓预紧力及杆塔所处环境的变化,有效防止螺栓的松动、滑脱。
本实施例中数据传输模块还可以将MCU处理好的预紧力数据,基于IEEE802.15.4标准,通过无线组网方法,将整个杆塔上螺栓预紧力数据汇集至数据集中器并通过4G信号发送至监控平台。同时,本实施例中还可以采用RFID读写器扫描的方式替代无线组网进行数据传输。
本实施例中还提供了一种智能螺栓读写装置,包括:射频收发器和人机交互模块;
所述射频收发器与人机交互模块电连接;
所述射频收发器给智能螺栓组件发送射频信号,并接收智能螺栓组件的天线发送的数据包;
所述人机交互模块用于:接收的操作指令,基于螺栓直径和螺栓材料的参数计算预紧力的标值,还用于基于所述预紧力的标值、数据包中的预紧力数据和阈值得到螺栓松动信息,并显示数据包中的智能螺栓组件信息和螺栓松动信息。
实施例中,所述装置为手持读写器或智能终端。
实施例2:
基于同一种构思,本实施例还提供了一种螺栓的测量方法,包括:
数据处理模块将预紧力敏感单元测量的螺栓的预紧力进行模数转换处理,并生成数据包;
将所述数据包进行展示。
实施例中,所述将所述数据包进行展示,包括:
对所述数据包进行解析得到预紧力数据、安装位置、螺栓规格型号和螺栓材料;
基于所述螺栓规格型号获取螺栓直径和螺栓材料的参数;
基于所述螺栓直径和螺栓材料的参数计算预紧力的标值;
当所述预紧力数据与预紧力的标值之差不小于阈值时,则所述螺栓的松动需要处理,并标记松动标识,否则不标注松动标识;
将安装位置和松动标识进行展示。
实施例中,所述基于所述螺栓直径和螺栓材料的参数计算预紧力的标值,如下式所示:
式中:F':预紧力的标值;σs:螺栓材料的参数;d:螺栓直径。
显然,所描述的实施例是本实用新型一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例,都属于本实施例保护的范围。

Claims (9)

1.一种智能螺栓组件,其特征在于,包括:预紧力敏感单元和数据处理模块;
所述预紧力敏感单元与所述数据处理模块通过导线连接;
所述预紧力敏感单元设置于螺栓的螺帽与螺母之间,用于测量螺栓的预紧力;
所述数据处理模块获取所述预紧力敏感单元的信号,并将所述信号发送至智能螺栓读写装置。
2.如权利要求1所述的智能螺栓组件,其特征在于,所述预紧力敏感单元呈中空的环状结构,套在螺栓的螺杆上,包括:
上壳体、下壳体和保护层;
所述上壳体的内部为环形膜状应力结构,在所述环形膜状应力结构上设置应变片;
所述保护层夹在所述上壳体和下壳体之间。
3.如权利要求2所述的智能螺栓组件,其特征在于,所述应变片的数量为4,组成惠斯通电桥结构,用于测量任意两端电桥之间的电压变化。
4.如权利要求2所述的智能螺栓组件,其特征在于,所述保护层为橡胶垫圈。
5.如权利要求2所述的智能螺栓组件,其特征在于,所述数据处理模块,包括:模数单元、嵌入式处理器和通信单元;
所述模数单元和所述通信单元分别与所述嵌入式处理器电连接;
所述模数单元通过导线与所述应变片连接,获取所述应变片的电压信号;
所述模数单元包括:信号放大电路和模数转换电路,所述信号放大电路将所述电压信号放大;所述模数转换电路将电压信号转换为电压数字信号;
所述嵌入式处理器将接收到的电压数字信号转换为预紧力数据发送到通信单元;
所述通信单元将接收到的数据和预设固有信息按设置的通信协议生成数据包,并将所述数据包发送至智能螺栓读写装置;
其中,所述固有信息包括:螺栓的规格型号、等级、安装位置和螺栓材料。
6.如权利要求5所述的智能螺栓组件,其特征在于,所述数据处理模块,还包括:电源管理单元、温湿度监测单元和振动监测单元;
所述电源管理单元包括:电池和脉冲触发开关;
所述温湿度监测单元包括:温湿度传感器;所述温湿度传感器测量环境温湿度;
振动监测单元包括:加速度传感器,所述加速度传感器监测所述数据处理模块所在位置的振动信号。
7.如权利要求6所述的智能螺栓组件,其特征在于,所述环境温湿度和振动信号通过模数单元和嵌入式处理器生成环境温湿度数据和振动数据;
所述环境温湿度数据和振动数据通过所述通信单元生成数据包按预设的频率发送至智能螺栓读写装置。
8.如权利要求1所述的智能螺栓组件,其特征在于,还包括:天线,天线设置于所述数据处理模块表面,与通信单元电连接用于转发数据包。
9.如权利要求8所述的智能螺栓组件,其特征在于,所述天线为射频识别天线。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN110702161A (zh) * 2019-10-31 2020-01-17 国网上海市电力公司 一种输电铁塔绝缘子销钉脱落监测定位装置及方法
CN112556900A (zh) * 2019-09-26 2021-03-26 浙江国检检测技术股份有限公司 一种数字化智能螺栓及其预紧力检测方法

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