一种螺栓松动传感装置和方法

本发明涉及螺栓松动检测领域，尤其是涉及一种螺栓松动传感装置和方法。

背景技术：

1、螺栓连接是在工程实践中应用最为广泛的连接方式，在部件之间传递作用力。螺栓在循环载荷的冲击和强迫振动的作用下会出现松动现象。但是，对于工作在恶劣环境下的螺栓,其松紧程度和疲劳损伤往往难以直接判断,或者其健康状况经常被忽视。为了避免螺栓松动带来的灾难性后果,有必要进行螺栓松动检测，以便及时了解螺栓状态，最大程度地减少事故的发生。

2、目前，螺栓松动的检测方法主要分成三类：基于振动的，基于机电阻抗的和基于导波的检测技术。基于振动的螺栓检测技术，是通过提取螺栓松动前后整体结构的特征频率、传递函数、功率谱等动态特性的变化，来判定螺栓的连接状态。然而，一个组装结构通常包含大量的螺栓连接，局部位置的螺栓松动不会引起结构整体动态特性的变化，这导致基于振动的螺栓松动监测技术不能对局部位置的螺栓松动做出及时的判断。基于机电阻抗的螺栓松动检测技术通过检测螺栓连接部机械阻抗的变化来确定螺栓预紧力。在该方法中，通常需要在紧靠螺栓连接的部位粘贴压电传感器(pzt)，由于pzt的电阻抗和机械阻抗耦合，从而可以通过检测电阻抗变化来判断螺栓预紧力的变化。但该检测技术的检测范围局限于压电传感器附近，并且需要昂贵的高精度阻抗分析仪，导致其在实际应用中受到一定限制。基于导波的螺栓松动检测技术通过测量超声波在螺栓螺杆内的传播时间的变化或被连接部件的连接面处超声导波的透射波能量变化来确定螺栓连接状态，是一种有效的无损检测方法。但该方法对测量设备的要求较高，难以大范围应用。

3、cn113125132b公开了基于双层基板贴片天线的螺栓松动传感装置、系统和方法，其中的下层组件通过装配单元能够随螺栓螺杆长度的变化，沿螺栓轴向移动，该方案采用的开孔螺栓需要开设通孔，导致螺栓强度较弱。

4、综上所述，现有技术难以对局部位置的螺栓松动做出及时的判断，无法及时检测到整体结构中某个螺栓的松动情况，此外无法克服通孔对于松动检测可能造成的影响。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供的一种螺栓松动传感装置和方法，实现及时检测到整体结构中某个螺栓的松动情况的同时保障螺栓的强度。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、一种螺栓松动传感装置，装置用于检测开孔螺栓的变形，传感装置包括rfid标签，rfid标签的一面设有芯片，rfid标签套入附件中，rfid标签与伸缩杆的一端连接，伸缩杆的另一端插入开孔螺栓中，附件通过第一连接杆和第二连接杆与开孔螺栓连接，rfid标签与阅读器无线连接；

4、rfid标签还包括基板、环形贴片和微带馈电线，微带馈电线的两端分别连接芯片和环形贴片，环形贴片和芯片置于基板的上表面，基板的圆心处开有孔，贯通基板并且截断微带馈电线的中部，基板、微带馈电线和芯片组成贴片天线；

5、伸缩杆由杆件主体、金属头和短管组成，杆件主体的一端连接金属头，杆件主体置于短管中，杆件主体套入基板的开孔中，金属头位于微带馈电线的截断处的上方，不与微带馈电线接触，

6、开孔螺栓的圆心处开孔，形成封闭凹槽，凹槽中充满不可压缩液体，杆件主体的另一端插入不可压缩液体中，短管固定在封闭凹槽顶部。

7、进一步地，基板的开的孔为圆孔，该圆孔的半径大于杆件主体的截面半径。

8、进一步地，开孔螺栓开的孔为圆孔，该圆孔的直径为短管的外径。

9、进一步地，第一连接杆的一端和第二连接杆的一端固定于开孔螺栓，第一连接杆的另一端和第二连接杆的另一端连接附件的下表面。

10、进一步地，rfid标签的侧面设有三个与附件的凸起对应的缺口，rfid标签通过凸起和缺口套入附件中。

11、进一步地，微带馈电线和金属头的材料为黄铜，基板和杆件主体的材料为fr4，短管材料为树脂。

12、本发明的另一方面，提出一种螺栓松动传感方法，采用如权利要求1～6中任一项所述的螺栓松动传感装置，方法包括以下步骤：

13、s1、装置的阅读器以不同的频率向rfid标签发送调制过的第一电磁波信号，当rfid标签接收的第一电磁波信号的功率达到阈值时，rfid标签的芯片被激活；

14、s2、激活后，rfid标签中的贴片天线产生电流并发射出带有标签编号和位置信息的第二电磁波信号；

15、s3、带有标签编号和位置信息的第二电磁波信号被阅读器接收并处理，得到螺栓的位置和所处状态的信息；

16、开孔螺栓受力时，贴片天线的状态在通路状态和断路状态之间切换。

17、进一步地，第二电磁波信号包括谐振频率，当贴片天线处于通路状态时，阅读器检测出谐振频率，当贴片天线处于断路状态时，阅读器无法检测出谐振频率。

18、进一步地，阅读器基于谐振频率得到螺栓的所处状态的信息，螺栓的所处状态的信息为螺栓的松紧程度变化信息。

19、进一步地，开孔螺栓受力时，引起不可压缩液体的体积变化，体积变化通过伸缩杆转化为贴片天线的状态的变化。

20、与现有技术相比，本发明具有以下优点：

21、(1)本发明的螺栓松动传感装置应用了双层基板贴片天线的谐振特性，将上层贴片和地平面以及二者之间的电介质组成一个谐振系统，并通过装配单元将其与螺栓的螺杆连接，使下层组件随螺杆长度变化而发生位移，改变上下层基板之间的缝隙大小时，改变贴片天线的有效介电常数会发生变化，从而引起天线谐振频率的漂移，来实现对螺栓工作状态的检测，材料简单，成本更加低廉，可以作为预制设备与结构一同设计和建造，建设起监测的网络，同时采用rfid技术，可通过电磁波激活使其工作，不需要额外的电源，实现传感器的无源，应用范围广。

22、(2)本发明中当螺栓预紧力发生变化时，螺栓应变转化为液体变形的过程会将变形进一步放大，会产生更加明显的谐振频率漂移，实现无线检测天线谐振频率的漂移量，以此推算螺栓的连接状态，以天线的谐振频率作为参数判断螺栓状态，该参数受距离和环境噪声等因素的影响可忽略，增加了该传感系统的适用性和准确性。

23、(3)对比现有的基于双层基板贴片天线的螺栓松动传感装置，本发明的基于不可压缩液体变形检测装置中的螺栓本体存储液体所需开孔较前者大大减少，避免了因为贯穿螺栓的孔洞过大导致对螺栓强度削弱过多，提高了安全性。同时由于螺栓中下部分仍为实心，螺栓的制作与加工部分可采用模板，可省略开孔步骤，减少制作程序与成本，同时避免开孔过程对螺栓造成裂缝或破坏。

技术特征：

1.一种螺栓松动传感装置，其特征在于，装置用于检测开孔螺栓(2)的变形，传感装置包括rfid标签(1)，rfid标签(1)的一面设有芯片(9)，rfid标签(1)套入附件(5)中，rfid标签(1)与伸缩杆(3)的一端连接，伸缩杆(3)的另一端插入开孔螺栓(2)中，附件(5)通过第一连接杆(13)和第二连接杆(14)与开孔螺栓(2)连接，rfid标签(1)与阅读器(4)无线连接；

2.根据权利要求1所述的一种螺栓松动传感装置，其特征在于，基板(6)的开的孔为圆孔，该圆孔的半径大于杆件主体(10)的截面半径。

3.根据权利要求1所述的一种螺栓松动传感装置，其特征在于，开孔螺栓(2)开的孔为圆孔，该圆孔的直径为短管(12)的外径。

4.根据权利要求1所述的一种螺栓松动传感装置，其特征在于，第一连接杆(13)的一端和第二连接杆(14)的一端固定于开孔螺栓(2)，第一连接杆(13)的另一端和第二连接杆(14)的另一端连接附件(5)的下表面。

5.根据权利要求1所述的一种螺栓松动传感装置，其特征在于，rfid标签(1)的侧面设有三个与附件(5)的凸起对应的缺口，rfid标签(1)通过凸起和缺口套入附件(5)中。

6.根据权利要求1所述的一种螺栓松动传感装置，其特征在于，微带馈电线(8)和金属头(11)的材料为黄铜，基板(6)和杆件主体(10)的材料为fr4，短管(12)材料为树脂。

7.一种螺栓松动传感方法，其特征在于，采用如权利要求1～6中任一项所述的螺栓松动传感装置，方法包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的一种螺栓松动传感方法，其特征在于，第二电磁波信号包括谐振频率，当贴片天线处于通路状态时，阅读器(4)检测出谐振频率，当贴片天线处于断路状态时，阅读器(4)无法检测出谐振频率。

9.根据权利要求8所述的一种螺栓松动传感方法，其特征在于，阅读器(4)基于谐振频率得到螺栓的所处状态的信息，螺栓的所处状态的信息为螺栓的松紧程度变化信息。

10.根据权利要求7所述的一种螺栓松动传感方法，其特征在于，开孔螺栓(2)受力时，引起不可压缩液体(16)的体积变化，体积变化通过伸缩杆(3)转化为贴片天线的状态的变化。

技术总结
本发明涉及一种螺栓松动传感装置和方法，装置用于检测开孔螺栓的变形，传感装置包括RFID标签，RFID标签的一面设有芯片，附件通过第一连接杆和第二连接杆与开孔螺栓连接，RFID标签与阅读器无线连接；伸缩杆由杆件主体、金属头和短管组成，杆件主体的一端连接金属头，杆件主体置于短管中，杆件主体套入基板的开孔中，金属头位于微带馈电线的截断处的上方，不与微带馈电线接触，开孔螺栓的圆心处开孔，形成封闭凹槽，凹槽中充满不可压缩液体，杆件主体的另一端插入不可压缩液体中，短管固定在封闭凹槽顶部。与现有技术相比，本发明实现及时检测到整体结构中某个螺栓的松动情况的同时保障螺栓的强度。

技术研发人员：谢丽宇,黄昌辉,田金乐,关天鹏,吴东东
受保护的技术使用者：同济大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13