植入式应变智能螺栓设计与生产工艺

吴重仲 闫文吉 丁彦超 张 鹏 陈 铭 李 岩 林 斌 冯景飞 崔晓晓

（1.中广核新能源投资（深圳）有限公司福建分公司，福建 福州 350001；2.深圳国能宸泰科技有限公司，广东 深圳 518124）

0 引言

对于螺栓连接的构件而言，螺栓连接预紧力的大小是十分重要的。预紧力是指在安装固定螺栓过程中螺母（或螺栓头）在拧紧时施加扭矩对螺栓产生的轴向拉力，该预紧力是被连接构件承受压力的一个反作用力。在实际应用螺栓连接的构件，由于安装过程中可能出现操作不规范，或随着时间的推移，由于构件震动、环境腐蚀等其他因素会造成螺栓预紧力逐渐减小，进而会产生一系列问题。螺栓预紧力不足可能导致构件在外力的作用下产生缝隙、螺栓松动、构件连接失效等问题[1]。

本论文设计了一种植入式应变智能螺栓监测系统并对该系统的一个生产工艺进行了阐述，该智能螺栓可以对风机螺栓连接构件的螺栓预紧力进行实时监测，使预紧力始终保持在安全范围内，从而确保螺栓连接件状态安全稳定，以确保构件生产运行安全。

1 植入式应变智能螺栓预紧力采集系统

1.1 植入式应变智能螺栓结构

植入式应变智能螺栓预紧力监测技术是将电阻应变片植入螺栓头部开孔处，通过惠斯通电桥在一定范围内通过采集应变电阻变化，带动惠斯通电桥输出电压变化来推算出应变片电阻值变化，进而推算出预紧力值[2]。该方法是一种直接将螺栓本身作为传感器原件的方法，能够直接将螺栓本身的力的变化进行测量采集，结构简单且测量精度高[3]。植入式应变片采集技术，首先需要对被测量螺栓进行打孔，通过特殊固化粘黏剂将应变片埋入螺栓内部，使螺栓与应变片组成一个整体。埋入的应变片通过导线接入电桥，测得应变片电阻值变化，推算出螺栓预紧力变化曲线。植入式应变智能螺栓结构示意图如图1所示。

图1 植入式智能螺栓结构示意图

1.2 采集系统

植入式应变智能螺栓的预紧力采集测量技术与普通应变片测力原理是相同的，在使用应变片测量力时，应变片通过粘黏剂被粘黏在弹性体上，在弹性体受力的作用发生形变时，会带动应变片发生形变，引起其阻值发生变化，相应的连接的惠斯通电桥输出电压也会发生变化。通过对惠斯通电桥输入电压，输出电压的值的变化，推算出阻值变化，得出预紧力变化值。惠斯通电桥原理图如图2所示。

图2 惠斯通电桥原理图（R：电路电阻；Rg1：应变测量电阻；Rg2：温度补偿应变电阻；E：输入电压；e0：输出电压）

采集系统主要六部分组成：高精度变送器、模拟量转数字量采集器、AD转换模块、无线数据传输模块、无线数据采集器、PC端信号采集处理存储和显示平台。其采集系统如图3所示。

图3 植入式应变智能螺栓采集系统

该采集系统采用独立高精度应变变送器，对螺栓预紧力进行采集，通过AD转换模块将采集的模拟量数值转换成数字量，通过无线数据模块将数据发送给无线数据采集器，无线数据采集器将采集的数据通过TCP经过光电转换装置发送给采集终端，最终通过计算机的监测系统平台对数据进行处理。可直观观测的预紧力数值及变化趋势，同时也对数据进行存储及报警预警处理。

高精度变送器、模拟量转数字量采集器、AD转换模块与无线数据传输模块集成于被监测螺栓。高精度变送器通过采集应变片电桥桥边电路的输出电压，并将之转换成一个0～10V的模拟量数据，其精度可达到0.1%，且在电桥部分增加了温度补偿应变片，温度偏移为±100PPM，电源变化影响小于±0.1%。该监测系统探头（螺栓部分）采用的为无线自组网方式，通讯技术采用的是ZigBee技术，该技术为一种新兴的短距离、低速率、低功耗的无线通讯技术，应用场景非常广泛。

2 无线数据传输系统

螺栓连接构件多用于工业现场，对于传感器的安装及应用，相对于有线传感而言，无线组网应用于智能螺栓的数据传输中，在保证传感器的可靠运行的情况下，既能实现数据的实时采集，也缩减了传感器规模及成本。本文首先分析多种无线自组网方法，根据多信号、多协议输入输出信号的可靠性、性价比的原则下筛选出了一种适用于植入式应变智能螺栓的无线自组网方案[4]。

2.1 无线数据传输系统通讯方式选型

植入式应变智能螺栓应用的无线数据传输离不开无线自组网技术的支持，无线自组网（ad hoc Network）为一种无基础设施的移动网络，在不利用先有基础网络的设施支撑下，它的每个终端可自由的移动通讯。无线自组网具有自组织性、网络拓扑解耦动态变化性、无线传输贷款有限性、移动终端的局限性、分布式控制网络的特点，能够自主迅速建立通讯网络，不受移动方式和移动速度的限制，但是其带宽相对有限，处理器内存偏小，无法满足对数据的实时处理。

当前短距无线通讯标准有Wi-Fi、超宽带通信（UWB）、蓝牙、红外线数据通信IrDA和ZigBee技术。其中Wi-Fi主要应用于100m以内的网络数据传输，具有传输速度快的特点，同时带来的也有高功耗的缺点，大大限制了其便携性；超宽带通信（UWB）是一种低功耗、低复杂度的无线载波通信技术，具有低功耗、高速率以及带宽高的特点，然而其载波使用还是基于纳米级的非正弦窄脉冲，使得其频谱范围特别宽，易对其他无线信号造成干扰；蓝牙为一种短距离的无线通信，一般通信距离为10m以下，且能配置的小型网络节点数只有7个，不适用于大型网络；红外线数据通信IrDA具有成本低、功耗低、体积小及易连接的特定多应用于小型移动设备，但其易受到视距等问题，少用于工业环境中[5]；ZigBee技术为一种短距离、低功耗通信，多应用于1KM以下的无线通信场景，具有自组织、成本低、功耗低、速率低、复杂度低的优点，且可嵌入各种设备中，被广泛应用于工业现场的远程控制。对于智能螺栓的无线通信，预紧力的无线数据传输而言，ZigBee是最适用的。几种短距无线通信技术比较如表1所示。

表1 短距无线通信技术比较

2.2 ZigBee技术于植入式应变智能螺栓的应用

根据对智能螺栓的数据传输需求分析，利用ZigBee技术可以将采集的预紧力应变数据采集控制器并将数据通过转换后利用交换机发送至控制中心。对于无线数据传输的设计主要在于数据采集控制与数据收发转换两个部分。其数据传输示意图如图4所示。

图4 数据传输示意图

2.2.1 数据采集控制装置设计

数据采集控制装置设计采用了模块化设计的思想，系统由多个控制模块组成。模块化设计思想好处为可减少主控制系统的运行负担，各个通道的通信处理有搭载模块负责，主控制器则主要负责数据处理。对于数据采集控制装置的通信接口主要为模拟量、数据量采集控制接口。主控制器采用了32位RICS处理器，主要处理整个系统的数据采集及通讯协议处理工作。数据采集控制装置结构图如图5所示。

图5 数据采集控制装置结构图

该数据采集控制装置具备以下功能：

（1）设计了8路数字量的输入、输出模块，用于控制智能螺栓预紧力采集传感器的启停；

（2）设计了8路AD模数转换器，用于智能螺栓的应变数据采集，及电源模块输出电压、电流值；

（3）设计了2路DA数模转换器，用于控制电源模块的输出电压电流数值。电流输出范围为4～20mA或0～20mA，电压输出范围为0～5V或0～10V；

（4）设计了ZigBee通信模块，以用于短距的无线数据传输，发送采集的智能螺栓数据，及其他数据通信；

（5）设计了一块串行存储器，便于掉电重启后能顺利进入工作状态，且可保存网关等设备信息。

2.2.2 数据收发转换装置设计

数据接受转换装置同样采用了模块化设计，主要是起到短距远程接收、数据通信转换、数据发送的作用。它由一个主控制器与多个通信模块组成，其中主控制器为一个高性能32位RISC处理器，负责所有的数据处理与收发功能。该数据收发装置搭载模块接口有CAN网络、RS485网络、以太网网络、GPRS模块与ZigBee模块。其结构示意图如图6所示。

图6 数据收发转换装置结构图

该数据接受转换装置具备以下功能：

（1）具有串行通讯接口，对于拥有串行接口的设备采用了Modbus的协议通讯，设计了一路RS-232通信接口，以及一路RS-485通信接口，可以用来进行设备联网，并且该485接口采用了光耦隔离以减少外界干扰；

（2）设计了一路CAN接口段电路以支持更多总线协议，并采用了光耦隔离减少外界干扰；

（3）设计了GPRS无线通信模块，实现了数据的远程无线通信；

（4）设计了一块串行存储器，便于掉电重启后能顺利进入工作状态，且可保存网关等设备信息；

（5）设计了ZigBee通信模块，以用于短距的无线数据传输，接收由传感器发出的数据。

2.3 无线通信软件设计

数据采集控制装置与数据接收转换装置的软件体系大致是相同的，其主要体系由应用程序层、操作系统层、驱动程序层组成。应用程序层则是有各个任务组成，其每一个任务都有其对应的软件功能；驱动程序主要是通过启动、读写、配置等完成对系统应有的硬件系统的驱动；操作系统层则是在硬件驱动的基础上对应用程序层的一个沟通，进行任务的调度。软件的总体结构如图7所示。

图7 无线通信软件设计结构图

其中应用程序层GPRS通信任务、以太网通信任务、ZigBee通信任务、ModBus协议处理任务、模拟量数模与模数转换等，硬件驱动层主要包括DAC驱动、ADC驱动、串口驱动、以太网驱动及其他驱动，操作系统层主要完成的是任务调度、任务间通信、系统监视等操作。

3 植入式应变智能螺栓生产工艺

3.1 智能螺栓应变片植入

选取连接构件用螺栓同等型号的螺栓，在螺栓顶部如图1所示位置进行开孔，在开孔后对该孔洞进行清洁处理，保证该孔洞内光滑无碎屑、无污染。选取高精度应变片进行导线连接并对连接处进行密封处理，保证连接处无裸漏，应变片表面整洁无污染。在室温下讲粘黏剂与固化剂均匀混合，然后往孔内用专用注射器注入混合好的粘黏剂与固化剂混合物，保证注射后无气泡。最后将应变片垂直植入孔内保持其与螺栓整体竖直平行。在应变片植入完毕后，需对应变片植入效果进行测试，将植入的应变片连接外部测试电路，对螺栓施加某一固定数值，观测外界电路应变力的数值变化是否正常，若该数值正常，则该智能螺栓的应变片植入合格。

3.2 数据采集控制装置与数据接收转换装置制作生产

依照本文中“2 无线数据传输系统”设计，进行对数据采集控制装置以及数据收转换装置进行电路版设计，分别对高性能32位RISC处理器、光耦隔离、存储器、ZigBee通信等模块进行选型。在选型完毕后，针对数据采集控制装置以及数据收转换装置分别进行PCB版电路图进行设计，出具Bom清单，并进行打样生产。在PCB生产完毕后，对各个模块进行上电测试，测试内容包括载荷、数据采样、数据通信传输等内容。

3.3 植入式应变智能螺栓监测系统

该监测具备数据趋势监测、数据换算处理、数据存储及报警功能，能够及时观测到被监测螺栓的预紧力变化。在该平台对植入式应变智能螺栓监测系统进行开发，其具备功能有：预紧力实时数据观测、预紧力变化趋势观测、预紧力实时数据记录、预紧力大小报警及复位等功能。其主监测界面如图8所示。

图8 植入式智能螺栓监测系统图

4 结语

螺栓的预紧力监测对于大多数的螺栓连接构件是非常重要的。植入式应变智能螺栓的应用对于风电领域的连接构件用的螺栓的预紧力能够进行实时监测，通过对预紧力数值的观测，可以间接的了解螺栓的状态，进而获得连接件的稳态变化信息，以确保连接的可靠性。该植入式应变智能螺栓的预紧力测试，满足与风电领域对螺栓连接预紧力监测的要求，有利于对风机连接件的安装及后期运行维护工作的开展。

该监测系统在很多领域都有着广阔的应用场景。该监测测量技术不仅可以应用于风电领域的智能螺栓预紧力监测，还可以满足航天航空、工业产线、电力、石油化工、核电、建筑等领域的螺栓预紧力连接要求。如大型工业产线的螺栓连接件、化工石油管道螺栓连接法兰构件、电力行业安全连接构件等，应用领域广泛，同时对于安全生产也具有重大意义，能带来巨大的经济及社会效益。