基于压电主动传感的螺栓群松动定位监测系统的制作方法

1.本实用新型涉及钢结构健康监测领域领域，尤其涉及基于压电主动传感的螺栓群松动定位监测系统。


背景技术：

2.螺栓连接因其施工简单、受力合理、方便拆换、耐疲劳、安全可靠等优点，目前已经成为大小型钢结构施工安装主要的一种连接形式。螺栓连接节点是否安全可靠关系到整个钢结构的安全，然而结构在循环荷载、振动荷载等不利因素作用下，螺栓连接非常容易发生松动，这不仅在一定程度上影响整个结构的正常服役，甚至引发结构破坏等灾难性事故，造成重大的经济损失和人员伤亡，因此对螺栓连接状态进行实时定量监测具有重要的工程意义。
3.传统的压电主动传感无法实现钢结构螺栓群松动定位，因此，为解决上述问题，本实施例提供基于压电主动传感的螺栓群松动定位监测系统，可以实时监测螺栓群的松动情况，一旦螺栓群中某个或多个螺栓发生松动时，可以立即定位松动的螺栓。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本实用新型提出了基于压电主动传感的螺栓群松动定位监测系统，可以实时监测螺栓群的松动情况，一旦螺栓群中某个或多个螺栓发生松动时，可以立即定位松动的螺栓。
5.本实用新型的技术方案是这样实现的：本实用新型提供了基于压电主动传感的螺栓群松动定位监测系统，其包括上钢板、下钢板、螺栓群、信号采集卡和pc机，螺栓群呈n
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m线性阵列分布；还包括压电驱动器、信号发生器以及至少q个压电传感器；其中，q＝n+m，n为正整数，m为正整数；
6.上钢板和下钢板上均设置有n
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m线性螺栓孔阵列，上钢板的螺栓孔通过螺栓群与下钢板的螺栓孔一一对应螺纹连接，压电驱动器设置在上钢板或下钢板上，上钢板或下钢板上n
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m线性螺栓孔阵列的每一行首端或末端均设置有一个压电传感器，上钢板或下钢板上n
×
m线性螺栓孔阵列的每一列首端或末端均设置有一个压电传感器；
7.pc机产生的控制信号通过信号采集卡传递给信号发生器，信号发生器在控制信号的控制下产生扫频信号，并将扫频信号输出至压电驱动器，压电驱动器在扫频信号的激励下产生位移以及向下的力，所述扫频信号通过压电驱动器、上钢板传输到压电传感器，压电传感器接收扫频信号相对应的应力波信号，并将应力波信号转换为电信号，信号采集卡的若干个采集通道分别采集若干个压电传感器输出的电信号，将电信号转换为数字信号，并将数字信号传输至pc机。
8.在以上技术方案的基础上，优选的，信号发生器包括功率放大器和激励源；
9.激励源接收信号采集卡传递的控制信号并产生正弦扫频激励电信号，并将该正弦扫频激励电信号输出至功率放大器的输入端，功率放大器对该正弦扫频激励电信号放大，
功率放大器的输出端与压电驱动器电性连接。
10.在以上技术方案的基础上，优选的，压电驱动器和压电传感器所采用压电陶瓷均为压缩型压电陶瓷片。
11.在以上技术方案的基础上，优选的，下钢板安装压电传感器的部位以及上钢板安装压电驱动器的部位均设置有环氧树脂。
12.在以上技术方案的基础上，优选的，压电传感器通过bnc电缆与信号采集卡电性连接，信号采集卡通过usb线缆与pc机电性连接。
13.在以上技术方案的基础上，优选的，压电驱动器通过bnc电缆与功率放大器电性连接，功率放大器通过bnc线缆与激励源电性连接。
14.本实用新型的基于压电主动传感的螺栓群松动定位监测系统相对于现有技术具有以下有益效果：
15.(1)通过在上钢板或下钢板上n
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m线性螺栓孔阵列的每一行首端或末端均设置有一个压电传感器，上钢板或下钢板上n
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m线性螺栓孔阵列的每一列首端或末端均设置有一个压电传感器，每一行或每一列螺栓孔对应的压电传感器检测的应力波信号对应该行或该列螺栓的松紧情况，当某行某列的螺栓发生松动时，该行该列对应的压电传感器检测到的压电信号就会发生变化，确定压电信号变化的行数和列数即可确定松动螺栓的位置，解决现有技术中无法实现钢结构螺栓群松动定位的技术问题，一旦螺栓群中某个或多个螺栓发生松动时，可以立即定位松动螺栓位置；
16.(2)在信号发生器中设置功率放大器放大激励源产生的激励信号，以提高信号信噪比；
17.(3)通过在下钢板安装压电传感器的部位以及上钢板安装压电驱动器的部位均设置有环氧树脂，可以进行防水绝缘处理，防止压电片与钢板发生导电等情况。
附图说明
18.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
19.图1为本实用新型基于压电主动传感的螺栓群松动定位监测系统的结构图；
20.图2为本实用新型基于压电主动传感的螺栓群松动定位监测系统中上钢板的俯视图；
21.图中，1-上钢板，2-下钢板，3-压电驱动器，4-压电传感器，5-环氧树脂，6-信号发生器，7-螺栓群，8-信号采集卡，9-pc机。。
具体实施方式
22.下面将结合本实用新型实施方式，对本实用新型实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本实用新型一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本实用新型中的实施方式，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他实施方式，都属于本实用新型保护的范围。
23.如图1所示，本实用新型的基于压电主动传感的螺栓群松动定位监测系统，其包括上钢板1、下钢板2、螺栓群7、信号发生器6、压电驱动器3、q个压电传感器4、信号采集卡8和pc机9；其中，q＝n+m，n为正整数，m为正整数。
24.上钢板1和下钢板2均设置有n
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m线性螺栓孔阵列，如图2所示，上钢板1的螺栓孔通过螺栓群7与下钢板2的螺栓孔螺纹连接。在实际应用中，上钢板1和下钢板2可以是其他连接螺栓7的装置。如图2所示，上钢板1安装压电驱动器3以及压电传感器4的部位均设置有环氧树脂5，待环氧树脂5干后，将压电驱动器3、压电传感器4分别安装在上钢板1上环氧树脂5的中间，进行防水绝缘处理，防止压电片与钢板发生导电等情况。
25.信号发生器6，在pc机9的控制下产生扫频信号，并将扫频信号输出至压电驱动器3。本实施例中，信号发生器6与压电驱动器3电性连接。优选的，信号发生器6包括功率放大器和激励源，具体的，激励源接收信号采集卡8传递的控制信号并产生正弦扫频激励电信号，并将该正弦扫频激励电信号通过bnc线缆输出至功率放大器的输入端，功率放大器对该正弦扫频激励电信号放大，功率放大器的输出端通过bnc线缆与压电驱动器3电性连接。其中，激励源可以采用现有技术实现，并且激励源不是本实施例的改进点，因此，在此不再累述。功率放大器对激励源产生的正弦扫频激励电信号进行放大，放大倍数优选为50倍，以提高信号信噪比，功率放大器也可采用现有技术实现，因此，在此不再累述。
26.压电驱动器3，是利用压电陶瓷的逆电压电效应，在压电陶瓷的适当方向上加上电场，从而产生相应的位移和力。压电驱动器3是压电陶瓷的一种新应用。本实施例中，压电驱动器3设置在上钢板1或下钢板2上，压电驱动器3所采用压电陶瓷为压缩型压电陶瓷片。
27.螺栓群7，呈n
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m线性阵列分布在上钢板1上，其中，n为正整数，m为正整数。
28.q个压电传感器4，如图2所示，上钢板1或下钢板2上n
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m线性螺栓孔阵列的每一行首端或末端均设置有一个压电传感器4，上钢板1或下钢板2上n
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m线性螺栓孔阵列的每一列首端或末端均设置有一个压电传感器4。本实施例中，设置在n
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m线性螺栓孔阵列的每一行的压电传感器4接收扫频信号相对应的应力波信号，并将应力波信号转换为电信号，所述应力波信号对应该行所有螺栓的松紧情况；设置在n
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m线性螺栓孔阵列的每一列的压电传感器4接收扫频信号相对应的应力波信号，并将应力波信号转换为电信号，所述应力波信号对应该列所有螺栓的松紧情况。当某行某列的螺栓发生松动时，该行该列对应的压电传感器4检测到的压电信号就会发生变化，确定压电信号变化的行数和列数即可确定松动螺栓的位置。本实施例的监测系统在螺栓群7完全健康状态下，即无松动情况下，检测q个压电传感器4采集的压电信号，得到健康信号值，以该健康信号值作为基准值；当螺栓群7中某个或多个螺栓松动时，该螺栓所在行和列对应的压电传感器4采集到的压电信号与基准值之间会产生误差，根据误差结果可以得知螺栓群7发生松动，根据产生误差的行数和列数可以定位当前发生松动的螺栓位置，解决现有技术无法实现钢结构螺栓群松动定位的技术漏洞。优选的，压电传感器4所采用压电陶瓷为压缩型压电陶瓷片。
29.信号采集卡8，一方面，将pc机9传输的控制信号传递给信号发生器6；另一方面，其包括若干个采集通道，分别采集若干个压电传感器4输出的电信号，将电信号转换为数字信号，并将数字信号传输至pc机9。本实施例中，信号采集卡8可以采用现有技术或者现有设备实现，并且本实施例并不涉及对信号采集卡8的改进，因此，在此不再累述信号采集卡8的结构。本实施例中，信号采集卡8的若干个输入端通过bnc电缆分别与若干个压电传感器4一一
对应电性连接，信号采集卡8的输出端通过usb线缆与pc机9电性连接。
30.pc机9，一方面，发送控制信号发生器6工作的控制信号至信号采集卡8，由信号采集卡8传递给信号发生器6；另一方面，用于接收信号采集卡8输出的数据，在完全健康状态下，分析压电传感器4获取的压电信号，得到健康信号值，以该健康信号值作为基准值，将基准值与不同螺栓松动监测到的压电信号进行比较并计算出松动评判指标，通过监测评判指标的变化得出螺栓群的松动定位。本实施例中，只保护装置并不涉及对软件算法的改进。优选的，pc机9通过信号采集卡8的一路数据传输通道与信号发生器6连接。
31.本实施例的工作原理为：激励源接收信号采集卡8传递的控制信号并产生正弦扫频激励电信号，并将该正弦扫频激励电信号通过bnc线缆输出至功率放大器，功率放大器将该正弦扫频激励电信号放大50倍后输出至压电驱动器3，压电驱动器3在激励信号的激励作用下产生应变力。首先，在螺栓群7完全健康状态下，即无松动情况下，检测q个压电传感器4采集的压电信号，得到健康信号值，以该健康信号值作为基准值；其次，在正常监测时，通过提出的监测系统获取q个压电传感器4采集到的压电信号，得到螺栓群服役状态信号，将该服役状态信号与基准值进行比对，根据螺栓群各行和各列监测指标的变化可以定位当前发生松动的螺栓位置。
32.本实施例的有益效果为：通过在上钢板1或下钢板2上n
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m线性螺栓孔阵列的每一行首端或末端均设置有一个压电传感器4，上钢板1或下钢板2上n
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m线性螺栓孔阵列的每一列首端或末端均设置有一个压电传感器4，每一行或每一列螺栓孔对应的压电传感器4检测的应力波信号对应该行或该列螺栓的松紧情况，当某行某列的螺栓发生松动时，该行该列对应的压电传感器4检测到的压电信号就会发生变化，确定压电信号变化的行数和列数即可确定松动螺栓的位置，解决现有技术中无法实现钢结构螺栓群松动定位的技术问题，一旦螺栓群中某个或多个螺栓发生松动时，可以立即定位松动螺栓位置；
33.在信号发生器6中设置功率放大器放大激励源产生的激励信号，以提高信号信噪比；
34.通过在下钢板2安装压电传感器4的部位以及上钢板1安装压电驱动器3的部位均设置有环氧树脂5，可以进行防水绝缘处理，防止压电片与钢板发生导电等情况。
35.以上所述仅为本实用新型的较佳实施方式而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。