CN220084212U - 一种螺栓紧固状态在线监测系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种螺栓紧固状态在线监测系统，包括数据采集主机和若干个与数据采集主机通讯连接的螺栓状态传感节点，其中，螺栓状态传感节点包括节点单片机以及与节点单片机分别连接的压力传感器和通信模块，用于监测螺栓的紧固状态并将检测信息发往数据采集主机；数据采集主机包括主机单片机、显示屏、通信模块和存储器，用于接收各螺栓状态传感节点发送的数据，判断并显示各螺栓的紧固状态是否异常。本实用新型基于应变片及电阻桥式测量电路进行螺栓松动的监测，传感部分成本低、耐候性好。通过单片机和无线传输的方式实现数据的在线监测和上传，并采用低功耗工作策略实现系统的长期免维护，具有安装简单、维护简单、综合成本低等优点。
Description
技术领域
本实用新型属于螺栓监测技术领域，尤其涉及一种螺栓紧固状态在线监测系统。
背景技术
螺栓作为各类结构中常见的连接部件，对结构安全有着非常关键的作用。为预防螺栓松动等情况导致安全事故，对于重要部位的螺栓连接需要定期检测螺栓与连接件的配合情况，不仅费时，而且对于较高部位或隐蔽部位的螺栓检测还需要专门的工具。现有螺栓检测的方式，一种是经验法，如“听声音”，因为螺栓内部有损伤而导致松动，或者螺栓与被连接件之间的机械振动导致螺栓配合的松动，在敲击时发出的声音往往不同于配合良好的螺栓被敲击时发出的声音，但这依赖于有经验的人员且不可定量判断；第二种是借助扭矩扳手等工具逐个进行测量，费时费力。
上述的两种方式都只能通过人工检测，不可能做到在线实时监测，往往发现问题时已经有了一定的时间，甚至已经发生了事故。对螺栓紧固状态在线实时监测是一种较为理想的监测方式和手段，现有如压电效应、光纤通信原理的多种传感器监测技术，但利用压电原理的检测存在温漂影响大、电路、封装方式复杂，光纤成本高等缺点。
实用新型内容
为克服上述技术问题，本实用新型基于应变片及电阻桥式测量电路进行螺栓松动的监测，通过单片机和无线传输的方式实现数据的在线监测和上传，并采用低功耗工作策略实现系统的长期免维护，具有安装简单、维护简单、综合成本低等特点。
本实用新型提供的技术方案具体如下：
一种螺栓紧固状态在线监测系统，包括数据采集主机和若干个与数据采集主机通讯连接的螺栓状态传感节点，其中，
螺栓状态传感节点包括节点单片机以及与节点单片机分别连接的压力传感器和通信模块，用于监测螺栓的紧固状态并将检测信息发往数据采集主机；所述压力传感器设置于螺栓与被紧固件之间，用于采集应力信号并反馈到节点单片机；所述节点单片机通过通信模块与数据采集主机连接，用于对采集信号进行处理并将处理后的数据发送到数据采集主机，还用于实现螺栓状态传感节点的中断配置，以使螺栓状态传感节点按照一定的时间间隔采集信号并向数据采集主机发送数据；
数据采集主机包括主机单片机、显示屏、按键、通信模块和存储器，用于接收各螺栓状态传感节点发送的数据，判断并显示各螺栓的紧固状态是否异常；所述显示屏与主机单片机连接，用于显示各螺栓状态信息；所述按键与主机单片机连接，用于配合显示屏以实现人机交互功能；所述通信模块与主机单片机连接，用于实现数据采集主机与各螺栓状态传感节点间的通信功能；所述存储器与主机单片机连接，用于存储数据采集主机接收到的数据。
进一步地，所述螺栓状态传感节点还包括与节点单片机相连接的温度传感器，所述温度传感器设置于螺栓所在的工作环境中，用于获取环境温度并传送到节点单片机。
进一步地，所述压力传感器为连接在桥式测量电路中的应变片电阻，所述桥式测量电路包括由应变片电阻在内的若干个电阻组成的环形电路，所述桥式测量电路外接有信号放大电路和模数转换电路，用于获取环形电路的电压信号。
进一步地，所述桥式测量电路通过ADS1220集成芯片与节点单片机连接，所述ADS1220集成芯片用于实现信号放大和模数转换，其工作过程和参数设置由节点单片机控制。
进一步地，所述螺栓状态传感节点中的通信模块还配置有与节点单片机连接的MOS管开关电路，所述MOS管开关电路用于在数据采集空闲时关闭通信模块。
进一步地，还包括电源变换电路，用于为系统供电；所述电源变换电路包括依次连接的降压模块、升压模块和稳压模块，所述降压模块与外部电源连接，用于将外部电压降低到某一设定幅值；所述升压模块用于将降压模块的输出电压升高到系统工作所需的电压幅值，所述稳压模块用于减小升压模块输出电压的纹波，为系统提供稳定平滑的电源。
优选地，所述外部电源为太阳能电池板和锂电池的组合电源或一次电池，所述降压模块采用NCP1529芯片，所述升压模块采用MC34063芯片，所述稳压模块采用AMS1117芯片。
进一步地，所述数据采集主机还包括通信接口，用于实现同上位机的通信，通信协议包括Modbus RTU和Modbus TCP。
本实用新型的有益效果：
本实用新型基于应变片及电阻桥式测量电路进行螺栓松动的监测，传感部分成本低、耐候性好。通过单片机和无线传输的方式实现数据的在线监测和上传，并采用低功耗工作策略实现系统的长期免维护，具有安装简单、维护简单、综合成本低等优点。
附图说明
附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。
图1是本实用新型一实施例提供的螺栓状态传感节点的模块组成示意图；
图2是本实用新型一实施例提供的压力传感器应力测量电路示意图；
图3是本实用新型一实施例提供的数据采集主机的模块组成示意图。
具体实施方式
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
本实用新型系统包括数据采集主机和若干个螺栓状态传感节点，螺栓状态传感节点由压力传感器、信号处理电路、节点单片机和无线通信模块等组成。无线通信模块一般通过LoRa模块自主网络进行多个传感器的数据收发，数据采集主机配置有与螺栓状态传感节点相同类型的无线通信模块以实现对各个节点的数据收集，主机与上位机进行通信，主机上配置有触摸屏和操作按键以实现显示、报警等人机交互功能。
如图1所示，螺栓状态传感节点主要由节点单片机、桥式测量电路、压力传感器、温度传感器和无线通信模块组成。压力传感器的应变片设置于螺栓和被紧固件之间，用于感知螺栓状态，当螺栓的紧固状态发生变化时，应变片由于受到的压力变化其电阻值也将随之改变，进而使得与之相连接的桥式测量电路的电压信号产生变化。通过提取桥式测量电路的电压信号，再由信号采集电路进行二次放大和范围匹配后，传送至单片机内置的模数转换器中实现信号的数字化，从而得到与应力变化相对应的电压信号值。无线通信模块与节点单片机串口相连，实现螺栓状态传感节点与主机之间的数据收发。温度传感器同样与节点单片机相连，用于检测螺栓所在工作环境的温度。
在一些实施例中，为降低系统功耗，无线通信模块配置有MOS管开关电路，当系统处于采集空闲或其他无需通信的情况时，切断无线通信模块的供电。
在一些实施例中，如图2所示，将应变片接入桥式测量电路的一个桥臂，即电阻R1～R4中至少有一个为应变片(电阻)，当应变片的应力值变化时，其阻值也相应改变，导致桥式测量电路的平衡发生变化，通过采集对应电压的微量变化获取相应的测量值。桥式测量电路需要稳定的电压源，采集细微电压的变化前需要进行信号放大，最后进行模拟量到数字量的转换。采用集成类的桥式测量电路能够获得更小的电路体积或更加优化的测量性能。如图2所示，典型的可采用ADS1220等集成芯片实现，左侧电阻R1～R4构成的桥式测量电路的四个连接点信号进入ADS1220的输入端，通过ADS1220内置的放大电路和ADC转换电路实现信号放大和模数转换，ADS1220通过串行接口与节点单片机相连，由单片机控制ADS1220的工作过程和参数设置。
系统的供电根据现场情况采用太阳能电池板+锂电池或一次电池供电两种，两种供电电源输入方式的电压范围相差较大。其中太阳能电池板+锂电池方式输出电压一般高于一次纽扣电池，且一次纽扣电池在生命周期中电压波动较大，因此为统一和简化系统配置，采用先降压后升压的方法适应两种供电方式。具体地，先降压到两种供电方式正常工作范围的最低值，统一电压幅值，然后以此电压为基础升压到所需工作电压，最后通过线性稳压器件减小纹波，提供较为稳定平滑的直流电源给系统。降压可采用NCP1529等DC/DC降压芯片实现，升压可采用MC34063等DC/DC升压芯片实现，稳压可采用AMS1117等线性稳压芯片实现。
如图3所示，数据采集主机主要由主机单片机、触摸屏、按键、通信接口、光隔离电路、无线通信模块、稳压电路、存储器等组成。主机单片机通过串口控制无线通信模块读取各节点数据和发送动作命令，读取的数据按一定规则存入存储芯片，实现数据记录。数据采集主机采用串口或网络接口实现与上位机通信，通信协议包括但不限于Modbus RTU和Modbus TCP。按键和触摸屏的配合使用用于实现显示、报警等人机交互功能。
节点单片机用于实现压力传感器输出信号的AD转换、温度补偿与归一计算、中断配置和通讯控制。系统初始化后，螺栓状态传感节点被配置在定时唤醒中断模式，完成一次数据采集和发送后进入待机模式以降低功耗，等采样间隔定时到后由定时唤醒中断触发唤醒节点进入下一次的数据采集循环。为进一步降低功耗，只有当归一计算后的测量值变化超过上次测量值一定量时，才通过无线通信模块发送数据到数据采集主机，避免数据基本无变化时重复发送消耗电池电量。同时，为了避免无法区分正常状态时的不发送和发生故障时的不发送，设定时间间隔T，确保在T以内即使数据基本无变化也必须发送一次，以便让主机了解当前的节点工作状态，其余时间均通过控制MOS管开关电路关闭无线通信模块的供电。
关于温度补偿与归一计算，螺栓因热胀冷缩的原因，即使在螺栓处于紧固状态不变化的情况下，随着环境温度的变化也会导致应变片的应力值发生改变，因此需要统一衡量尺度，进行温度补偿和归一计算，避免利用直接测量值进行判断分析导致的误判。因现场螺栓尺寸、材料以及被紧固件的材质、尺寸的变化各不相同，通过实验或推导确定补偿系数或公式具有较大难度，而且工作量巨大。通常，螺栓安装和运行初期其工作状态往往是正常的，取运行初期一定时间内的温度和应力值存入节点单片机或外置的存储器内，作为温度补偿和归一计算的依据。
具体的温度补偿和归一计算方法为：
1)按照一定的温度间隔存储运行初期的n点数据，温度由低到高为T1～Tn，对应的应力值为S1～Sn。为提高采集数据的准确性，每个温度点的应力数据通过多次采样经过数字滤波后作为当前温度点的记录数据，数字滤波采用去除多个测量值中的异常值然后取平均值的方式。
2)根据1)中数据换算出每个温度点相对常温时的应力系数，将当前采集的应力测量值除以应力系数获得常温时对应的应力值，作为应力测量的归一值，供后续比较判断使用。
3)后续运行过程中根据当前温度，以1)中存储的数据采用插值法计算出该温度下的正常应力值，并将其除以该温度下的应力系数，得到归一化的正常应力值；然后将当前采集的应力测量值归一化后与归一化的正常应力值对比，偏差超过一定范围即判断为异常，即螺栓松动。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；在本实用新型的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，并存在如上所述的本实用新型的不同方面的许多其它变化，为了简明，它们没有在细节中提供；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。
Claims (8)
1.一种螺栓紧固状态在线监测系统，其特征在于，包括数据采集主机和若干个与数据采集主机通讯连接的螺栓状态传感节点，其中，
螺栓状态传感节点包括节点单片机以及与节点单片机分别连接的压力传感器和通信模块，用于监测螺栓的紧固状态并将检测信息发往数据采集主机；所述压力传感器设置于螺栓与被紧固件之间，用于采集应力信号并反馈到节点单片机；所述节点单片机通过通信模块与数据采集主机连接，用于对采集信号进行处理并将处理后的数据发送到数据采集主机，还用于实现螺栓状态传感节点的中断配置，以使螺栓状态传感节点按照一定的时间间隔采集信号并向数据采集主机发送数据；
数据采集主机包括主机单片机、显示屏、按键、通信模块和存储器，用于接收各螺栓状态传感节点发送的数据，判断并显示各螺栓的紧固状态是否异常；所述显示屏与主机单片机连接，用于显示各螺栓状态信息；所述按键与主机单片机连接，用于配合显示屏以实现人机交互功能；所述通信模块与主机单片机连接，用于实现数据采集主机与各螺栓状态传感节点间的通信功能；所述存储器与主机单片机连接，用于存储数据采集主机接收到的数据。
2.如权利要求1所述的一种螺栓紧固状态在线监测系统，其特征在于，所述螺栓状态传感节点还包括与节点单片机相连接的温度传感器，所述温度传感器设置于螺栓所在的工作环境中，用于获取环境温度并传送到节点单片机。
3.如权利要求1或2所述的一种螺栓紧固状态在线监测系统，其特征在于，所述压力传感器为连接在桥式测量电路中的应变片电阻，所述桥式测量电路包括由应变片电阻在内的若干个电阻组成的环形电路，所述桥式测量电路外接有信号放大电路和模数转换电路，用于获取环形电路的电压信号。
4.如权利要求3所述的一种螺栓紧固状态在线监测系统，其特征在于，所述桥式测量电路通过ADS1220集成芯片与节点单片机连接，所述ADS1220集成芯片用于实现信号放大和模数转换，其工作过程和参数设置由节点单片机控制。
5.如权利要求3所述的一种螺栓紧固状态在线监测系统，其特征在于，所述螺栓状态传感节点中的通信模块还配置有与节点单片机连接的MOS管开关电路，所述MOS管开关电路用于在数据采集空闲时关闭通信模块。
6.如权利要求3所述的一种螺栓紧固状态在线监测系统，其特征在于，还包括电源变换电路，用于为系统供电；所述电源变换电路包括依次连接的降压模块、升压模块和稳压模块，所述降压模块与外部电源连接，用于将外部电压降低到某一设定幅值；所述升压模块用于将降压模块的输出电压升高到系统工作所需的电压幅值，所述稳压模块用于减小升压模块输出电压的纹波，为系统提供稳定平滑的电源。
7.如权利要求6所述的一种螺栓紧固状态在线监测系统，其特征在于，所述外部电源为太阳能电池板和锂电池的组合电源或一次电池，所述降压模块采用NCP1529芯片，所述升压模块采用MC34063芯片，所述稳压模块采用AMS1117芯片。
8.如权利要求3所述的一种螺栓紧固状态在线监测系统，其特征在于，所述数据采集主机还包括通信接口，用于实现同上位机的通信，通信协议包括Modbus RTU和Modbus TCP。
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