低功耗多點螺栓松動監測系統研究

吳 鍵，傅少武，金 偉

（南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京 210094）

螺栓連接被廣泛應用于土木、機械、化工、航天等行業中的各類大型鋼性設備和結構中。其中煤礦罐道的螺栓連接處直接影響在礦井中工作的煤礦工人的人身安全，如今年陜西榆林煤礦發生脫落事故致10人死亡3人被困。因此，對罐道螺栓松動的監測顯得尤為重要。目前研究較多的螺栓松動監測技術都是基于聲波的監測方法[1-2]，此為在結構中激發一定形式的聲信號，通過采集結構響應信號并分析提取相關特征參數，實現對螺栓松動情況的監測。近來還有采用聚集Lamb波方法的板結構螺釘松動監測[3]。在大多數的螺釘松動監測技術被動監測方法耗費較大的人力，財力和時間。2008年由美國能源部辦公室安全管理設計出將RFID應用到核材料的管理，防止核材料泄露[4-5]。當裝有核材料的罐桶螺栓松動觸發RFID發出射頻信號，電腦終端接收后及時進行修補措施。還有2011年韓國建筑工程學院提出了主動監測螺栓松動系統[6]，該系統用于監測韓國國內橋梁中螺栓連接處螺栓松動情況，無需監測人員定期監測，螺栓松動后觸發ZigBee射頻模塊發出信號后，工程人員接收后再進行檢查維護。可知基于主動式射頻信號的監測方法不僅節省檢查所費時間和金錢，更能及時有效地進行監測。本文采用工作頻率為315 MHz的無線數據發射模塊作為射頻發射裝置，PT2262和PT2272作為硬件編解碼的編碼器，干簧開關[7-8]為檢測螺栓松動傳感器，利用干簧開關特性來判斷螺栓松動情況和降低檢測電路功耗，實現對罐道處多個螺栓連接狀態進行監測。本文采用的編碼器和傳感器干簧開關成本低，唯有螺栓松動使干簧開關閉合無線模塊才被觸發工作，這降低了使用功耗。

1 系統硬件和硬件解碼

1.1 檢測電路

本文中的試驗系統由螺栓松動檢測電路及無線接收終端系統組成。檢測傳感器的原理為將一塊永磁鐵貼合在待測六角螺母的一邊上，螺栓松動時，螺母和螺栓發生相應的角度旋轉，此時利用干簧開關來檢測螺栓是否旋轉。當螺栓發生旋轉觸動干簧開關，給監測系統供電，315 MHz射頻模塊開始工作，反之螺栓未發生松動或者松動角度在安全范圍內整個監測系統處于休眠狀態，即降低了功耗。DF無線模塊的發送端將把編碼器中事先設置好的地址信息和有效信息發射到與之對應的無線接收終端，即完成了信息的采集工作，實際工程應用采用硬件編碼實現無線發送。檢測電路中采用撥碼開關實現對編碼器的數據輸入，工人在安裝此螺栓松動檢測裝置時只需撥動相應的撥碼開關即可，降低了安裝操作難度。整個螺栓松動檢測電路組成如圖1所示。

圖1 螺栓松動檢測電路框圖Fig.1 Schematic diagram of the bolt loosening detection system configuration

1.2 干簧開關及螺栓松動檢測原理

為實現對罐道螺栓連接松動的檢測，系統中采用干簧開關作為傳感器。

干簧開關又稱磁簧開關，其基本型式是將兩片磁簧片密封在玻璃管內，兩片雖重疊，但中間間隔有一小空隙，如圖2（a）所示。簧片的作用相當于一個磁通導體。在尚未操作時，兩片簧片并未接觸；在通過永久磁鐵或者電磁線圈產生的磁場時，外加的磁場使兩片簧片端點位置附近產生不同的極性，當磁力超過簧片本身的彈力時，這兩片簧片會吸合導通電路，DF無線模塊電路正常工作；當磁場減弱或消失后，干簧片由于本身的彈性而釋放，觸面就會分開從而打開電路。

圖2 螺栓松動監測框圖及原理圖Fig.2 Reed switch and principle of monitoring

將一矩形狀永久磁鐵貼在螺母的一側，實驗中采用長度約為5 mm的磁鋼，干簧開關初始位置在貼有磁鋼一側的正上方，此處干簧開關正好處于關閉狀態。當螺栓松動帶動干簧開關轉動，此時干簧開關閉合，電路導通。如圖2（b）所示。

1.3 無線模塊的選取及電路設計

由于罐道螺栓所處的環境的特殊性，通常礦井深百米，無線模塊可以將處于百米深的螺栓松動情況及時發送給工作人員。廣為應用的無線模塊芯片有CC2420、nRF2401和DF無線數據收發模塊。其中C2420和nRF2401的工作模式需要通過SPI通信模式進行設置，而DF無線數據模塊可軟硬件編寫。在本螺栓松動檢測試驗中，無線模塊只需將一脈沖信號發射出去即可，其傳輸數據量小，因此從成本，操作和實際應用的角度考慮，DF無線數據模塊更適用。其原理圖如圖3所示。

圖3 315 MHz無線發射模塊原理圖Fig.3 Schematic diagram of the 315 MHz wireless transmitting module

DF數據發射模塊，工作頻率為315 MHz。采用聲表諧振器SAW穩頻，頻率穩定度極高，在-25~+85度變化環境溫度中，僅有3 ppm/度頻飄。百米長的罐道中每十米就有一處螺栓連接，礦井一般有兩個罐籠4條罐道，按照一百米計算需要至少40顆螺栓緊固，因此檢測系統需實現多發一收的數據傳輸功能，即將多顆螺栓松動情況發到統一終端，DF數據發射模塊滿足此需要而且成本低。同時DF的接收端模塊為超再生電路，在發射電路和接收電路中的PT2262/PT2272需接振蕩電阻，因為解碼電路的時鐘頻率比編碼電路高一些，所以外接電阻要小一些，常見振蕩電阻值按下述表1所示。

表1 振蕩電阻阻值匹配Tab.1 Oscillation resistance value

實驗中螺栓松動檢測電路包括兩部分，第一部分主要由干簧開關，315 MHz的DF數據發射模塊和編碼器PT2262組成。第二部分為無線解碼電路，用來顯示螺栓松動情況，此部分在本文采用硬件解碼和軟件解碼作為比較實驗，實驗結果在下文實驗分析中給出。圖4所示為解碼電路。

1.4 硬件編碼的優勢

DF數據發射模塊可以通過硬件編碼和軟件編碼兩種方式是實現數據的遠程發送，兩種編碼方式各有特點。考慮到實際應用中，礦井環境情況復雜對無線干擾大，在無線通訊中使用單片機會對通訊系統造成嚴重干擾，在第四小節中將給出軟硬件編碼的通訊距離對比。其次，硬件編解碼給予安裝人員和操作人員帶來了便利。最后，也相應降低了螺栓松動檢測系統的成本。

圖4 解碼電路原理圖Fig.4 Decoding circuit principle diagram

2 軟件解碼及上位機設計

2.1 軟件解碼設計

實驗中利用MSP430單片機進行軟件解碼時，程序只要判斷出同步碼，然后對后面的字碼進行脈寬識別。因為振蕩電阻選取了2.2 MΩ，主頻f≈14.5 kHz，一位寬為32個主頻，周期約為 2.2 ms。利用 MSP430兩個外部中斷（INT0、INT1）來捕捉脈沖的上升沿和下降沿，進而計算出脈沖寬度。把INT0設置為上升沿觸發，INT1設置為下降沿觸發，程序框圖如圖5所示。

圖5 接收程序框圖Fig.5 Program flow chart of the software decoding

2.2 上位機軟件設計

上位機采用Labview編寫，主要由VISA控件構成，然后將接收到的16進制數據轉換成10進制數。因為實驗用到4個螺栓，所以程序中先只設置了4個十進制數與之對應，當接收到數據符合這4個數中的一個或多個數時，上位機前面板對應號的燈變亮，此時表示該號螺栓松動。圖6所示為上位機的前面板和后面板

圖6 螺栓松動監測上位機面板Fig.6 The program of the host-computer

3 實驗及結果分析

3.1 無線模塊發射距離測試和頻譜分析

DF數據模塊的無線發射距離與聲表諧振器的工作頻率有關外還和供電電壓的大小有關。DF數據無線發射模塊的工作電壓范圍為+3~+12 V，表2為DF數據無線模塊分別在3 V、6 V、12 V的工作電壓下硬件編碼的發射距離。

表2 硬件編碼發射距離Tab.2 Hardware decoding transmitted distance

為了驗證軟件編碼在無線通訊中的信號易受干擾，表3給出了DF數據無線模塊在同為3 V、6 V、12 V供電電壓下，基于單片機對DF無線模塊進行軟件編碼后的無線發射距離。

表3 軟件編碼發射距離Tab.3 Software encoding transmitted distance

通過表2和表3可知軟件編碼在發射距離上與硬件編碼有一定的差距，其主要在于單片機對接收模塊產生電磁干擾，加上螺栓松動檢測中應用了干簧開關和磁鋼的相互作用產生了一定磁場也影響了接收模塊。因此，在實際罐道螺栓松動檢測中，采用了硬件編碼方式，避免電磁場干擾發射信號。

圖7中表示的為DF無線模塊依次在工作電壓分別為3 V、6 V、12 V的頻譜分析圖。從實驗的結果圖能看出，當無線模塊在供電電壓為3 V和6 V時，其相位噪聲明顯比在12 V供電電壓下的相位噪聲小，12 V工作電壓下的信號頻率噪聲大頻譜純度小，因此在選擇供電電壓時只能是3 V和6 V。綜合硬件編碼在不同電壓下的發射距離，實驗中為整個檢測電路的供電電壓設為6 V。

圖7 DF無線模塊頻譜分析Fig.7 DF wireless module spectrum analysis

3.2 螺栓松動檢測實驗

根據上述分析后，簡易地設計一帶有四顆螺栓的硬塑料板作為實驗樣板，在每顆螺栓上標號。實驗中將方形磁鐵片貼在六角螺母的一邊。通過擰動四顆螺栓的螺母來表示松動，螺母上的磁鐵也相應旋轉，磁場發生變化，觸發檢測電路上的干簧開關，基于315 MHz的編碼發射電路導通即激勵了RFID。實驗中每顆螺栓的檢測系統組成如圖8所示。

圖8 檢測傳感電路及六角螺母Fig.8 Bolt loosening detection sensor circuit

實驗分兩組進行，第一組為硬件解碼實驗，第二組為軟件解碼。硬件解碼實驗中，在硬件編碼電路上有4個撥碼開關，4個編碼電路上的撥碼開關都只預先設置閉合一個，當電路導通時即只有一個發光二極管亮，表示所在位置螺栓松動，方便實驗記錄觀察，4個發光二極管代表四顆螺栓。在解碼電路也有對應4個發光二極管，當螺栓發生松動時，干簧開關閉合觸發編碼電路，接收端接收相應數據然后在發光二極管上顯示。硬件的解碼和編碼電路的二極管都采用了4種顏色，1代表1號螺栓，2代表2號螺栓，3代表3號螺栓，4代表4號螺栓。實驗中螺栓的松動用螺母的旋轉來代替，1號螺栓松動，其余螺栓不動。

4 結束語

本位采用DF無線數據模塊作為無線射頻發射模塊，利用干簧開關在磁場中的特性，根據螺栓螺母的旋轉改變磁性簡介判斷其是否松動。此方法可作為一種主動RFID監測方法，該方案不僅有效監測了螺栓松動還減少檢測帶來的時間和金錢的成本，為罐道處連接的螺栓檢測提供了一種便捷低廉的新途徑。

同時該方法也能有效對其他鋼性結構連接處的螺栓進行檢測，改進方法為將每個螺栓處貼上自制的柔性電路板，在每個螺栓對應位置焊上干簧開關并且每個開關并聯。可以選擇每十個螺栓一組共用一塊檢測電路，不同于上述的是電路上有十個干簧開關并聯，當十個中有螺栓松動能立馬檢測出來，之后再派工作人員去檢測，此方法更能有效解決多螺栓松動檢測及降低檢測成本。

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