吳 鍵，傅少武，金 偉

（南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094）

螺栓連接被廣泛應(yīng)用于土木、機(jī)械、化工、航天等行業(yè)中的各類大型鋼性設(shè)備和結(jié)構(gòu)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(fā)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(jiān)測顯得尤為重要。目前研究較多的螺栓松動監(jiān)測技術(shù)都是基于聲波的監(jiān)測方法[1-2]，此為在結(jié)構(gòu)中激發(fā)一定形式的聲信號，通過采集結(jié)構(gòu)響應(yīng)信號并分析提取相關(guān)特征參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對螺栓松動情況的監(jiān)測。近來還有采用聚集Lamb波方法的板結(jié)構(gòu)螺釘松動監(jiān)測[3]。在大多數(shù)的螺釘松動監(jiān)測技術(shù)被動監(jiān)測方法耗費(fèi)較大的人力，財(cái)力和時(shí)間。2008年由美國能源部辦公室安全管理設(shè)計(jì)出將RFID應(yīng)用到核材料的管理，防止核材料泄露[4-5]。當(dāng)裝有核材料的罐桶螺栓松動觸發(fā)RFID發(fā)出射頻信號，電腦終端接收后及時(shí)進(jìn)行修補(bǔ)措施。還有2011年韓國建筑工程學(xué)院提出了主動監(jiān)測螺栓松動系統(tǒng)[6]，該系統(tǒng)用于監(jiān)測韓國國內(nèi)橋梁中螺栓連接處螺栓松動情況，無需監(jiān)測人員定期監(jiān)測，螺栓松動后觸發(fā)ZigBee射頻模塊發(fā)出信號后，工程人員接收后再進(jìn)行檢查維護(hù)?？芍谥鲃邮缴漕l信號的監(jiān)測方法不僅節(jié)省檢查所費(fèi)時(shí)間和金錢，更能及時(shí)有效地進(jìn)行監(jiān)測。本文采用工作頻率為315 MHz的無線數(shù)據(jù)發(fā)射模塊作為射頻發(fā)射裝置，PT2262和PT2272作為硬件編解碼的編碼器，干簧開關(guān)[7-8]為檢測螺栓松動傳感器，利用干簧開關(guān)特性來判斷螺栓松動情況和降低檢測電路功耗，實(shí)現(xiàn)對罐道處多個(gè)螺栓連接狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。本文采用的編碼器和傳感器干簧開關(guān)成本低，唯有螺栓松動使干簧開關(guān)閉合無線模塊才被觸發(fā)工作，這降低了使用功耗。

1 系統(tǒng)硬件和硬件解碼

1.1 檢測電路

本文中的試驗(yàn)系統(tǒng)由螺栓松動檢測電路及無線接收終端系統(tǒng)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(shí)，螺母和螺栓發(fā)生相應(yīng)的角度旋轉(zhuǎn)，此時(shí)利用干簧開關(guān)來檢測螺栓是否旋轉(zhuǎn)。當(dāng)螺栓發(fā)生旋轉(zhuǎn)觸動干簧開關(guān)，給監(jiān)測系統(tǒng)供電，315 MHz射頻模塊開始工作，反之螺栓未發(fā)生松動或者松動角度在安全范圍內(nèi)整個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)處于休眠狀態(tài)，即降低了功耗。DF無線模塊的發(fā)送端將把編碼器中事先設(shè)置好的地址信息和有效信息發(fā)射到與之對應(yīng)的無線接收終端，即完成了信息的采集工作，實(shí)際工程應(yīng)用采用硬件編碼實(shí)現(xiàn)無線發(fā)送。檢測電路中采用撥碼開關(guān)實(shí)現(xiàn)對編碼器的數(shù)據(jù)輸入，工人在安裝此螺栓松動檢測裝置時(shí)只需撥動相應(yīng)的撥碼開關(guān)即可，降低了安裝操作難度。整個(gè)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(guān)及螺栓松動檢測原理

為實(shí)現(xiàn)對罐道螺栓連接松動的檢測，系統(tǒng)中采用干簧開關(guān)作為傳感器。

干簧開關(guān)又稱磁簧開關(guān)，其基本型式是將兩片磁簧片密封在玻璃管內(nèi)，兩片雖重疊，但中間間隔有一小空隙，如圖2（a）所示?；善淖饔孟喈?dāng)于一個(gè)磁通導(dǎo)體。在尚未操作時(shí)，兩片簧片并未接觸；在通過永久磁鐵或者電磁線圈產(chǎn)生的磁場時(shí)，外加的磁場使兩片簧片端點(diǎn)位置附近產(chǎn)生不同的極性，當(dāng)磁力超過簧片本身的彈力時(shí)，這兩片簧片會吸合導(dǎo)通電路，DF無線模塊電路正常工作；當(dāng)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(jiān)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(cè)，實(shí)驗(yàn)中采用長度約為5 mm的磁鋼，干簧開關(guān)初始位置在貼有磁鋼一側(cè)的正上方，此處干簧開關(guān)正好處于關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)螺栓松動帶動干簧開關(guān)轉(zhuǎn)動，此時(shí)干簧開關(guān)閉合，電路導(dǎo)通。如圖2（b）所示。

1.3 無線模塊的選取及電路設(shè)計(jì)

由于罐道螺栓所處的環(huán)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(shí)發(fā)送給工作人員。廣為應(yīng)用的無線模塊芯片有CC2420、nRF2401和DF無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊。其中C2420和nRF2401的工作模式需要通過SPI通信模式進(jìn)行設(shè)置，而DF無線數(shù)據(jù)模塊可軟硬件編寫。在本螺栓松動檢測試驗(yàn)中，無線模塊只需將一脈沖信號發(fā)射出去即可，其傳輸數(shù)據(jù)量小，因此從成本，操作和實(shí)際應(yīng)用的角度考慮，DF無線數(shù)據(jù)模塊更適用。其原理圖如圖3所示。

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

DF數(shù)據(jù)發(fā)射模塊，工作頻率為315 MHz。采用聲表諧振器SAW穩(wěn)頻，頻率穩(wěn)定度極高，在-25~+85度變化環(huán)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(gè)罐籠4條罐道，按照一百米計(jì)算需要至少40顆螺栓緊固，因此檢測系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)多發(fā)一收的數(shù)據(jù)傳輸功能，即將多顆螺栓松動情況發(fā)到統(tǒng)一終端，DF數(shù)據(jù)發(fā)射模塊滿足此需要而且成本低。同時(shí)DF的接收端模塊為超再生電路，在發(fā)射電路和接收電路中的PT2262/PT2272需接振蕩電阻，因?yàn)榻獯a電路的時(shí)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(shí)驗(yàn)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(guān)，315 MHz的DF數(shù)據(jù)發(fā)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(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果在下文實(shí)驗(yàn)分析中給出。圖4所示為解碼電路。

1.4 硬件編碼的優(yōu)勢

DF數(shù)據(jù)發(fā)射模塊可以通過硬件編碼和軟件編碼兩種方式是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程發(fā)送，兩種編碼方式各有特點(diǎn)?？紤]到實(shí)際應(yīng)用中，礦井環(huán)境情況復(fù)雜對無線干擾大，在無線通訊中使用單片機(jī)會對通訊系統(tǒng)造成嚴(yán)重干擾，在第四小節(jié)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(yīng)降低了螺栓松動檢測系統(tǒng)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(jī)設(shè)計(jì)

2.1 軟件解碼設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)中利用MSP430單片機(jī)進(jìn)行軟件解碼時(shí)，程序只要判斷出同步碼，然后對后面的字碼進(jìn)行脈寬識別。因?yàn)檎袷庪娮柽x取了2.2 MΩ，主頻f≈14.5 kHz，一位寬為32個(gè)主頻，周期約為 2.2 ms。利用 MSP430兩個(gè)外部中斷（INT0、INT1）來捕捉脈沖的上升沿和下降沿，進(jìn)而計(jì)算出脈沖寬度。把INT0設(shè)置為上升沿觸發(fā)，INT1設(shè)置為下降沿觸發(fā)，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(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)采用Labview編寫，主要由VISA控件構(gòu)成，然后將接收到的16進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成10進(jìn)制數(shù)。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)用到4個(gè)螺栓，所以程序中先只設(shè)置了4個(gè)十進(jìn)制數(shù)與之對應(yīng)，當(dāng)接收到數(shù)據(jù)符合這4個(gè)數(shù)中的一個(gè)或多個(gè)數(shù)時(shí)，上位機(jī)前面板對應(yīng)號的燈變亮，此時(shí)表示該號螺栓松動。圖6所示為上位機(jī)的前面板和后面板

圖6 螺栓松動監(jiān)測上位機(jī)面板Fig.6 The program of the host-computer

3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 無線模塊發(fā)射距離測試和頻譜分析

DF數(shù)據(jù)模塊的無線發(fā)射距離與聲表諧振器的工作頻率有關(guān)外還和供電電壓的大小有關(guān)。DF數(shù)據(jù)無線發(fā)射模塊的工作電壓范圍為+3~+12 V，表2為DF數(shù)據(jù)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(fā)射距離。

表2 硬件編碼發(fā)射距離Tab.2 Hardware decoding transmitted distance

為了驗(yàn)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(shù)據(jù)無線模塊在同為3 V、6 V、12 V供電電壓下，基于單片機(jī)對DF無線模塊進(jìn)行軟件編碼后的無線發(fā)射距離。

表3 軟件編碼發(fā)射距離Tab.3 Software encoding transmitted distance

通過表2和表3可知軟件編碼在發(fā)射距離上與硬件編碼有一定的差距，其主要在于單片機(jī)對接收模塊產(chǎn)生電磁干擾，加上螺栓松動檢測中應(yīng)用了干簧開關(guān)和磁鋼的相互作用產(chǎn)生了一定磁場也影響了接收模塊。因此，在實(shí)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(fā)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(shí)驗(yàn)的結(jié)果圖能看出，當(dāng)無線模塊在供電電壓為3 V和6 V時(shí)，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(shí)只能是3 V和6 V。綜合硬件編碼在不同電壓下的發(fā)射距離，實(shí)驗(yàn)中為整個(gè)檢測電路的供電電壓設(shè)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(shí)驗(yàn)

根據(jù)上述分析后，簡易地設(shè)計(jì)一帶有四顆螺栓的硬塑料板作為實(shí)驗(yàn)樣板，在每顆螺栓上標(biāo)號。實(shí)驗(yàn)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(yīng)旋轉(zhuǎn)，磁場發(fā)生變化，觸發(fā)檢測電路上的干簧開關(guān)，基于315 MHz的編碼發(fā)射電路導(dǎo)通即激勵(lì)了RFID。實(shí)驗(yàn)中每顆螺栓的檢測系統(tǒng)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(shí)驗(yàn)分兩組進(jìn)行，第一組為硬件解碼實(shí)驗(yàn)，第二組為軟件解碼。硬件解碼實(shí)驗(yàn)中，在硬件編碼電路上有4個(gè)撥碼開關(guān)，4個(gè)編碼電路上的撥碼開關(guān)都只預(yù)先設(shè)置閉合一個(gè)，當(dāng)電路導(dǎo)通時(shí)即只有一個(gè)發(fā)光二極管亮，表示所在位置螺栓松動，方便實(shí)驗(yàn)記錄觀察，4個(gè)發(fā)光二極管代表四顆螺栓。在解碼電路也有對應(yīng)4個(gè)發(fā)光二極管，當(dāng)螺栓發(fā)生松動時(shí)，干簧開關(guān)閉合觸發(fā)編碼電路，接收端接收相應(yīng)數(shù)據(jù)然后在發(fā)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(shí)驗(yàn)中螺栓的松動用螺母的旋轉(zhuǎn)來代替，1號螺栓松動，其余螺栓不動。

4 結(jié)束語

本位采用DF無線數(shù)據(jù)模塊作為無線射頻發(fā)射模塊，利用干簧開關(guān)在磁場中的特性，根據(jù)螺栓螺母的旋轉(zhuǎn)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(jiān)測方法，該方案不僅有效監(jiān)測了螺栓松動還減少檢測帶來的時(shí)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(shí)該方法也能有效對其他鋼性結(jié)構(gòu)連接處的螺栓進(jìn)行檢測，改進(jìn)方法為將每個(gè)螺栓處貼上自制的柔性電路板，在每個(gè)螺栓對應(yīng)位置焊上干簧開關(guān)并且每個(gè)開關(guān)并聯(lián)?？梢赃x擇每十個(gè)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(gè)干簧開關(guān)并聯(lián)，當(dāng)十個(gè)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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