CN113125132B - 基于双层基板贴片天线的螺栓松动传感装置、***和方法 - Google Patents

基于双层基板贴片天线的螺栓松动传感装置、***和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于双层基板贴片天线的螺栓松动传感装置、***和方法，用于检测螺栓是否发生松动，该装置包括RFID标签和装配单元，所述的RFID标签包括上层组件和下层组件，所述的上层组件包括上层基板以及分别设置于上层基板上，且通过微带线相互连接的上层贴片和芯片，所述的下层组件包括下层基板以及设置于下层基板上的地平面，所述的上层贴片、上层基板、下层基板和地平面由上至下依次设置，形成贴片天线，所述的上层组件通过装配单元固定设置于螺栓的头部，所述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，所述的芯片中存储螺栓的位置信息，与现有技术相比，本发明具有成本低、使用范围广等优点。

Description

基于双层基板贴片天线的螺栓松动传感装置、***和方法
技术领域
本发明涉及螺栓松动监测领域，尤其是涉及一种基于双层基板贴片天线的螺栓松动传感装置、***和方法。
背景技术
螺栓是工程中常用的连接件，把结构的各部分连接到一起，并在部件之间传递作用力。采用螺栓连接的结构，常常出现螺栓松动的问题，引起结构关键部位甚至结构整体的失效，进而导致严重的生命财产损失。因此对于采用螺栓连接的结构，有必要进行螺栓松动监测，以便及时了解螺栓状态，最大程度地减少灾难性事故的发生。
目前，常用的螺栓监测技术有三类，分别为：基于振动的监测技术、基于机电阻抗的监测技术和基于导波的监测技术。
基于振动的螺栓监测技术，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监测技术通过监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，从而可以通过监测电阻抗变化来判断螺栓预紧力的变化。但该监测技术的监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监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，是一种有效的无损监测方法。但该方法对测量设备的要求较高，难以大范围应用。
发明内容
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一种精确度高、实用性强的基于双层基板贴片天线的螺栓松动传感装置、***和方法，可以降低螺栓松动的监测成本，实现对大范围的螺栓的状态进行无源无线监测。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于双层基板贴片天线的螺栓松动传感装置，用于检测螺栓工作状态，包括RFID标签和装配单元，所述的RFID标签包括上层组件和下层组件，所述的上层组件包括上层基板以及分别设置于上层基板上，且通过微带线相互连接的上层贴片和芯片，所述的下层组件包括下层基板以及设置于下层基板上的地平面，所述的上层贴片、上层基板、下层基板和地平面由上至下依次设置，形成贴片天线，所述的上层组件通过装配单元固定设置于螺栓的头部，所述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，所述的芯片中携带RFID标签的编码和位置信息；
检测螺栓是否发生松动时，通过检测该装置贴片天线的谐振频率，判断下层组件是否随螺栓螺杆长度的变化沿螺栓轴向发生了位移，实现对螺栓工作状态的检测。
进一步地，所述的装配单元包括固定导向环和连接杆，所述的固定导向环固定设置于螺栓的头部，所述的上层基板和下层基板分别套设于固定导向环内，所述的连接杆一端与螺栓螺杆的尾部固定连接，另一端与下层组件固定连接，用于将螺栓螺杆的长度变化转化为下层组件的位移变化。
进一步优选地，所述的上层基板和下层基板的为圆形基板，其沿圆周分别开设多个缺口，所述的固定导向环的内圈沿圆周设置多个凸起，所述的缺口与凸起相互对配，对下层组件的移动起导向作用。
进一步优选地，所述的螺栓为轴向开孔螺栓，其沿轴向开设通孔，所述的连接杆穿设于该通孔中。
优选地，所述的上层贴片、微带线和地平面的材料为黄铜，所述的上层基板和下层基板的材料为FR4。
优选地，所述的上层贴片打印于上层基板上，所述的地平面打印于下层基板上。
一种基于双层基板贴片天线的螺栓松动传感***，包括RFID位移传感器和RFID阅读器，所述的RFID位移传感器为如所述的螺栓松动传感装置，所述的RFID阅读器与芯片相互配合，用于激活芯片，检测贴片天线的谐振频率，并读取螺栓的位置信息。
进一步地，所述的RFID阅读器通过寻找激活芯片的最小发射功率达到最小值时的发射频率，检测得到RFID标签中贴片天线的谐振频率。
更进一步地，所述的RFID阅读器激活芯片后，所述的RFID标签中的贴片天线产生电流并发射出RFID标签的编码和位置信息的电磁波信号，所述的RFID阅读器接收电磁波信号，并结合检测得到的贴片天线的谐振频率，通过数据处理得到螺栓的位置信息和工作状态信息。
一种使用如权利要求所述的基于双层基板贴片天线的螺栓松动传感***的螺栓松动检测方法，包括以下步骤：
S1：所述的RFID阅读器以不同的频率向任一螺栓对应的RFID标签发射调制过的电磁波信号；
S2：寻找激活芯片的最小发射功率达到最小值时，RFID阅读器的发射频率，将该发射频率作为RFID标签中贴片天线的谐振频率；
S3：判断该RFID标签中贴片天线的谐振频率是否发生谐振频率漂移，若是，则该RFID标签对应的螺栓发生松动；
S4：所述的RFID阅读器激活芯片后，读取该RFID标签中贴片天线发送的电磁波信号，获取螺栓的位置信息，定位发生松动螺栓的位置。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
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***，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；
2)本发明中当螺栓预紧力发生变化时，会产生明显的谐振频率漂移，使得贴片天线谐振频率的漂移量和螺杆长度变化在固定范围内有较为明确的关系，可以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***的适用性和准确性；
3)本发明采用RFID标签，是一种无源无线的传感器，不需要通过预装电池或者馈电线进行能量输入，而是通过接收发射天线的电磁波进行能源输入，减少了传感器安装的劳动力以及传感***的成本；同时不需要额外的馈电线进行数据传输，仅通过上层组件和下层组件之间缝隙变化而使天线谐振频率发生线性漂移，本发明使用者可以通过阅读器无源无线获取天线谐振频率的改变量，进而推算出组件一与组件二之间缝隙高度的改变量，从而确定螺栓的受力状态，通过电磁波进行信息传输，使传感***更加简单，布置更加灵活，在自然灾害下更不容易失效；
4)本发明芯片可以存储贴片天线的ID、位置等简单信息，该信息可由阅读器捕获，进而实现松动螺栓的快速定位，适用于对局部螺栓松动情况的精确检测。
附图说明
图1为螺栓松动监测***示意图；
图2为螺栓松动监测装置剖面图；
图3为上层组件的结构示意图；
图4为下层组件的结构示意图；
图5为固定导向环的结构示意图；
图6为RFID标签的装配结构示意图。
1、RFID标签，2、RFID阅读器，3、螺栓，4、固定导向环，5、连接杆，6、上层基板，7、下层基板，8、上层贴片，9、微带线，10、芯片，11、地平面。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。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的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
实施例
如图1所示，本发明公开了一种基于双层基板贴片天线的螺栓松动传感***，包括RFID位移传感器和RFID阅读器2，RFID位移传感器为螺栓松动传感装置，可以实现无需外部有线电源的螺栓长度变化测量。
如图2-图6所示，螺栓松动传感装置包括RFID标签1和装配单元，RFID标签1包括上层组件和下层组件，上层组件包括上层基板6以及分别设置于上层基板6上，且通过微带线9相互连接的上层贴片8和芯片10，下层组件包括下层基板7以及设置于下层基板7上的地平面11，上层贴片8、上层基板6、下层基板7和地平面11由上至下依次设置，形成贴片天线，上层组件通过装配单元固定设置于螺栓3的头部，下层组件通过装配单元能够随螺栓3螺杆长度的变化，沿螺栓3轴向移动，芯片10中携带RFID标签1的编码和位置信息。
装配单元包括固定导向环4和连接杆5，固定导向环4固定设置于螺栓3的头部，上层基板6和下层基板7分别套设于固定导向环4内，连接杆5一端与螺栓3螺杆的尾部固定连接，另一端与下层组件固定连接，用于将螺栓3螺杆的长度变化转化为下层组件的位移变化。
上层基板6和下层基板7的为圆形基板，其沿圆周分别开设多个缺口，固定导向环4的内圈沿圆周设置多个凸起，缺口与凸起相互对配，对下层组件的移动起导向作用，本实施例中，缺口和凸起分别设置三个，螺栓3为轴向开孔螺栓，其沿轴向开设通孔，连接杆5穿设于该通孔中，上层贴片8、微带线9和地平面11的材料可以采用黄铜，上层贴片8为圆形，地平面11与下层基板7形状尺寸相同，上层基板6和下层基板7的材料可以采用FR4，上层贴片8打印于上层基板6上，地平面11打印于下层基板7上，固定导向环4的高度大于双层基板贴片天线的上层组件与下层组件高度的和，上层组件的上表面与固定导向环4的上表面平齐，基板材料也可以根据实际需求更换，上层组件和下层组件的尺寸，上层贴片8的形状以及连接杆5长度等可以根据不同规格的螺栓进行优化，以达到最佳的精度和测试范围。
该装置用于检测螺栓3工作状态的原理为：螺栓3受力会引起螺杆长度的变化，该长度变化会通过连接杆5转化为双层基板贴片天线的上层基板6和下层基板7之间的缝隙变化，当上层基板6和下层基板7之间的缝隙变大时，整个双层基板贴片天线的有效介电常数发生变化，进而导致贴片天线谐振频率发生变化，引起贴片天线谐振频率漂移，根据漂移值可确定螺栓的工作状态，判断其是否松动。
RFID阅读器2以不同的频率向RFID标签1发射调制过的电磁波信号，当RFID标签1接收到的信号功率达到阈值时，RFID标签1中的芯片10即可被激活，激活芯片10所需要的RFID阅读器2最小发射功率与RFID阅读器2所发射信号频率有关，当RFID阅读器2以RFID标签1中部分重叠扇环形贴片天线的谐振频率为发射信号时，激活芯片10所需的最小发射功率最小。
因此通过寻找使最小发射功率达到最小值的发射频率，即可确定出RFID标签1中贴片天线的谐振频率，而芯片10中携带RFID标签1的编码和位置信息，RFID标签1中的芯片10被激活后，贴片天线会产生电流并发射出带有RFID标签编号和位置信息的电磁波信号，该信号和确定的贴片天线的谐振频率被RFID阅读器2接收并处理后，可以得到螺栓3的位置和所处状态的信息。
利用RFID阅读器2向RFID标签发射调制的电磁波信号，可以识别该RFID标签1的编码，当RFID阅读器2扫描范围布置多个RFID标签1时，RFID阅读器2可以根据各RFID标签1的编码，标记各个测点的螺栓状态，并快速定位已经松动的螺栓3。
本发明还给出一种使用基于双层基板贴片天线的螺栓松动传感***的螺栓松动检测方法，包括以下步骤：
S1：RFID阅读器2以不同的频率向任一螺栓3对应的RFID标签1发射调制过的电磁波信号；
S2：寻找激活芯片10的最小发射功率达到最小值时，RFID阅读器2的发射频率，将该发射频率作为RFID标签1中贴片天线的谐振频率；
S3：判断该RFID标签1中贴片天线的谐振频率是否发生谐振频率漂移，若是，则该RFID标签1对应的螺栓3发生松动；
S4：RFID阅读器2激活芯片10后，读取该RFID标签1中贴片天线发送的电磁波信号，获取螺栓3的位置信息，定位发生松动螺栓的位置。
具体实施过程如下：
1、螺栓3受力会引起螺杆长度的变化，该长度变化会通过连接杆5转化为双层基板贴片天线的上下层基板之间的缝隙变化，进而整个双层基板贴片天线的有效介电常数发生变化，引起天线谐振频率的变化，使天线谐振频率发生线性漂移。
2、RFID阅读器2以不同的频率向RFID标签1发射调制过的电磁波信号，当RFID标签1接收到的信号功率达到阈值时，RFID标签1中的芯片10即可被激活，激活所需的最小发射频率与阅读器所发射信号频率有关，当RFID阅读器2以RFID标签1中部分重叠扇环形贴片天线的谐振频率为发射信号时，激活芯片10所需的最小发射功率最小。因此首先通过寻找使最小发射功率达到最小值的发射频率，确定出RFID标签1中贴片天线的谐振频率，通过获取贴片天线谐振频率的改变量，进而推算出上层组件与下层组件之间缝隙高度的改变量，从而确定螺栓3的受力状态，以此推算螺栓3的连接状态，获得完整的螺栓工作状态的信息。
3、RFID标签1中的芯片10被激活后，RFID标签1中的天线会产生电流并发射出带有RFID标签1编号和位置信息的电磁波信号，该信号被RFID阅读器2接收并处理后可以得到螺栓的位置和工作状态的信息。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于双层基板贴片天线的螺栓松动传感装置，用于检测螺栓(3)工作状态，其特征在于，包括RFID标签(1)和装配单元，所述的RFID标签(1)包括上层组件和下层组件，所述的上层组件包括上层基板(6)以及分别设置于上层基板(6)上，且通过微带线(9)相互连接的上层贴片(8)和芯片(10)，所述的下层组件包括下层基板(7)以及设置于下层基板(7)上的地平面(11)，所述的上层贴片(8)、上层基板(6)、下层基板(7)和地平面(11)由上至下依次设置，形成贴片天线，所述的上层组件通过装配单元固定设置于螺栓(3)的头部，所述的下层组件通过装配单元能够随螺栓(3)螺杆长度的变化，沿螺栓(3)轴向移动，所述的芯片(10)中携带RFID标签(1)的编码和位置信息；
检测螺栓(3)是否发生松动时，通过检测该装置贴片天线的谐振频率，判断下层组件是否随螺栓(3)螺杆长度的变化沿螺栓(3)轴向发生了位移，实现对螺栓(3)工作状态的检测。
2.根据权利要求1所述的一种基于双层基板贴片天线的螺栓松动传感装置，其特征在于，所述的装配单元包括固定导向环(4)和连接杆(5)，所述的固定导向环(4)固定设置于螺栓(3)的头部，所述的上层基板(6)和下层基板(7)分别套设于固定导向环(4)内，所述的连接杆(5)一端与螺栓(3)螺杆的尾部固定连接，另一端与下层组件固定连接，用于将螺栓(3)螺杆的长度变化转化为下层组件的位移变化。
3.根据权利要求2所述的一种基于双层基板贴片天线的螺栓松动传感装置，其特征在于，所述的上层基板(6)和下层基板(7)的为圆形基板，其沿圆周分别开设多个缺口，所述的固定导向环(4)的内圈沿圆周设置多个凸起，所述的缺口与凸起相互对配，对下层组件的移动起导向作用。
4.根据权利要求2所述的一种基于双层基板贴片天线的螺栓松动传感装置，其特征在于，所述的螺栓(3)为轴向开孔螺栓，其沿轴向开设通孔，所述的连接杆(5)穿设于该通孔中。
5.根据权利要求1所述的一种基于双层基板贴片天线的螺栓松动传感装置，其特征在于，所述的上层贴片(8)、微带线(9)和地平面(11)的材料为黄铜，所述的上层基板(6)和下层基板(7)的材料为FR4。
6.根据权利要求1所述的一种基于双层基板贴片天线的螺栓松动传感装置，其特征在于，所述的上层贴片(8)打印于上层基板(6)上，所述的地平面(11)打印于下层基板(7)上。
7.一种基于双层基板贴片天线的螺栓松动传感***，其特征在于，包括RFID位移传感器和RFID阅读器(2)，所述的RFID位移传感器为如权利要求1-6任一项所述的螺栓松动传感装置，所述的RFID阅读器(2)与芯片(10)相互配合，用于激活芯片(10)，检测贴片天线的谐振频率，并读取螺栓(3)的位置信息。
8.根据权利要求7所述的一种基于双层基板贴片天线的螺栓松动传感***，其特征在于，所述的RFID阅读器(2)通过寻找激活芯片(10)的最小发射功率达到最小值时的发射频率，检测得到RFID标签(1)中贴片天线的谐振频率。
9.根据权利要求8所述的一种基于双层基板贴片天线的螺栓松动传感***，其特征在于，所述的RFID阅读器(2)激活芯片(10)后，所述的RFID标签(1)中的贴片天线产生电流并发射出带有RFID标签(1)的编码和位置信息的电磁波信号，所述的RFID阅读器(2)接收电磁波信号，并结合检测得到的贴片天线的谐振频率，通过数据处理得到螺栓(3)的位置信息和工作状态信息。
10.一种使用如权利要求7所述的基于双层基板贴片天线的螺栓松动传感***的螺栓松动检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：所述的RFID阅读器(2)以不同的频率向任一螺栓(3)对应的RFID标签(1)发射调制过的电磁波信号；
S2：寻找激活芯片(10)的最小发射功率达到最小值时，RFID阅读器(2)的发射频率，将该发射频率作为RFID标签(1)中贴片天线的谐振频率；
S3：判断该RFID标签(1)中贴片天线的谐振频率是否发生谐振频率漂移，若是，则该RFID标签(1)对应的螺栓(3)发生松动；
S4：所述的RFID阅读器(2)激活芯片(10)后，读取该RFID标签(1)中贴片天线发送的电磁波信号，获取螺栓(3)的位置信息，定位发生松动螺栓的位置。
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