一种谐振式自感知螺栓松动监测装置及螺栓松动监测方法

本发明涉及基于电容式压力传感器的谐振式自感知螺栓装置及其松动监测技术。

背景技术：

1、螺栓连接具有拆装方便、可靠性强等优点，是一种工程结构领域广泛采用的连接方式。由于工程结构服役环境复杂，螺栓连接在长期交变载荷作用下容易产生松动、滑移甚至断裂。因螺栓松动直接导致的事故屡见不鲜，开展螺栓松动识别与监测研究对于保证工程结构的安全性和可靠性具有重要的实际意义。

2、目前国内外学者已经对螺栓连接松动识别问题进行了大量的研究，现有的方法主要包括以下几种：（1）人工识别方法，人工方法主要通过目视和打音来实现松动判别，该方法对于检测人员的经验、责任心以及工作态度等依赖性较大，其检测精度往往难以保证，而且高耸结构螺栓连接的人工检测安全风险较高。（2）基于结构模态参数信息的方法，基于结构模态参数信息的方法主要通过测量螺栓松动前后结构的模态参数的变化来识别螺栓松动与否。但由于螺栓松动对结构的动力特性影响较小，再加上外界环境的干扰，该方法目前对螺栓松动的精确识别较为困难。（3）基于压电智能材料技术的方法，基于压电智能材料技术的方法通过利用压电材料的正逆压电效应来识别螺栓松动与否。由于压电陶瓷片较脆，不适于曲面环境，故其应用范围有一定的限制。本专利提供的一种谐振式自感知螺栓松动监测装置及螺栓松动监测方法，不仅可以检测出螺栓的工作及受力状态并进行状态评估，而且通过内部自感知系统和无线传输系统达到周期性的监测，避免了人工检测精度低、效率低，降低了高危结构人工检查的危险性，螺栓外部采用p6级防水密封与螺栓形成整体结构，其抗冲击能力、信号抗干扰、结构稳定性更强。

3、螺栓松动引发关注后，国内外学者在该工程领域做了很多具有创新性的工作，但该问题一直以来未得到很好地解决，因而目前亟待提出一种新型自感知螺栓装置及其松动检测方法。旨在通过提出一种螺栓松动在线监测方法，从而减少人工巡检次数，降低因螺栓长时间松动或多个螺栓松动而产生的安全事故的发生率和人工运维成本。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种谐振式自感知螺栓松动监测装置及螺栓松动监测方法。

2、本发明是一种谐振式自感知螺栓松动监测装置及螺栓松动监测方法，谐振式自感知螺栓松动监测装置，其结构是由带孔帽头1、内凹型螺杆2、采集模块3及环氧树脂62、水密封胶61、绝缘材料63等附属结构6组成。所述的带孔帽头1在传统的六棱螺帽基础上开取圆形孔洞13贯穿至内凹型螺杆2顶部，带孔帽头1主要由圆形盖板11和螺旋电感线圈12组成，通过圆形盖板11和防水密封胶61对带孔帽头1顶部进行密封；所述的内凹型螺杆2基于传统螺杆开取圆形孔槽21与顶部圆形孔洞13连通，且圆形孔槽21直径小于圆形孔洞13，圆形孔槽21底部放置电容元件22，并用绝缘材料63进行填充；所述电容元件22是由两个动极片221、一个标准垫片222、两个隔离膜片223以及感应通道224组成，其中两个动极片221由波纹膜片构成，每一个动极片221对应着一个隔离膜片223，在其中间放置标准垫片222即感应通道224（工作时），将其放置在圆形孔槽21底部，分别通过隔离膜片223和环氧树脂62与内凹型螺杆2内壁连接；所述的采集模块3是由收发转换单元31和分析预警单元32组成；所述的收发转换单元31是由收发转换元件311、敏感电感312和电容313组成；所述的螺旋电感线圈12、电容元件22、收发转换单元31和分析预警单元32均采用整体预制，以方便结构的整体组装。

3、本发明的谐振式自感知螺栓松动监测方法，其步骤为：

4、步骤（1）确定谐振式自感知螺栓监测装置的安装位置并进行相应的编号，采集模块3读取系统初始（螺栓紧固）的谐振频率。

5、步骤（2）确定内凹型螺杆2的受力状态，当外界荷载产生变化（螺栓松动）并作用于内凹型螺杆2时，通过电容元件22测量预设参数的实际测量信号。

6、步骤（3）所述实际测量信号通过谐振回路4形成新的谐振频率。

7、步骤（4）收发转换单元31通过收发转换元件311与谐振回路4电磁耦合读取变化后的谐振频率并将此谐振频率传递给分析预警单元32。

8、步骤（5）分析预警单元32收到信号后，与初始的谐振频率进行对比，以此判断螺栓是否松动以及松动程度如何，并得到三种结果：螺栓松动破坏、螺栓接近预警值和螺栓正常工作，及时通知相关检修人员依据螺栓编号，对相应螺栓进行复检更换。

9、本发明相对于现有技术具有以下优点：

10、发明的谐振式自感知螺栓松动监测装置采用嵌入式结构，将螺旋电感线圈和电容式压力传感器嵌入到螺栓中，避免了某些监测需要附加子结构，使得螺栓周围空间充分利用，螺栓检测位置不受限制，且对螺栓强度的影响较小；

11、发明的谐振式自感知螺栓松动监测装置采用无源模式，减少了资源浪费，减小了电池对环境的污染，相对于有源螺栓检测位，延长了螺栓的使用寿命，无需二次拆卸更换电源，避免了对结构的二次损伤，大大提高了螺栓的检测效率；

12、发明的谐振式自感知螺栓松动监测装置采用无线传输，避免了传统有线传输的线路损坏问题以及大量布置时线路杂乱问题，各种条件下均可采用此螺栓，适用面广，安装简单，稳定性和数据测量有效性强；

13、发明的谐振式自感知螺栓松动监测装置的谐振回路和外部电路组成pt对称，可增大无线读出距离，提高信号读取速度和监测的灵敏度。

14、发明的谐振式自感知螺栓松动监测装置外部形成一个整体，抵御外界非监测荷载能力强，内部单元均采用整体预制，且内部空隙均用环氧树脂进行填充，保证了内部结构的稳定性；

15、发明的谐振式自感知螺栓松动监测方法，可以周期性、实时监测多个螺栓松动情况，增加了工作效率，减少人工巡检次数，降低了检修人员潜在的安全风险性，降低因螺栓长时间松动或多个螺栓松动而产生的安全事故的发生率和人工运维成本；

技术特征：

1.一种谐振式自感知螺栓松动监测装置，由带孔帽头（1）、内凹型螺杆（2）、采集模块（3）及附属结构（6）组成，其特征在于：所述的带孔帽头（1）在传统的六棱螺帽基础上开取圆形孔洞（13）贯穿至内凹型螺杆（2）顶部，带孔帽头（1）主要由圆形盖板（11）和螺旋电感线圈（12）组成，通过圆形盖板（11）对带孔帽头（1）顶部进行密封；所述的内凹型螺杆（2）基于传统螺杆开取圆形孔槽（21）并与顶部圆形孔洞（13）连通，且圆形孔槽（21）直径小于圆形孔洞（13），圆形孔槽（21）底部放置电容元件（22），并用绝缘材料（63）进行填充；所述电容元件（22）是由两个动极片（221）、一个标准垫片（222）、两个隔离膜片（223）以及感应通道（224）组成，两个波纹膜片构成的动极片（221）之间放置标准垫片（222），它们被竖立放置在圆形孔槽（21）底部，每个动极片（221）通过隔离膜片（223）和环氧树脂与内凹型螺杆（2）的内壁连接；所述的采集模块（3）是由收发转换单元（31）和分析预警单元（32）组成；所述的收发转换单元（31）是由收发转换元件（311）、敏感电感（312）和电容（313）组成。

2.根据权利要求1所述的谐振式自感知螺栓松动监测装置，其特征在于：所述带孔帽头（1）内由上到下分别为：圆形盖板（11）、螺旋电感线圈（12）；螺旋电感线圈（12）通过绝缘材料（63）和环氧树脂（62）与圆形孔洞（13）内壁粘结固定；圆形盖板（11）与圆形孔洞（13）通过楔形卡扣和防水密封胶（61）连接，并用环氧树脂（62）填充，防止工作过程中雨水侵蚀，保证带孔帽头（1）内部各工作单元的使用寿命。

3.根据权利要求1所述的谐振式自感知螺栓松动监测装置，其特征在于：所述带孔帽头（1）和内凹型螺杆（2）整体采用车削成型，以保证螺栓整体结构的强度和抗疲劳性能；螺旋电感线圈（12）采用预制集成并且通过绝缘材料（63）和环氧树脂（62）与圆形孔洞（13）内壁粘结固定；其余内部单元均采用整体预制。

4.根据权利要求1所述的谐振式自感知螺栓松动监测装置，其特征在于：所述电容元件（22）、螺旋电感线圈（12）和等效电阻（23）电连，共同组成螺栓的谐振回路（4）；收发转换元件（311）、敏感电感（312）、电容（313）、等效电阻（314）和分析预警单元（32）电连，共同组成外部电路（5）。

5.根据权利要求1所述的谐振式自感知螺栓松动监测装置，其特征在于：所述收发转换单元（31）通过收发转换元件（311）发射电磁扫频信号，当扫频信号频率与不同应变下谐振回路（4）本身的谐振频率接近时，收发转换元件（311）与谐振回路（4）之间发生谐振，可以将能量耦合传递并读取螺栓的谐振频率值。

6.根据权利要求1所述的谐振式自感知螺栓松动监测装置，其特征在于：当外界荷载产生变化（螺栓松动或紧固），并作用于内凹型螺杆（2）时，作用力通过内凹型螺杆（2）的微小形变作用于电容元件（22）使得其电容发生变化，继而改变谐振回路（4）的谐振频率，采集模块（3）中的收发转换单元（31）通过近场电磁耦合谐振频率并通过对比初始状态下的谐振频率，获取螺栓的状态。

7.采用权利要求1所述的谐振式自感知螺栓松动监测装置的螺栓松动监测方法，其特征在于：其步骤为：

技术总结
一种谐振式自感知螺栓松动监测装置及螺栓松动监测方法，装置包括带孔帽头、内凹型螺杆、采集模块以及附属结构。带孔帽头是由传统螺帽中心开圆形孔洞，并加入螺旋电感线圈组成；内凹型螺杆是由传统螺杆中心开圆形孔槽，并在底部放置电容元件组成；螺旋电感线圈和电容元件共同组成螺栓谐振回路；采集模块由收发转换单元和分析预警单元组成。方法的步骤为：当外界荷载变化（螺栓松动或紧固），进而改变谐振回路的谐振频率，再对比初始状态分析螺栓的受力情况和松动情况，进行周期性监测。本发明还采用无源无线传输、宇称时间对称、嵌入式，对异常螺栓可及时进行检修或更换，以保证结构的可靠性和安全性。

技术研发人员：李万润,郭艺博,夏浩,王希玮,邵鑫杰,戚伟博,姚建兵,李家富,杜永峰
受保护的技术使用者：兰州理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15