无线式螺栓预紧力传感器的制作方法

本发明属于螺栓预紧力测量领域，特别涉及一种无线式螺栓预紧力传感器。

背景技术：

螺栓预紧力是螺栓在拧紧过程中，螺栓与联接部件之间的沿螺栓轴心线方向的作用力。工业设备在运行过程中，设备的振动等原因可能会使螺栓松动，继而引起连接部件脱落并引发安全事故，因此螺栓的预紧力测量对于工业设备的安全可靠运行非常重要。目前螺栓的预紧力测量主要采用扭矩扳手和环形传感器，扭矩扳手采用人工方式把螺栓预紧到固定力值，但是不能实时检测某个螺栓是否松动，只能采用定期逐个排查的方式，检测效率和实时性较低；环形传感器安装在螺栓和联接部件之间，可以实时检测螺栓预紧力，检测效率和实时性比较高，但是由于环形传感器和显示仪表之间采用有线连接方式，因此被测螺栓所在的部件不能自由连续旋转，因为线缆在连续旋转时会发生缠绕甚至拉断，因此在风力发电机的叶片等需要连续旋转的联接部件上使用就有很大的局限性。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种可以在连续旋转的联接部件上使用的无线式螺栓预紧力传感器，传感器和显示仪表之间不需要信号传输线缆，可以远距离传输预紧力信号，可用于诸如风力发电机的叶片这类螺栓数量多、螺栓易松动且会连续旋转的联接部件。

为了实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种无线式螺栓预紧力传感器，包括轮辐式弹性体和内腔，所述的内腔位于弹性体的下方，内部安装有信号处理电路和无线通信装置。传感器安装在螺栓的垫片和联接部件之间；螺栓、垫片、传感器和联接部件上的螺纹孔同轴心，传感器的顶部与垫片的底部接触，传感器的底部与联接部件的顶部接触；

所述的轮辐式弹性体上有8个对称的圆孔，每两个相邻圆孔之间的区域构成1个应变梁，一共构成了8个所述应变梁，每个应变梁的两侧各粘贴有1片金属箔式应变片，共同构成对称的惠更斯电桥结构。

所述内腔位于轮辐式弹性体的后部，内部安装有无线通信装置，包括：信号处理电路板、无线通信模块和可充电式锂电池；所述的信号处理电路板形状为环形，与所述轮辐式弹性体同轴心，利用环氧树脂固定；所述无线通信模块通过单排插针固定在所述信号处理电路板上，通信天线通过传感器外壳上的天线孔引出，天线引出后，天线孔内外两侧均用防水胶做防水密封处理；可充电式锂电池安装在所述内腔中，位于所述信号处理电路板后部，锂电池的充电接口与传感器外壳上的防水型充电接口连接。

所述的信号处理电路板上包括惠更斯电桥信号输出电路、单片机电路、无线通信电路和电源电路；所述的惠更斯电桥信号输出电路包括与所述金属箔式应变片连接的接线端子jp1，所述的接线端子jp1的引脚2、1分别与电源vcc和gnd连接，所述的接线端子jp1的引脚4、3分别经电阻r1、r2输出s+信号、s-信号，所述的电阻r1、r2的输出端还分别连接有电容c1、c2，所述的电容c1、c2共同与地线连接；

所述的单片机电路包括单片机u2，所述的单片机u2的引脚1、2与上述惠斯通电桥的输出信号s+和s-连接；电压源vcc经电阻r3分别与电容c4、c5、电阻r4连接，所述的电容c4、c5共同与地线连接，所述的电阻r3与单片机u2的引脚12连接；所述的单片机u2的引脚15、16之间并联有电阻r5、晶体振荡器y1，所述的晶体振荡器y1的引脚1、2分别连接有电容c6、c7，所述的电容c6、c7共同与地线连接；jtag接口jp3的引脚3、4分别与单片机u2的引脚11、12连接。

所述的无线通信电路包括无线通信模块u1，所述无线通信模块u1的引脚3、4、8、9分别与的所述单片机u2的引脚19、20、25、14连接，所述无线通信模块u1的引脚2接电源vcc，所述无线通信模块u1的引脚2、5共同与gnd连接。

所述的信号处理电路板上还设置有电源电路，所述的电源电路包括可充电式锂电池和与锂电池正负极连接的接线端子jp2，所述的接线端子jp2的引脚2经开关s1、二极管vd1接入线性稳压器u1的引脚2，所述的线性稳压器u1的引脚2与钽电容e1的正极连接，所述的线性稳压器的引脚3分别与钽电容e2的正极、无极性电容c1连接，所述的钽电容e1的负极、钽电容e2的负极、无极性电容c1、线性稳压器u1的引脚1与接线端子jp1的引脚1共同连接再接入电源负极gnd。

上述技术方案中，本发明可以有效的实现对螺栓预紧力的实时精确检测，由于在传感器的内部增加了锂电池供电、信号处理和无线发射电路，传感器和显示仪表之间不再需要供电线缆和信号传输线缆，解决了传感器随安装部件连续旋转时，线缆的缠绕和绷断问题，因此可以安装在诸如风力发电机的叶片这类螺栓数量多、螺栓易松动且会连续旋转的部件上使用；同时，无线通信方式可以根据实际工况，选择不同的通信频率和通信协议，显示仪表和传感器之间的距离可以比较远，也可以自由调节，降低了现场布线难度和施工成本。

附图说明

图1为螺栓预紧力传感器的外形结构图；

图2为螺栓预紧力传感器的剖视图；

图3为本发明的安装主视图；

图4为本发明的工作原理框图；

图5为本发明中锂电池供电电路原理图；

图6为本发明中惠斯通电桥信号输出电路原理图；

图7为本发明中无线通信电路原理图；

图8为本发明中单片机电路原理图。

具体实施方式

结合附图1～8对本发明做出进一步的说明：

一种无线式螺栓预紧力传感器，其外形如图1所示，采用圆柱形结构，所述轮辐式弹性体1的顶部沿轴心对称均匀分布有8个圆形孔2，每两个圆形孔之间构成剪切梁3，所述剪切梁3的数量也是8个，并且沿弹性体轴心对称均匀分布，传感器外壳4的外壁上有锂电池充电孔5和天线引出孔6。

无线式螺栓预紧力传感器的内部结构如图2所示，所述剪切梁3的两个侧面上都粘贴有金属箔式应变片7，剪切梁3一共有8个，因此所述金属箔式应变片一共有16片，共同组成惠更斯电桥结构；传感器的下部有内腔8，用于安装信号处理电路板9和锂电池10；所述内腔8的内壁上有锂电池充电孔5和天线引出孔6，与所述传感器外壳4的外壁相通。

在本发明的一个较佳实施例中，传感器的安装方式如图3所示：传感器13安装在螺栓11的垫片12和联接部件14之间；螺栓11、垫片12、传感器13和联接部件14上的螺纹孔同轴心，传感器13的顶部与垫片12的底部接触，传感器13的底部与联接部件14的顶部接触；天线15位于传感器13的外壁上。螺栓11在预紧时，由于螺栓11、垫片12、传感器13和联接部件14之间为紧密连接，所以传感器13的弹性体1会受到来自垫片12和联接部件14之间的挤压，因此弹性体1发生微形变，粘贴在剪切梁3上的金属箔式应变片7组成的惠斯通电桥的输出电压也相应发生变化，此电压的变化与垫片12和联接部件14之间的挤压力即螺栓的预紧力大小成近似线性关系，通过检测此电压的变化，就可以检测出螺栓预紧力的大小。

无线式螺栓预紧力传感器的工作原理如图4所示，金属箔式应变片7组成的惠斯通电桥输出的信号为mv级电压信号，比较微弱，所以先通过电路调理去除干扰信号以后，再送入单片机c8051f350内部的24位ad转换器进行ad转换；单片机u2对ad转换的结果进行数据处理，计算出对应的螺栓预紧力的具体数值，然后将预紧力数值存入到待发送的数据帧中；单片机u2驱动无线发射电路将包含有预紧力数值的数据帧发送出去，远端的无线接收电路模块接收到数据帧，并传送给显示仪表，显示仪表解析数据帧并提取出螺栓预紧力数值，然后显示在仪表显示屏上。

图5是本发明中锂电池供电电路原理图，图中jp2接线端子用于连接锂电池的正负极，开关s1在机械臂5不工作时可以断开，节省锂电池电量，二极管vd1用于防反接保护，正常工作时，二极管vd1是导通的，而当用户误将锂电池正负极接反时，二极管反向截止，电路是断开的；钽电容e1、e2起储能和低频滤波的作用，无极性电容c3主要用于滤除高频噪声。由于采用锂电池供电，所以线性稳压器u3采用低功耗的ht7133，其特点是体积小、功耗低，适合用于锂电池供电的系统中，ht7133输出电压为3.3v，电路图中用vcc和gnd表示。

图6是本发明中电桥信号输出电路原理图，金属箔式应变片7组成的惠斯通电桥，通过接线端子jp1连接到电路，jp1的引脚1、2为惠斯通电桥的供电引脚，jp2引脚3、4为惠斯通电桥的信号输出引脚；惠斯通电桥的输出信号为mv级的差分电压信号，电阻r1和电容c1，电阻r2和电容c2，分别构成rc低通滤波器，滤除差分信号中的高频噪声及干扰信号，金属箔式应变片7组成的惠斯通电桥输出的差分信号经过rc低通滤波后，输出到图8单片机u2的模拟量输入引脚1、2，通过单片机内部的128倍可编程放大器进行放大，然后再通过单片机u2内部的24位ad转换器转换成对应的数字信号。

图7是本发明中无线发射电路的原理图，无线发射模块采用的型号是rn630，特点是体积小，低功耗，无障碍传输距离约500米，其电路接口为9芯单排针。图中用u1表示，引脚1、2为无线发射模块的供电端，接3.3v电源vcc和gnd；引脚4、3是无线发射模块与单片机u5的通信引脚rxd和txd，通信采用串行方式，ttl电平，分别接单片机u5的引脚20、19；无线发射模块的引脚5也是接地引脚，引脚6、7也是串行通信引脚，rs232电平，系统中没有用到，因此悬空处理；引脚8为睡眠控制引脚，接单片机的引脚25，当不发送数据时，单片机u4通过此引脚控制模块进入睡眠省电模式，可以节省电池电量；引脚9为模块的复位引脚，接单片机的引脚14，必要时单片机u2可以通过此引脚对无线发射模块进行复位操作。

图8是本发明中信号放大电路原理图，也是单片机u2最小系统电路原理图，单片机u2采用c8051f350，内置128倍可编程放大器和24位ad转换器，而且功耗比较低，单片机的引脚1～8为模拟量输入引脚，其中引脚1、2接传感器惠斯通电桥的信号输出；单片机的引脚31、32为内部ad转换器的参考电压输入引脚，图中接3.3v电源vcc和gnd；引脚21、22为内部数字器件的电源输入引脚，图中接3.3v电源vcc和gnd；引脚9、10为内部模拟器件的电源输入引脚，图中接3.3v电源vcc和gnd；电阻r3、r4，电容c4、c5，构成单片机u2的上电复位电路，接单片机的12号引脚，目的是在系统上电时，对单片机u2进行自动复位操作；jp3是单片机的jtag接口，引脚1、2为电源，引脚3、4分别接单片机的引脚11、12(引脚12同时也是单片机u2的复位引脚)，jp3的主要作用是将编译好的程序烧写进单片机u5以及对单片机u5进行在线调试；电阻r5、晶体振荡器y1、电容c6、c7共同构成振荡电路，接单片机u2的引脚15、16；单片机u2的引脚14、25、20、19，接无线发射模块u1的引脚9、8、3、4，控制无线发射模块u1的工作状态，并与其通信。

综上所述，本发明可以有效的实现对螺栓预紧力的精确测量，解决了螺栓预紧力的实时检测问题，由于在传感器的内部增加了锂电池供电、信号处理和无线发射电路，传感器和显示仪表之间不再需要供电线缆和信号传输线缆，解决了传感器随安装部件连续旋转时，线缆的缠绕和绷断问题，因此可以安装在诸如风力发电机的叶片这类螺栓数量多、螺栓易松动且会连续旋转的部件上使用；同时，无线通信方式可以根据实际工况，选择不同的通信频率和通信协议，显示仪表和传感器之间的距离可以比较远，也可以自由调节，降低了现场布线难度和施工成本。