低功耗多点螺栓松动监测系统研究

吴 键，傅少武，金 伟

（南京理工大学 机械工程学院，江苏 南京 210094）

螺栓连接被广泛应用于土木、机械、化工、航天等行业中的各类大型钢性设备和结构中。其中煤矿罐道的螺栓连接处直接影响在矿井中工作的煤矿工人的人身安全，如今年陕西榆林煤矿发生脱落事故致10人死亡3人被困。因此，对罐道螺栓松动的监测显得尤为重要。目前研究较多的螺栓松动监测技术都是基于声波的监测方法[1-2]，此为在结构中激发一定形式的声信号，通过采集结构响应信号并分析提取相关特征参数，实现对螺栓松动情况的监测。近来还有采用聚集Lamb波方法的板结构螺钉松动监测[3]。在大多数的螺钉松动监测技术被动监测方法耗费较大的人力，财力和时间。2008年由美国能源部办公室安全管理设计出将RFID应用到核材料的管理，防止核材料泄露[4-5]。当装有核材料的罐桶螺栓松动触发RFID发出射频信号，电脑终端接收后及时进行修补措施。还有2011年韩国建筑工程学院提出了主动监测螺栓松动系统[6]，该系统用于监测韩国国内桥梁中螺栓连接处螺栓松动情况，无需监测人员定期监测，螺栓松动后触发ZigBee射频模块发出信号后，工程人员接收后再进行检查维护。可知基于主动式射频信号的监测方法不仅节省检查所费时间和金钱，更能及时有效地进行监测。本文采用工作频率为315 MHz的无线数据发射模块作为射频发射装置，PT2262和PT2272作为硬件编解码的编码器，干簧开关[7-8]为检测螺栓松动传感器，利用干簧开关特性来判断螺栓松动情况和降低检测电路功耗，实现对罐道处多个螺栓连接状态进行监测。本文采用的编码器和传感器干簧开关成本低，唯有螺栓松动使干簧开关闭合无线模块才被触发工作，这降低了使用功耗。

1 系统硬件和硬件解码

1.1 检测电路

本文中的试验系统由螺栓松动检测电路及无线接收终端系统组成。检测传感器的原理为将一块永磁铁贴合在待测六角螺母的一边上，螺栓松动时，螺母和螺栓发生相应的角度旋转，此时利用干簧开关来检测螺栓是否旋转。当螺栓发生旋转触动干簧开关，给监测系统供电，315 MHz射频模块开始工作，反之螺栓未发生松动或者松动角度在安全范围内整个监测系统处于休眠状态，即降低了功耗。DF无线模块的发送端将把编码器中事先设置好的地址信息和有效信息发射到与之对应的无线接收终端，即完成了信息的采集工作，实际工程应用采用硬件编码实现无线发送。检测电路中采用拨码开关实现对编码器的数据输入，工人在安装此螺栓松动检测装置时只需拨动相应的拨码开关即可，降低了安装操作难度。整个螺栓松动检测电路组成如图1所示。

图1 螺栓松动检测电路框图Fig.1 Schematic diagram of the bolt loosening detection system configuration

1.2 干簧开关及螺栓松动检测原理

为实现对罐道螺栓连接松动的检测，系统中采用干簧开关作为传感器。

干簧开关又称磁簧开关，其基本型式是将两片磁簧片密封在玻璃管内，两片虽重叠，但中间间隔有一小空隙，如图2（a）所示。簧片的作用相当于一个磁通导体。在尚未操作时，两片簧片并未接触；在通过永久磁铁或者电磁线圈产生的磁场时，外加的磁场使两片簧片端点位置附近产生不同的极性，当磁力超过簧片本身的弹力时，这两片簧片会吸合导通电路，DF无线模块电路正常工作；当磁场减弱或消失后，干簧片由于本身的弹性而释放，触面就会分开从而打开电路。

图2 螺栓松动监测框图及原理图Fig.2 Reed switch and principle of monitoring

将一矩形状永久磁铁贴在螺母的一侧，实验中采用长度约为5 mm的磁钢，干簧开关初始位置在贴有磁钢一侧的正上方，此处干簧开关正好处于关闭状态。当螺栓松动带动干簧开关转动，此时干簧开关闭合，电路导通。如图2（b）所示。

1.3 无线模块的选取及电路设计

由于罐道螺栓所处的环境的特殊性，通常矿井深百米，无线模块可以将处于百米深的螺栓松动情况及时发送给工作人员。广为应用的无线模块芯片有CC2420、nRF2401和DF无线数据收发模块。其中C2420和nRF2401的工作模式需要通过SPI通信模式进行设置，而DF无线数据模块可软硬件编写。在本螺栓松动检测试验中，无线模块只需将一脉冲信号发射出去即可，其传输数据量小，因此从成本，操作和实际应用的角度考虑，DF无线数据模块更适用。其原理图如图3所示。

图3 315 MHz无线发射模块原理图Fig.3 Schematic diagram of the 315 MHz wireless transmitting module

DF数据发射模块，工作频率为315 MHz。采用声表谐振器SAW稳频，频率稳定度极高，在-25~+85度变化环境温度中，仅有3 ppm/度频飘。百米长的罐道中每十米就有一处螺栓连接，矿井一般有两个罐笼4条罐道，按照一百米计算需要至少40颗螺栓紧固，因此检测系统需实现多发一收的数据传输功能，即将多颗螺栓松动情况发到统一终端，DF数据发射模块满足此需要而且成本低。同时DF的接收端模块为超再生电路，在发射电路和接收电路中的PT2262/PT2272需接振荡电阻，因为解码电路的时钟频率比编码电路高一些，所以外接电阻要小一些，常见振荡电阻值按下述表1所示。

表1 振荡电阻阻值匹配Tab.1 Oscillation resistance value

实验中螺栓松动检测电路包括两部分，第一部分主要由干簧开关，315 MHz的DF数据发射模块和编码器PT2262组成。第二部分为无线解码电路，用来显示螺栓松动情况，此部分在本文采用硬件解码和软件解码作为比较实验，实验结果在下文实验分析中给出。图4所示为解码电路。

1.4 硬件编码的优势

DF数据发射模块可以通过硬件编码和软件编码两种方式是实现数据的远程发送，两种编码方式各有特点。考虑到实际应用中，矿井环境情况复杂对无线干扰大，在无线通讯中使用单片机会对通讯系统造成严重干扰，在第四小节中将给出软硬件编码的通讯距离对比。其次，硬件编解码给予安装人员和操作人员带来了便利。最后，也相应降低了螺栓松动检测系统的成本。

图4 解码电路原理图Fig.4 Decoding circuit principle diagram

2 软件解码及上位机设计

2.1 软件解码设计

实验中利用MSP430单片机进行软件解码时，程序只要判断出同步码，然后对后面的字码进行脉宽识别。因为振荡电阻选取了2.2 MΩ，主频f≈14.5 kHz，一位宽为32个主频，周期约为 2.2 ms。利用 MSP430两个外部中断（INT0、INT1）来捕捉脉冲的上升沿和下降沿，进而计算出脉冲宽度。把INT0设置为上升沿触发，INT1设置为下降沿触发，程序框图如图5所示。

图5 接收程序框图Fig.5 Program flow chart of the software decoding

2.2 上位机软件设计

上位机采用Labview编写，主要由VISA控件构成，然后将接收到的16进制数据转换成10进制数。因为实验用到4个螺栓，所以程序中先只设置了4个十进制数与之对应，当接收到数据符合这4个数中的一个或多个数时，上位机前面板对应号的灯变亮，此时表示该号螺栓松动。图6所示为上位机的前面板和后面板

图6 螺栓松动监测上位机面板Fig.6 The program of the host-computer

3 实验及结果分析

3.1 无线模块发射距离测试和频谱分析

DF数据模块的无线发射距离与声表谐振器的工作频率有关外还和供电电压的大小有关。DF数据无线发射模块的工作电压范围为+3~+12 V，表2为DF数据无线模块分别在3 V、6 V、12 V的工作电压下硬件编码的发射距离。

表2 硬件编码发射距离Tab.2 Hardware decoding transmitted distance

为了验证软件编码在无线通讯中的信号易受干扰，表3给出了DF数据无线模块在同为3 V、6 V、12 V供电电压下，基于单片机对DF无线模块进行软件编码后的无线发射距离。

表3 软件编码发射距离Tab.3 Software encoding transmitted distance

通过表2和表3可知软件编码在发射距离上与硬件编码有一定的差距，其主要在于单片机对接收模块产生电磁干扰，加上螺栓松动检测中应用了干簧开关和磁钢的相互作用产生了一定磁场也影响了接收模块。因此，在实际罐道螺栓松动检测中，采用了硬件编码方式，避免电磁场干扰发射信号。

图7中表示的为DF无线模块依次在工作电压分别为3 V、6 V、12 V的频谱分析图。从实验的结果图能看出，当无线模块在供电电压为3 V和6 V时，其相位噪声明显比在12 V供电电压下的相位噪声小，12 V工作电压下的信号频率噪声大频谱纯度小，因此在选择供电电压时只能是3 V和6 V。综合硬件编码在不同电压下的发射距离，实验中为整个检测电路的供电电压设为6 V。

图7 DF无线模块频谱分析Fig.7 DF wireless module spectrum analysis

3.2 螺栓松动检测实验

根据上述分析后，简易地设计一带有四颗螺栓的硬塑料板作为实验样板，在每颗螺栓上标号。实验中将方形磁铁片贴在六角螺母的一边。通过拧动四颗螺栓的螺母来表示松动，螺母上的磁铁也相应旋转，磁场发生变化，触发检测电路上的干簧开关，基于315 MHz的编码发射电路导通即激励了RFID。实验中每颗螺栓的检测系统组成如图8所示。

图8 检测传感电路及六角螺母Fig.8 Bolt loosening detection sensor circuit

实验分两组进行，第一组为硬件解码实验，第二组为软件解码。硬件解码实验中，在硬件编码电路上有4个拨码开关，4个编码电路上的拨码开关都只预先设置闭合一个，当电路导通时即只有一个发光二极管亮，表示所在位置螺栓松动，方便实验记录观察，4个发光二极管代表四颗螺栓。在解码电路也有对应4个发光二极管，当螺栓发生松动时，干簧开关闭合触发编码电路，接收端接收相应数据然后在发光二极管上显示。硬件的解码和编码电路的二极管都采用了4种颜色，1代表1号螺栓，2代表2号螺栓，3代表3号螺栓，4代表4号螺栓。实验中螺栓的松动用螺母的旋转来代替，1号螺栓松动，其余螺栓不动。

4 结束语

本位采用DF无线数据模块作为无线射频发射模块，利用干簧开关在磁场中的特性，根据螺栓螺母的旋转改变磁性简介判断其是否松动。此方法可作为一种主动RFID监测方法，该方案不仅有效监测了螺栓松动还减少检测带来的时间和金钱的成本，为罐道处连接的螺栓检测提供了一种便捷低廉的新途径。

同时该方法也能有效对其他钢性结构连接处的螺栓进行检测，改进方法为将每个螺栓处贴上自制的柔性电路板，在每个螺栓对应位置焊上干簧开关并且每个开关并联。可以选择每十个螺栓一组共用一块检测电路，不同于上述的是电路上有十个干簧开关并联，当十个中有螺栓松动能立马检测出来，之后再派工作人员去检测，此方法更能有效解决多螺栓松动检测及降低检测成本。

[1]Wen-De H X WS.Development of milliwatt ultrasound power measurementsystem[J].Applied Acoustics，2004（1）:6.

[2]ZHANG S，ZHANG Y.Power measurement circuit of ultrasonic generator[J].Instrument Technique and Sensor，2007（8）:56-57.

[3]王强，袁慎芳，田峰，等.采用聚焦 Lamb波方法的板结构螺钉松动监测[J].压电与声光，2012，34（1）:73-75.WANG Qiang，YUAN Shen-fang，TIAN Feng，et al.Study on structural bolt debonding monitoring based on focused lamb waves[J].Piezoelectrics&Acoustooptics，2012，34（1）:73-75.

[4]Tsai H C，Chen K，Liu Y，et al.Applying RFID technology in nuclear materialsmanagement[J].Packaging， Transport， Storage&Security of Radioactive Material，2008，19（1）:41-46.

[5]Chen K，Tsai H，Liu Y Y.Development of the RFID System for nuclear materials management[C]//Proceedings of the 49th INMM Meeting， Nashville， TN，2008.

[6]Park K T，Yu Y J，Shin H，et al.Monitoring system for bolt joints on steel structures[C]//SPIE Smart Structures and Materials+Nondestructive Evaluation and Health Monitoring.International Society for Optics and Photonics，2011:798120-798120-8.

[7]Gilmore G N.Reed switch apparatus and method of using same:U.S.Patent 8，111，119[P].2012-2-7.

[8]Mariner C D，Shlesinger Jr B E.Magnetic reed switch:U.S.Patent 4，038，620[P].1977-7-26.