CN109900466A - 一种螺栓或螺母松动监测方法和*** - Google Patents
一种螺栓或螺母松动监测方法和*** Download PDFInfo
- Publication number
- CN109900466A CN109900466A CN201910189479.0A CN201910189479A CN109900466A CN 109900466 A CN109900466 A CN 109900466A CN 201910189479 A CN201910189479 A CN 201910189479A CN 109900466 A CN109900466 A CN 109900466A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- bolt
- nut
- angle
- acceleration
- spin
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 title claims abstract description 80
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 46
- 238000009987 spinning Methods 0.000 claims abstract description 37
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 claims description 127
- 230000005484 gravity Effects 0.000 claims description 23
- 230000011664 signaling Effects 0.000 claims description 20
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 14
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 11
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims description 8
- 230000005389 magnetism Effects 0.000 claims description 4
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 claims description 3
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 claims 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 35
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 14
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 10
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 description 9
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 8
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 8
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 3
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 3
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 3
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 2
- 230000005059 dormancy Effects 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 238000007689 inspection Methods 0.000 description 2
- 238000004080 punching Methods 0.000 description 2
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005119 centrifugation Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000002045 lasting effect Effects 0.000 description 1
- 230000028514 leaf abscission Effects 0.000 description 1
- 238000012797 qualification Methods 0.000 description 1
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 1
Landscapes
- Testing Of Devices, Machine Parts, Or Other Structures Thereof (AREA)
- Measurement Of The Respiration, Hearing Ability, Form, And Blood Characteristics Of Living Organisms (AREA)
Abstract
本发明实施例公开了一种螺栓或螺母松动监测方法及***,该方法包括:通过设置在待监测螺栓和/或螺母上的至少一个MEMS传感器测量所述螺栓和/或螺母的运动参数,根据所述运动参数获得所述螺栓和/或螺母在其自旋转平面上的至少一个自旋无关矢量,计算所述自旋无关矢量与所述螺栓和/或螺母在其自旋转平面上的自旋相关矢量之间的夹角,得到所述螺栓和/或螺母在监测时间段内的总旋出角度或总旋出圈数,根据所述总旋出角度或总旋出圈数,获得所述螺栓和/或螺母的松动监测结果,不影响螺栓或螺母的性能,具有实用性强、成本低、高效、计算简单、耗电量低、应用范围广等优点。
Description
技术领域
本发明实施例涉及工业检测技术领域,具体涉及一种螺栓或螺母松动监测方法和***。
背景技术
采用螺栓或螺母进行紧固安装是一种普遍存在的技术手段和方法,以此来达到固定结构或传动的目的。在一些领域,螺栓或螺母紧固的稳定性涉及到人身和财产安全。例如,汽车轮子上的螺栓或螺母松动会造车轮脱落,甚至造成车毁人亡的事故,风力发电机上的螺栓或螺母松动如果不及时维护会造成叶片脱落,甚至造成风力发电机倒塌事故,因此,对于螺栓或螺母是否紧固牢靠的松动监测极其重要。
现有的螺栓或螺母的松动监测方法有人工巡检法,但是人工巡检低效且不及时。利用电子***的自动定期或在线检测技术,多采用在螺栓或螺母上安装应变检测传感器来实现,该方法技术上可行,但需要特制螺栓或螺母,为了在螺栓或螺母上留出安装应变传感器的空间,甚至需要在螺栓或螺母上打孔来实现,而且受环境温度影响大,造成成本高、应用受限、对螺栓和/或螺母的性能有一定的影响。另外还有利用超声技术检测螺栓或螺母与其安装结构之间的应力变化,该方法受到外界环境影响非常大,比如温度对应力的影响,雨水对超声信号的影响等,实用起来非常困难。还有些技术是在检测到螺栓或螺母旋转到一定角度后,通过机械或电子方法来打开开关,这种方法只能提供有限的开关量输出,不能检测螺栓或螺母的连续旋转角度,如果要求检测状态比较多,传感***会变得复杂,不利于安装。
发明内容
为此,本发明实施例提供一种螺栓或螺母松动监测方法和***,以解决现有的螺栓或螺母松动监测方法受环境温度影响大、监测效果差、成本高、安装和使用不便、应用受限、对螺栓和/或螺母的性能有一定的影响的问题。
为了实现上述目的,本发明实施例提供如下技术方案:
根据本发明实施例的第一方面,提出了一种螺栓或螺母松动监测方法,所述方法包括:
通过设置在待监测螺栓和/或螺母上的至少一个MEMS传感器测量所述螺栓和/或螺母的运动参数,所述MEMS传感器包括至少一个用于测量加速度参数的MEMS加速度传感器和/或至少一个用于测量地磁参数的MEMS地磁传感器;
根据所述运动参数获得所述螺栓和/或螺母在其自旋转平面上的至少一个自旋无关矢量;
计算所述自旋无关矢量与所述螺栓和/或螺母在其自旋转平面上的自旋相关矢量之间的夹角,根据所述夹角得到所述螺栓和/或螺母在监测时间段内的总旋出角度或总旋出圈数,所述自旋相关矢量由所述MEMS传感器的坐标轴经过校准获得;
根据所述总旋出角度或总旋出圈数,获得所述螺栓和/或螺母的松动监测结果。
进一步地,所述方法还包括:
对所述监测时间段内各监测点的夹角的变化信息进行检测;
根据所述夹角的变化信息判断所述螺栓和/螺母的总旋出角度是否大于或等于360°,其中,在相邻监测点的时间间隔内,所述螺栓和/螺母的旋出角度小于360°;
当所述螺栓和/螺母的总旋出角度小于360°时,所述螺栓和/螺母的总旋出角度等于所述夹角的值;
当所述螺栓和/螺母的总旋出角度大于或等于360°时,分析所述夹角的变化信息获得所述螺栓和/螺母每完整自旋转一圈时的信号点,累计所述监测时间段内的全部所述信号点得到信号点总数N,N≥1,所述螺栓和/螺母的总旋出角度等于所述夹角的值与N×360°之和。
进一步地,所述方法还包括:
计算所述螺栓以及与其相配合的螺母分别在其自旋转平面上的自旋无关矢量与自旋相关矢量之间的夹角的差值;
将所述差值减去初始值差值得到所述螺栓以及与其相配合的螺母在监测时间段内的相对旋出角度。
进一步地,所述MEMS传感器还包括至少一个用于测量地磁参数的MEMS地磁传感器,所述地磁参数信息包括地磁方向或磁场强度。
进一步地,所述MEMS传感器还包括至少一个用于测量角速度参数的MEMS陀螺仪。
进一步地,所述加速度参数包括线性加速度、重力加速度或者计算得到的速度或位移参数中的一种或几种。
进一步地,所述自旋无关矢量为与所述螺栓和/或螺母的旋出角度无关的参考矢量,包括重力加速度、向心加速度、离心加速度、角速度、速度、位移或地磁方向。
进一步地,所述MEMS传感器通过粘接、吸附或紧固的方式固定于所述螺栓和/或螺母的表面、内侧或与所述螺栓或螺母形成一个整体。
进一步地,所述螺栓或螺母为旋转紧固的螺栓、螺母或结构,包括具有螺纹紧固特征、旋转抱紧特征或者松动时具有旋转角度变化特征的螺栓、螺母或结构。
根据本发明实施例的第二方面,提出了一种螺栓或螺母松动监测***,所述***包括数据采集模块、数据传输模块、数据处理模块以及电源模块;
所述数据采集模块用于测量所述螺栓和/或螺母的运动参数,所述数据采集模块包括设置在待监测螺栓和/或螺母上的至少一个MEMS传感器,所述MEMS传感器包括至少一个用于测量加速度参数的MEMS加速度传感器和/或至少一个用于测量地磁参数的MEMS地磁传感器;
所述数据传输模块用于所述数据采集模块与数据处理模块之间的数据传输;
所述数据处理模块用于根据所述运动参数获得所述螺栓和/或螺母在其自旋转平面上的至少一个自旋无关矢量,以及计算所述自旋无关矢量与所述螺栓和/或螺母在其自旋转平面上的自旋相关矢量之间的夹角,得到所述螺栓和/或螺母在监测时间段内的总旋出角度或总旋出圈数,所述自旋相关矢量由所述MEMS传感器的坐标轴经过校准获得,并根据所述总旋出角度或总旋出圈数,获得所述螺栓和/或螺母的松动监测结果;
所述电源模块用于供电。
本发明实施例具有如下优点:
本发明实施例提出了一种螺栓或螺母松动监测方法及***,在待监测螺栓或螺母上设置MEMS传感器,采集螺栓或螺母的运动参数,根据运动参数获得螺栓和/或螺母在其自旋转平面上的至少一个自旋无关矢量,通过计算得到自旋无关矢量与螺栓和/或螺母在其自旋转平面上的自旋相关矢量之间的夹角,并得到所述螺栓和/或螺母在监测时间段内的总旋出角度或总旋出圈数,从而对螺栓或螺母的松动状态进行监测,MEMS传感器具有耗电量低、外形小、成本低等优点,将其应用于螺栓或螺母的松动监测,不影响螺栓或螺母的性能,同时具有实用性强、成本低、高效、计算简单、耗电量低、应用范围广等优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案,下面将对实施方式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示例性的,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,还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
本说明书所绘示的结构、比例、大小等,均仅用以配合说明书所揭示的内容,以供熟悉此技术的人士了解与阅读,并非用以限定本发明可实施的限定条件,故不具技术上的实质意义,任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整,在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下,均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。
图1为本发明实施例1提供的对轨道交通工具进行固定的螺栓和/或螺母的松动监测示意图;
图2为本发明实施例1提供的对汽车车轮或发动机叶片进行固定的螺栓和/或螺母的松动监测示意图。
图中:螺栓或螺母1、轨道交通工具2、MEMS加速度传感器3、轮式结构4。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式,熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,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例,都属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例提出的一种螺栓或螺母松动监测方法,该方法包括:
S100、通过设置在待监测螺栓和/或螺母上的至少一个MEMS传感器测量螺栓和/或螺母的运动参数,MEMS传感器包括至少一个用于测量加速度参数的MEMS加速度传感器和/或至少一个用于测量地磁参数的MEMS地磁传感器。加速度参数信息包括线性加速度、重力加速度或者经计算得到的速度或位移参数。地磁参数信息包括地磁方向或磁场强度。
进一步地,MEMS传感器还包括至少一个用于测量角速度参数的MEMS陀螺仪。
进一步地,MEMS传感器通过粘接、吸附或紧固的方式固定于螺栓和/或螺母的表面、内侧或者与螺栓或螺母形成一个整体,作为一个智能螺栓或螺母。
本实施例中提及的螺栓或螺母为旋转紧固的螺栓、螺母或其他结构,包括具有螺纹紧固特征、具有旋转抱紧特征或者松动时具有旋转角度变化特征的螺栓、螺母或其他结构。
S200、根据运动参数获得螺栓和/或螺母在其自旋转平面上的至少一个自旋无关矢量。自旋无关矢量为与螺栓或螺母的旋出角度无关的参考矢量,属于螺栓或螺母或者其紧固件的固有矢量参数,不随旋出角度的变化而变化,包括重力加速度、向心加速度、离心加速度、角速度、速度、位移或地磁方向。
S300、计算自旋无关矢量与螺栓和/或螺母在其自旋转平面上的自旋相关矢量之间的夹角,得到螺栓和/或螺母在监测时间段内的总旋出角度或总旋出圈数,自旋相关矢量由MEMS传感器的坐标轴经过校准获得,与螺栓和/螺母的旋出角度相关。
进一步地,该方法还包括:
S310、对监测时间段内各监测点的夹角的变化信息进行检测。
在监测时间段内设置多个监测点,每个监测点对应计算出一个夹角值,通过连续或间隔性监测,得到一系列监测点的夹角值,在对螺栓和/或螺母的总旋出角度进行计算时需要预先对夹角的变化信息进行分析。
S320、根据夹角的变化信息判断螺栓和/螺母的总旋出角度是否大于或等于360°,其中,在相邻监测点的时间间隔内,螺栓和/螺母的旋出角度小于360°。
由于螺栓或螺母松动时的自旋出速度很慢,在一般的监测点间隔内螺栓或螺母的旋出角度不会超过360°。随着螺栓或螺母的旋出,在其自旋转未超过一圈时,随着监测的进行,夹角的值是在0至360°的区间内逐渐增大的,而当螺栓或螺母的自旋转超过一圈或者达到多圈时,每旋转达到一圈后,夹角的值由前一监测点相对大的值变至后一监测点相对小的值,并再次在0至360°的区间内逐渐增大。
S330、当螺栓和/螺母的总旋出角度小于360°时,螺栓和/螺母的总旋出角度等于夹角的值。在螺栓和/螺母的自旋转未超过一圈时,螺栓和/螺母的总旋出角度等于夹角的值。
S340、当螺栓和/螺母的总旋出角度大于或等于360°时,即螺栓和/螺母的自旋转超过了一圈甚至到达多圈,分析夹角的变化信息获得螺栓和/螺母每完整自旋转一圈时的信号点,累计监测时间段内的全部信号点得到信号点总数N,N≥1,螺栓和/螺母的总旋出角度等于夹角的值与N×360°之和。
S400、根据总旋出角度或总旋出圈数,获得螺栓和/或螺母的松动监测结果。
为了方便理解,下面举例说明该螺栓或螺母松动监测方法的应用,应当可以理解,该实例并不是对上述技术方案的限定。
例如,通过对轨道交通工具进行固定的螺栓和/或螺母的松动监测进行说明,采用MEMS加速度传感器安装在螺栓和/或螺母上。
轨道交通工具具有一定的特性,包括:
(1)长时间运行方向可变,所以地磁参数不能作为参考矢量;但是始终是前向或后向运动,在一个短的检测时间内,其前向或后向运动方向变化微小,可以忽略其方向变化;任何时候,螺栓和/或螺母短时间的加速度、速度、距离矢量始终是在交通工具的前后运行方向上,不因螺栓或螺母的自旋角度变化而变化,作为参考矢量之一;
(2)螺栓或螺母的自旋平面和轨道交通工具的运动方向垂直时,短时间的运行方向、速度、位移矢量与螺栓或螺母的自旋平面垂直,不能作为作为参考矢量,但是轨道交通工具运行的两条轨道是基本上是在一个水平面,所以螺栓或螺母的自旋平面垂直于地面,重力加速度矢量在螺栓或螺母自旋平面的方向不变,不因螺栓或螺母的自旋而变化,作为参考矢量之一。
综上,根据螺栓或螺母的安装方式,确定其自旋平面是否垂直于轨道交通工具的运动方向,选择参考矢量为上述参考矢量之一,软件算法根据重力加速度和螺栓旋转平面的夹角自动判定选择所述参考矢量之一。
1、第一种螺栓或螺母安装方式:螺栓或螺母自旋平面为水平。
如图1所示,螺栓或螺母1安装在轨道交通工具2上,螺栓或螺母1的自旋平面为水平面,MEMS加速度传感器3安装在螺栓或螺母1上,为了方便阐述运算方法,在初始安装时,MEMS加速度传感器3的坐标轴x轴和y轴的轴平面和螺栓和/或螺母自旋平面平行,且MEMS加速度传感器3的x轴和轨道交通工具2的运动方向一致,轨道交通工具2在轨道上运行,轨道交通工具2车轮在轨道上。
在这个示例当中,螺栓或螺母1短时间的加速度、速度、位移矢量始终是在交通工具的前后运行方向上,作为一个参考矢量。
取监测到的MEMS加速度传感器3的x轴和y轴的加速度参数,分别记作Ax和Ay,当螺栓和/或螺母逆时针旋转角度θ时,Ax和Ay即为轨道交通工具或螺栓和/或螺母的加速度分别在MEMS加速度传感器3的坐标轴x和y的轴的分量。则螺栓和/或螺母逆时针旋转角度θ,有如下关系:
由于螺栓和/或螺母松动旋出缓慢,经过持续或间隔性检测,判断螺栓和/或螺母旋出角度是否超过90度,未超过90度时,螺栓和/或螺母的总旋出角度等于θ值,当螺栓和/螺母的总旋出角度大于或等于90度时,分析夹角的变化信息获得螺栓和/螺母每自旋转90度时的信号点,累计监测时间段内的全部信号点得到信号点总数N,螺栓和/螺母的总旋出角度等于夹角的值与N×90°之和,根据螺栓和/螺母的总旋出角度可以进一步计算出螺栓和/或螺母的总旋出圈数。
上述示例中直接使用了加速度来计算螺栓和/或螺母旋出角度,其它的方法比如通过加速度积分出螺栓和/或螺母的运动速度,或二次积分出螺栓和/或螺母的运动距离,同样可以检测出螺栓和/或螺母的旋出角度。
2、第二种螺栓和/或螺母安装方式:螺栓和/或螺母自旋平面和轨道交通工具运动方向垂直。
这种安装方式,选取重力加速度矢量参数来计算螺栓和/或螺母的旋出角度。
为了方便阐述分析,安装MEMS加速度传感器时,使MEMS加速度传感器x轴垂直地面,和重力加速度方向一致,当螺栓和/或螺母旋出时,MEMS加速度传感器会检测到重力加速度在y轴的分量,从而能计算出重力加速度方向相对MEMS加速度传感器x轴的角度,即为螺栓和/或螺母旋出角度。
3、其它安装方式,介于第一种情况和第二种情况之间时。
取MEMS加速度传感器的加速度参数,由于重力加速度是一个直流分量,通过低通滤波获得重力加速度,通过高通滤波获得运动方向上的加速度,分别用上述的第一种安装方式和第二种安装方式时的算法都可以检测螺栓和/或螺母旋出角度。
经过连续或间隔性的监测,由于螺栓和/或螺母松动时的自旋旋出速度非常慢,在监测的间隔时间里面旋转360度的可能性非常小。当螺栓和/或螺母的总旋出角度未超过360度时,螺栓和/或螺母的总旋出角度等于夹角θ值,当螺栓和/螺母的总旋出角度大于或等于360度时,分析夹角的变化信息获得螺栓和/螺母每自旋转完整一圈时的信号点,累计监测时间段内的全部信号点得到信号点总数N,螺栓和/螺母的总旋出角度等于夹角的值与N×360°之和,根据螺栓和/螺母的总旋出角度可以进一步计算出螺栓和/或螺母的总旋出圈数。
下面通过另一举例说明该螺栓或螺母松动监测方法的应用,应当可以理解,该实例并不是对上述技术方案的限定。
例如,通过对汽车车轮或发动机叶片进行固定的螺栓和/或螺母的松动监测进行说明,采用MEMS加速度传感器安装在螺栓和/或螺母上。
如图2所示,螺栓或螺母1安装在轮式结构4上,轮式结构4如汽车车轮或风力发电机叶片,螺栓或螺母1的自旋转平面和轮式结构4的旋转平面平行,MEMS加速度传感器3安装在螺栓或螺母1上,为了方便阐述运算方法,在初始安装时,使MEMS加速度传感器3的坐标轴x轴和y轴的轴平面均和螺栓和/或螺母的自旋转平面平行,且x轴和轮式结构4的旋转圆相切,y轴和轮式结构4的圆心相交。
轮式结构4的旋转面和水平面有一个夹角,也就是在旋转面上有一个重力加速度的分量,在此记作g,由于轮式结构4旋转时,旋转面和水平面的夹角变化很小,比如汽车车轮或风力发电机叶片的旋转面,所以g近似一个常量。在当前时刻下,螺栓或螺母1的当前位置和重力加速度分量g的方向有一个夹角θ,螺栓或螺母1到轮式结构旋转轴心O的距离为r,轮式结构的旋转角速度记为ω。
由于轮式结构旋转,螺栓和/或螺母有一个向心加速度,该加速度的方向始终指向轮式结构旋转的圆心,也就是图中所示y轴负方向。向心加速度是与螺栓和/或螺母旋转角度不相关的矢量参数,作为参考计算螺栓和/或螺母旋出角度。
螺栓和/或螺母的加速度可以分解为向心加速度和切向加速度,向心加速度记作Ay,切向加速度记作Ax,则:
Ay=-g*cos(θ)-ω2*r (1);
Ax=g*sin(θ)+(dω/dt)*r (2);
(1)式中的ω2*r为向心加速度公式,(1)和(2)式中第一项分别为重力加速度在向心方向和切向方向的分量,(2)式中的dω/dt为角加速度,(dω/dt)*r为切向线性加速度,Ay即为MEMS加速度传感器y轴监测到的加速度值,Ax即为MEMS加速度传感器x轴监测到的加速度值。
参考向心加速度方向,当螺栓和/或螺母逆时针自旋转θ′度时,MEMS加速度传感器3同样也逆时针旋转了θ′角度,则MEMS加速度传感器3的坐标轴x和y轴也逆时针旋转了θ′角度记为x’和y’。在检测螺栓和/或螺母的加速度时,仍然是检测MEMS加速度传感器3的坐标轴的信号,则:
Ay′=-g*cos(θ-θ′)-ω2*r*cos(θ′)+(dω/dt)*r*sin(θ′) (3);
Ax′=g*sin(θ-θ′)-ω2*r*sin(θ′)+(dω/dt)*r*cos(θ′) (4);
(3)式和(4)式中第一项分别为重力加速度在MEMS加速度传感器y轴和x轴的分量,(3)式和(4)式中第二项分别为向心加速度在MEMS加速度传感器y轴和x轴的分量,(3)式和(4)式中第三项分别为切向加速度在MEMS加速度传感器y轴和x轴的分量,Ay’即为MEMS加速度传感器y轴监测到的加速度值,Ax’即为MEMS加速度传感器x轴监测到的加速度值。
当轮式结构4周期旋转时,(3)式和(4)式中的第一项为周期信号。
当轮式结构4匀速旋转时,(3)式和(4)式中第一项为固定频率的信号,且(3)式和(4)式中的第二项中角速度是恒定值,半径r是常量,由于螺栓和/或螺母松动时的自旋速度非常慢,在监测的时间段里面,可以忽略θ’的变化,cos(θ′)和sin(θ′)也是一个恒定值,所以(3)式和(4)式中的第二项为恒定值,第三项(dω/dt)*r=0,因此(3)式和(4)式中的第二项是监测到的信号的直流分量。
以下阐述解算θ′的方法:
对螺栓或螺母1进行加速度监测,取MEMS加速度传感器的x轴或y轴的加速度参数,通过高通滤波,去除直流分量后,分析这个信号的周期间隔:(1)如果没有周期信号存在,说明轮式结构静止或运转速度过低;(2)有周期信号存在,周期值变化不稳定,说明轮式结构4加速或减速运行;(3)有周期信号存在,且周期值稳定不变,轮式结构4匀速运转。
取周期值稳定不变的一段时间段的x轴或y轴信号,即为轮式结构4匀速转动的一段信号。y轴信号经过高通滤波后的信号为(3)式中的第一项的信号值,x轴信号经过高通滤波后的信号为(4)式中的第一项的信号值,计算该信号的周期值,进一步计算得到轮式结构4匀速转动的角速度ω。或者通过(3)式或(4)中的第一项表达式,作反函数运算,得到θ-θ′值,再微分得到角速度ω值。
取周期稳定不变的一段时间MEMS加速度传感器3的y轴或x轴的加速度参数,通过低通滤波,去除交流分量后,获得直流分量,为(3)式或(4)中第二项信号值,将角速度ω值和r值代入(3)式或(4)式中的第二项,并由对应的时间点的的直流信号值,计算获得角度θ′。或者由y轴和x轴信号的直流分量,直接计算出向心加速度方向,由其方向和y轴的夹角就是θ′。
经过连续或间隔性的监测,由于螺栓和/或螺母松动时的自旋旋出速度非常慢,在监测的间隔时间里面旋转360度的可能性非常小。当螺栓和/或螺母的总旋出角度未超过360度时,螺栓和/或螺母的总旋出角度等于夹角θ′值,当螺栓和/螺母的总旋出角度大于或等于360度时,分析夹角的变化信息获得螺栓和/螺母每自旋转完整一圈时的信号点,累计监测时间段内的全部信号点得到信号点总数N,螺栓和/螺母的总旋出角度等于夹角的值与N×360°之和,根据螺栓和/螺母的总旋出角度可以进一步计算出螺栓和/或螺母的总旋出圈数。
当轮式结构4是车轮时,其旋转为匀速时,参考地面有一个匀速的前进的速度,在匀速运行的***当中,该匀速前进的速度不影响上述分析计算,当轮式结构受到地面冲击等时,该冲击是高速的非周期冲击,反应到信号上是高出重力加速度分量的周期信号频率的信号,可以用更高的截至频率的低通滤波器滤除冲击信号,不影响上述分析。
比如汽车18寸(457.2mm)直径轮胎,也就是周长约1.43米,加入汽车行驶速度100公里/小时,则为27.8米/秒,27.8/1.43=19.4圈/秒。由式(3)的第一项可知,其周期信号的周期频率等于轮式结构4旋转一圈的时间,也就是其信号频率等于19.4Hz,这个频率大大低于冲击振动的频率,冲击振动的评论通常会达到几KHz频率,因此可以经过低通滤波滤掉冲击振动信号。
上述分析当中,螺栓或螺母1的自旋转平面和轮式结构4的旋转平面平行,而当螺栓或螺母1的自旋转平面和轮式结构4的旋转平面有一个小于90度的夹角时,可使用三轴MEMS加速度传感器,通过软件校准,将螺栓或螺母1的自旋平面的加速度校准到轮式结构4的旋转平面,同样可以达到检测螺栓和/或螺母旋出角度的效果。
上述分析当中,螺栓或螺母1上的MEMS加速度传感器在初始安装时,y轴和螺栓或螺母1的向心加速度方向上重合,而当初始安装时,若y轴和螺栓或螺母1的向心加速度方向有一个夹角时,可以通过软件校准获得一个初始夹角。
上述分析当中,螺栓或螺母1的自旋平面和轮式结构4的旋转平面平行或有一个小于90度的夹角,参考矢量为螺栓和/或螺母的向心加速度,而当螺栓或螺母1的自旋平面和轮式结构4的旋转平面垂直时,也就是90度夹角时,则参考螺栓和/或螺母的切向加速度矢量,该矢量在螺栓和/或螺母的自旋转平面上。使用三轴MEMS加速度传感器,通过上述方法,同样可以筛选出轮式结构4匀速旋转时间段的信号,该时间段内,螺栓和/或螺母的切向加速度值的直流分量为恒定值0,并通过螺栓和/或螺母自旋平面中的x轴和z轴的直流分量,同样可以检测到螺栓和/或螺母的旋出角度。
上述分析当中,轮式结构4的旋转平面和重力加速度平行或者有一个小于90度的夹角,当轮式结构4的旋转平面为水平,和重力加速度垂直时,不能使用上述的重力加速度分量g来分析轮式结构4的旋转状态,可以在螺栓和/或螺母上增加MEMS地磁传感器,通过MEMS地磁传感器检测地磁场的方向的变化,同样可以分析出轮式结构4的旋转状态和角速度。
上述分析当中,通过重力加速度或者MEMS地磁传感器来分析轮式结构4的旋转角速度时,可以通过增加MEMS陀螺仪来辅助检测轮式结构4的角速度,同样可以分析出轮式结构的匀速转动状态。
上述分析当中,轮式结构是旋转的,当轮式结构4不是旋转的,而是静态的或平移运动时,若螺栓和/或螺母的自旋平面和重力加速度有小于90度夹角时,通过参考重力加速度矢量参数计算出螺栓和/或螺母旋出角度;若螺栓和/或螺母的自旋平面为水平时,参考MEMS地磁传感器的地磁矢量参数,计算出螺栓和/或螺母旋出角度。
进一步地,该方法还包括:
S350、计算螺栓以及与其相配合的螺母分别在其自旋转平面上的自旋无关矢量与自旋相关矢量之间的夹角的差值;
S360、将差值减去初始值差值得到螺栓以及与其相配合的螺母在监测时间段内的相对旋出角度。
为了方便理解,下面通过再一举例说明该螺栓或螺母松动监测方法的应用,应当可以理解,该实例并不是对上述技术方案的限定。
例如,通常两个结构是通过多个螺栓和与之配对的螺母来紧固,为便于阐述,选取一个螺栓和与该螺栓紧固的螺母,由于螺母紧固在螺栓上,螺栓和螺母近似为一个点,同一时刻,螺栓和螺母具有同样的加速度,加速度与螺栓或螺母的旋转角度不相关,是螺栓或螺母的固有属性,自旋无关参数信息为加速度,旋选择加速度作为参考矢量。
选取螺栓在其旋转平面上的加速度矢量和螺母在其自旋转平面的加速度矢量作为参考矢量,由于螺栓的自旋转平面和螺母的自旋转平面是平行的,所以同一时刻,螺栓在其自旋转平面上的加速度和螺母在其自旋转平面的加速度值矢量的方向相同。通过在螺栓和螺母上分别安装一个MEMS加速度传感器,分别检测螺栓和螺母在其旋转平面的加速度。
同一时刻,螺栓旋转平面的加速度和螺栓上MEMS加速度传感器在螺栓旋转平面的坐标参考轴有一个夹角θ1即为螺栓的旋出角度,螺母旋转平面的加速度和螺母上MEMS加速度传感器在螺母旋转平面的坐标参考轴有一个夹角θ2,即为螺母的旋出角度,螺栓和螺母的旋出角度差值公式如下:
θ1-θ2=Δθ;
当螺栓和螺母紧固时,由于螺栓上的MEMS加速度传感器和螺母上的MEMS加速度传感器的安装角度的差异,因此Δθ有一个初始值Δθ初,当螺栓或螺母松动时,或者两者均松动时,螺栓和/或螺母有一个旋出角度,计算Δθ与Δθ初的差值,即为螺栓和螺母的相对旋出角度。
经过连续或间隔性的监测,由于螺栓和螺母松动时的自旋旋出速度非常慢,在监测的间隔时间里面旋转360度的可能性非常小。当螺栓和螺母的总旋出角度未超过360度时,螺栓和螺母的总旋出角度分别等于夹角θ1和θ2值,当螺栓和/螺母的总旋出角度大于或等于360度时,分析夹角的变化信息获得螺栓和/螺母每自旋转完整一圈时的信号点,累计监测时间段内的全部信号点得到信号点总数N,螺栓和/螺母的总旋出角度等于夹角的值与N×360°之和,根据螺栓和/螺母的总旋出角度之差得到螺栓和螺母的相对旋出角度,并可以进一步计算出螺栓和/或螺母的相对旋出圈数。
实施例2
与上述实施例1相对应的,本实施例还提出了一种螺栓或螺母松动监测***,该***包括数据采集模块、数据传输模块、数据处理模块以及电源模块。
数据采集模块包括包括设置在待监测螺栓和/或螺母上的至少一个MEMS传感器,MEMS传感器包括至少一个用于测量加速度参数的MEMS加速度传感器,数据采集模块用于测量螺栓和/或螺母的运动参数。
数据传输模块用于数据采集模块与数据处理模块之间的数据传输,通过有线或无线方式收发数据。
数据处理模块用于根据运动参数获得螺栓和/或螺母在其自旋转平面上的至少一个自旋无关矢量,以及计算自旋无关矢量与螺栓和/或螺母在其自旋转平面上的自旋相关矢量之间的夹角,根据夹角得到螺栓和/或螺母在监测时间段内的总旋出角度或总旋出圈数,自旋相关矢量由MEMS传感器的坐标轴经过校准获得,根据总旋出角度或总旋出圈数,获得螺栓和/或螺母的松动监测结果。
数据处理模块还可以为远程数据处理模块,数据传输模块采用远程有线或无线数据传输方式。数据传输模块可设置于螺栓和/或螺母上和传感器成为一体,或者设置于数据传输模块上,还可以远程设置于服务器或云端。
电源模块用于供电。以上各实例当中,传感器的耗电量是很低的,通常一个带无线收发器的数据传输模块,比如蓝牙,加上传感器的的电流需要10mA,休眠功耗1uA,电压3V,MEMS传感器的电流通常是几个毫安级以下(设为10mA),休眠电流时1uA左右,而检测一次的时间只需要几秒钟时间,需要被测螺栓和/或螺母运动时检测的情况下,使用MEMS加速度传感器的检测中断来唤醒模块工作,能快速的完成一次检测。由于螺栓和/或螺母松动得很慢,通常要几个月才有一定的松动角度,因此检测周期可以比较长,比如一天检测一次就足够。按照以上条件,取一次检测10秒钟,一天检测一次,则传感器的平均电流为(10mA+10mA)*10秒/(24小时*3600秒)=2.32uA,加上休眠功耗1uA+1uA=2uA,则一节3V纽扣电池电量500mAh,按照电量计算可以供传感器工作13年。
本发明实施例提供的一种螺栓或螺母松动监测***中各部件所执行的功能均已在实施例1所提供的一种螺栓或螺母松动监测方法中做了详细说明,这里将不再赘述。
虽然,上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述,但在本发明基础上,可以对之作一些修改或改进,这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此,在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进,均属于本发明要求保护的范围。
Claims (10)
1.一种螺栓或螺母松动监测方法,其特征在于,所述方法包括:
通过设置在待监测螺栓和/或螺母上的至少一个MEMS传感器测量所述螺栓和/或螺母的运动参数,所述MEMS传感器包括至少一个用于测量加速度参数的MEMS加速度传感器和/或至少一个用于测量地磁参数的MEMS地磁传感器;
根据所述运动参数获得所述螺栓和/或螺母在其自旋转平面上的至少一个自旋无关矢量;
计算所述自旋无关矢量与所述螺栓和/或螺母在其自旋转平面上的自旋相关矢量之间的夹角,根据所述夹角得到所述螺栓和/或螺母在监测时间段内的总旋出角度或总旋出圈数,所述自旋相关矢量由所述MEMS传感器的坐标轴经过校准获得;
根据所述总旋出角度或总旋出圈数,获得所述螺栓和/或螺母的松动监测结果。
2.根据权利要求1所述的一种螺栓或螺母松动监测方法,其特征在于,所述方法还包括:
对所述监测时间段内各监测点的夹角的变化信息进行检测;
根据所述夹角的变化信息判断所述螺栓和/螺母的总旋出角度是否大于或等于360°,其中,在相邻监测点的时间间隔内,所述螺栓和/螺母的旋出角度小于360°;
当所述螺栓和/螺母的总旋出角度小于360°时,所述螺栓和/螺母的总旋出角度等于所述夹角的值;
当所述螺栓和/螺母的总旋出角度大于或等于360°时,分析所述夹角的变化信息获得所述螺栓和/螺母每完整自旋转一圈时的信号点,累计所述监测时间段内的全部所述信号点得到信号点总数N,N≥1,所述螺栓和/螺母的总旋出角度等于所述夹角的值与N×360°之和。
3.根据权利要求1所述的一种螺栓或螺母松动监测方法,其特征在于,所述方法还包括:
计算所述螺栓以及与其相配合的螺母分别在其自旋转平面上的自旋无关矢量与自旋相关矢量之间的夹角的差值;
将所述差值减去初始值差值得到所述螺栓以及与其相配合的螺母在监测时间段内的相对旋出角度。
4.根据权利要求1所述的一种螺栓或螺母松动监测方法,其特征在于,所述地磁参数信息包括地磁方向或磁场强度。
5.根据权利要求1所述的一种螺栓或螺母松动监测方法,其特征在于,所述MEMS传感器还包括至少一个用于测量角速度参数的MEMS陀螺仪。
6.根据权利要求1所述的一种螺栓或螺母松动监测方法,其特征在于,所述加速度参数包括线性加速度、重力加速度或者计算得到的速度或位移参数中的一种或几种。
7.根据权利要求1所述的一种螺栓或螺母松动监测方法,其特征在于,所述自旋无关矢量为与所述螺栓和/或螺母的旋出角度无关的参考矢量,包括重力加速度、向心加速度、离心加速度、角速度、速度、位移或地磁方向。
8.根据权利要求1所述的一种螺栓或螺母松动监测方法,其特征在于,所述MEMS传感器通过粘接、吸附或紧固的方式固定于所述螺栓和/或螺母的表面、内侧或与所述螺栓或螺母形成一个整体。
9.根据权利要求1所述的一种螺栓或螺母松动监测方法,其特征在于,所述螺栓或螺母为旋转紧固的螺栓、螺母或结构,包括具有螺纹紧固特征、旋转抱紧特征或者松动时具有旋转角度变化特征的螺栓、螺母或结构。
10.一种螺栓或螺母松动监测***,其特征在于,所述***包括数据采集模块、数据传输模块、数据处理模块以及电源模块;
所述数据采集模块用于测量所述螺栓和/或螺母的运动参数,所述数据采集模块包括设置在待监测螺栓和/或螺母上的至少一个MEMS传感器,所述MEMS传感器包括至少一个用于测量加速度参数的MEMS加速度传感器和/或至少一个用于测量地磁参数的MEMS地磁传感器;
所述数据传输模块用于所述数据采集模块与数据处理模块之间的数据传输;
所述数据处理模块用于根据所述运动参数获得所述螺栓和/或螺母在其自旋转平面上的至少一个自旋无关矢量,以及计算所述自旋无关矢量与所述螺栓和/或螺母在其自旋转平面上的自旋相关矢量之间的夹角,根据所述夹角得到所述螺栓和/或螺母在监测时间段内的总旋出角度或总旋出圈数,所述自旋相关矢量由所述MEMS传感器的坐标轴经过校准获得,并根据所述总旋出角度或总旋出圈数,获得所述螺栓和/或螺母的松动监测结果;
所述电源模块用于供电。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201910189479.0A CN109900466B (zh) | 2019-03-13 | 2019-03-13 | 一种螺栓或螺母松动监测方法和*** |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201910189479.0A CN109900466B (zh) | 2019-03-13 | 2019-03-13 | 一种螺栓或螺母松动监测方法和*** |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN109900466A true CN109900466A (zh) | 2019-06-18 |
CN109900466B CN109900466B (zh) | 2020-10-23 |
Family
ID=66952096
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN201910189479.0A Active CN109900466B (zh) | 2019-03-13 | 2019-03-13 | 一种螺栓或螺母松动监测方法和*** |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN109900466B (zh) |
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN110410283A (zh) * | 2019-07-29 | 2019-11-05 | 浙江未来技术研究院(嘉兴) | 一种螺栓或螺母紧固状态监测方法及*** |
CN111976737A (zh) * | 2020-09-03 | 2020-11-24 | 摩登汽车有限公司 | 汽车的车轮松动监测***及汽车 |
CN112097706A (zh) * | 2020-08-24 | 2020-12-18 | 中国大唐集团科学技术研究院有限公司西北电力试验研究院 | 一种风电塔筒法兰螺栓松动实时监测***及预警方法 |
CN115995062A (zh) * | 2023-03-22 | 2023-04-21 | 成都唐源电气股份有限公司 | 一种接触网电联接线线夹螺母异常识别方法及*** |
WO2024024732A1 (ja) * | 2022-07-27 | 2024-02-01 | 株式会社東海理化電機製作所 | 検出装置および検出方法 |
WO2024024731A1 (ja) * | 2022-07-27 | 2024-02-01 | 株式会社東海理化電機製作所 | 検出装置、状態検出装置、および、検出方法 |
Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN101886927A (zh) * | 2010-06-25 | 2010-11-17 | 武汉大学 | 基于惯性传感器和地磁传感器的三维运动跟踪***与方法 |
KR101229933B1 (ko) * | 2012-04-04 | 2013-02-05 | 방병덕 | 모니터의 스탠드 구조 |
CN104614775A (zh) * | 2015-02-25 | 2015-05-13 | 云南酷联科技有限公司 | 一种螺栓松动在线监测装置 |
CN104613876A (zh) * | 2015-01-30 | 2015-05-13 | 华东理工大学 | 一种法兰偏转角监测*** |
CN106525315A (zh) * | 2016-12-01 | 2017-03-22 | 合肥国轩高科动力能源有限公司 | 一种螺栓紧固状态的检测方法 |
PL3040701T3 (pl) * | 2014-12-12 | 2018-08-31 | Innogy Se | Sposób monitorowania lub kontrolowania naprężenia wstępnego trzpienia śruby na dynamicznie obciążanych połączeniach śrubowych |
CN110410283A (zh) * | 2019-07-29 | 2019-11-05 | 浙江未来技术研究院(嘉兴) | 一种螺栓或螺母紧固状态监测方法及*** |
-
2019
- 2019-03-13 CN CN201910189479.0A patent/CN109900466B/zh active Active
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN101886927A (zh) * | 2010-06-25 | 2010-11-17 | 武汉大学 | 基于惯性传感器和地磁传感器的三维运动跟踪***与方法 |
KR101229933B1 (ko) * | 2012-04-04 | 2013-02-05 | 방병덕 | 모니터의 스탠드 구조 |
PL3040701T3 (pl) * | 2014-12-12 | 2018-08-31 | Innogy Se | Sposób monitorowania lub kontrolowania naprężenia wstępnego trzpienia śruby na dynamicznie obciążanych połączeniach śrubowych |
CN104613876A (zh) * | 2015-01-30 | 2015-05-13 | 华东理工大学 | 一种法兰偏转角监测*** |
CN104614775A (zh) * | 2015-02-25 | 2015-05-13 | 云南酷联科技有限公司 | 一种螺栓松动在线监测装置 |
CN106525315A (zh) * | 2016-12-01 | 2017-03-22 | 合肥国轩高科动力能源有限公司 | 一种螺栓紧固状态的检测方法 |
CN110410283A (zh) * | 2019-07-29 | 2019-11-05 | 浙江未来技术研究院(嘉兴) | 一种螺栓或螺母紧固状态监测方法及*** |
Cited By (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN110410283A (zh) * | 2019-07-29 | 2019-11-05 | 浙江未来技术研究院(嘉兴) | 一种螺栓或螺母紧固状态监测方法及*** |
CN112097706A (zh) * | 2020-08-24 | 2020-12-18 | 中国大唐集团科学技术研究院有限公司西北电力试验研究院 | 一种风电塔筒法兰螺栓松动实时监测***及预警方法 |
CN111976737A (zh) * | 2020-09-03 | 2020-11-24 | 摩登汽车有限公司 | 汽车的车轮松动监测***及汽车 |
CN111976737B (zh) * | 2020-09-03 | 2024-03-19 | 摩登汽车有限公司 | 汽车的车轮松动监测***及汽车 |
WO2024024732A1 (ja) * | 2022-07-27 | 2024-02-01 | 株式会社東海理化電機製作所 | 検出装置および検出方法 |
WO2024024731A1 (ja) * | 2022-07-27 | 2024-02-01 | 株式会社東海理化電機製作所 | 検出装置、状態検出装置、および、検出方法 |
CN115995062A (zh) * | 2023-03-22 | 2023-04-21 | 成都唐源电气股份有限公司 | 一种接触网电联接线线夹螺母异常识别方法及*** |
CN115995062B (zh) * | 2023-03-22 | 2023-08-04 | 西南交通大学 | 一种接触网电联接线线夹螺母异常识别方法及*** |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN109900466B (zh) | 2020-10-23 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN109900466A (zh) | 一种螺栓或螺母松动监测方法和*** | |
CN101545824B (zh) | 一种机械塔架故障诊断方法 | |
US8352210B2 (en) | Multiple accelerometer apparatus for counting rotations of an object, and methods of use | |
CN110410283A (zh) | 一种螺栓或螺母紧固状态监测方法及*** | |
US6940940B2 (en) | Electronic hubodometer | |
CN105109490B (zh) | 一种基于三轴加速度传感器判断车辆急转弯的方法 | |
CN103743921B (zh) | 基于惯性传感器的自适应转速测量***及方法 | |
JP6695105B2 (ja) | 風力発電装置の状態監視装置 | |
CN110345019B (zh) | 一种风力发电机叶片紧固螺栓健康状态的检测方法及*** | |
JP4913316B2 (ja) | 歩数演算装置 | |
CN101545459B (zh) | 风力发电机塔架运行状态监控装置 | |
CN108313846A (zh) | 一种基于陀螺仪的电梯平台测速***和方法 | |
CN106199056A (zh) | 一种架空输电线路走廊的分布式风速在线监测方法 | |
CN202119429U (zh) | 一种基于物联网的倾斜震动在线检测装置 | |
CN107685773A (zh) | 一种汽车轮胎偏转角度测量装置及测量方法 | |
CN202903327U (zh) | 一种泥石流地声监测装置 | |
CN203629581U (zh) | 基于惯性传感器的自适应转速测量*** | |
Zhu et al. | Practical design of an energy harvester considering wheel rotation for powering intelligent tire systems | |
CN110132490B (zh) | 一种行驶车辆车轮动平衡检测*** | |
Mones et al. | Planetary gearbox fault diagnosis using an on-rotor MEMS accelerometer | |
CN108458682A (zh) | 一种用于地质灾害群测群防裂缝监测装置及方法 | |
CN105954533A (zh) | 一种车辆轮速测量装置及车辆 | |
CN113252071B (zh) | 一种基于双光纤陀螺的临界角加速度测试***及测试方法 | |
Yan et al. | Attitude measurement of driver's head based on accelerometer and magnetoresistive sensor | |
CN111337707B (zh) | 高速采集型无线转速测试模块及其测速方法 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20200228 Address after: 314000 room 705, building 1, No. 152, Huixin Road, Daqiao Town, Nanhu District, Jiaxing City, Zhejiang Province Applicant after: Jiaxing Broadsens Technology, Ltd. Address before: 423000 Qingyuan, Mine 5, Nanling Avenue, Yongquan Street, Beihu District, Chenzhou City, Hunan Province, A Unit 503 Applicant before: Liu Xingxing |
|
TA01 | Transfer of patent application right | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |