一种多螺栓连接结构预紧力的无线监测方法、无线传感节点及系统

本发明涉及结构健康监测，具体涉及一种多螺栓连接结构预紧力的无线监测方法、无线传感节点及系统。

背景技术：

1、螺栓连接是风力发电、石油化工、桥梁、轨道交通及大型机械装备中广泛采用的连接方式。对于多螺栓法兰连接结构而言，螺栓预紧力直接影响连接界面的密封性能、承载能力和抗疲劳性能。在长期服役过程中，螺栓连接部位会受到交变载荷、机械振动、温度变化、腐蚀及材料松弛等因素影响，容易出现预紧力衰减、螺栓松动甚至连接失效等问题。

2、为了监测螺栓预紧力，现有技术中提出了多种方法，如扭矩法、超声法、应变片法和光纤光栅法等。其中，扭矩法通过控制拧紧扭矩间接估计预紧力，但易受摩擦系数影响，实际预紧力离散性较大；超声法具有无损检测优势，但通常依赖人工检测和外部设备，不利于长期在线监测。而基于应变片或光纤光栅的监测方法，虽然能够直接感知结构应变，但传统系统普遍存在布线复杂、供电困难、安装空间受限和维护成本较高等问题，难以满足户外多螺栓连接结构长期、分布式、低维护的监测需求。

3、随着无线技术的发展，出现了基于无线传感节点的监测方案。然而，现有的无线监测方案仍存在诸多不足。首先，在供电方面，传统无线节点主要依赖电池供电，受电池容量和环境温度限制，难以满足长期监测需求。采用单一能量采集方式，如单一光伏供电，在弱光、夜间或遮挡条件下输出不稳定，无法保证持续工作；而单一电磁感应供能又通常依赖外部近距离激励，难以实现全天候连续运行。

4、其次，在信号处理与传输方面，螺栓预紧力对应的应变信号通常十分微弱，且易受温度漂移、供电波动、振动噪声和电磁干扰的影响，导致预紧力相关信号难以稳定提取。此外，当多个无线传感节点同时工作时，若缺少有效的身份编码和发送时序协调机制，极易出现数据包冲突、通道混淆和接收端解析错误等问题，严重影响监测系统的可靠性。

5、因此，现有技术迫切需要一种能够克服上述供电、信号处理及多节点通信难题，实现对多螺栓连接结构预紧力进行长期、可靠、低成本无线监测的技术方案。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明旨在解决现有无线监测技术中存在的供电可靠性差、信号易受干扰、多节点通信易冲突等问题。为此，本发明提供了一种多螺栓连接结构预紧力的无线监测方法、无线传感节点及系统，以实现对多螺栓连接结构预紧力的长期、稳定、低功耗的无线监测。

2、本发明提供的一种多螺栓连接结构预紧力的无线监测方法，应用于包含应变传感器的无线传感节点，所述无线传感节点还包括第一能量采集单元、第二能量采集单元、能量管理单元和储能元件，其特征在于，包括以下步骤：由所述第一能量采集单元采集环境中的光能，和/或由所述第二能量采集单元响应外部无线激励信号以非接触方式获取能量；由所述能量管理单元基于所述第一能量采集单元和/或所述第二能量采集单元的能量采集状态以及所述储能元件的储能状态，对所述无线传感节点的工作模式进行管理；采集由所述应变传感器转换的、与所述预紧力对应的应变信号；对所述应变信号进行处理，以提取表征所述预紧力的稳态特征量；将所述稳态特征量编码为时间域信号参数；将所述时间域信号参数、用于区分不同监测区域的组id和区分组内不同节点的节点id封装为数据帧；在发送所述数据帧前，引入随机延迟，以进行异步传输。

3、在一种实施方式中，所述由所述能量管理单元基于所述第一能量采集单元和/或所述第二能量采集单元的能量采集状态以及所述储能元件的储能状态，对所述无线传感节点的工作模式进行管理，包括：在所述第一能量采集单元采集到足够能量时，采用光伏供电模式；在所述第一能量采集单元无法采集到足够能量时，进入低功耗休眠模式；和/或，在所述第二能量采集单元获取到能量时，进入电磁唤醒采集模式。这种智能的模式切换策略，能够最大化能源利用效率，延长节点在复杂环境下的工作寿命。

4、在一种实施方式中，所述对所述应变信号进行处理，以提取表征所述预紧力的稳态特征量，包括：对采样得到的应变信号序列进行快速傅里叶变换并提取零频分量，或对所述应变信号序列进行滑动平均处理。该步骤能够有效滤除高频振动噪声和瞬时干扰，从而精确提取与静态或准静态预紧力相关的核心信息。

5、在一种实施方式中，所述将所述稳态特征量编码为时间域信号参数，包括：将所述稳态特征量线性映射为一个作为时间域信号参数的占空比。采用占空比编码，不仅简化了节点端的处理逻辑，降低了功耗，而且使得信号在无线传输过程中具有更强的抗干扰能力。

6、本发明还提供了一种用于监测多螺栓连接结构预紧力的无线传感节点，包括应变传感器，其特征在于，还包括：第一能量采集单元，用于采集环境中的光能；所述第一能量采集单元包括光伏电池片、最大功率点跟踪电路、升压/降压变换电路和防反灌保护电路；第二能量采集单元，用于响应外部无线激励信号，以非接触方式从所述外部无线激励信号中获取能量；所述第二能量采集单元包括外部发射线圈、节点端接收线圈、谐振匹配电容、整流桥、滤波电容和稳压电路；储能元件；能量管理单元，用于基于所述第一能量采集单元和/或所述第二能量采集单元的能量采集状态以及所述储能元件的储能状态，对所述无线传感节点的工作模式进行管理；处理单元，配置为：对由所述应变传感器转换的应变信号进行处理，以提取表征所述预紧力的稳态特征量；将所述稳态特征量编码为时间域信号参数；将所述时间域信号参数、用于区分不同监测区域的组id和区分组内不同节点的节点id封装为数据帧；以及在发送所述数据帧前，引入随机延迟。

7、在一种实施方式中，所述第一能量采集单元为一种光伏能量采集单元；所述第二能量采集单元为一种电磁感应取能单元。

8、在一种实施方式中，所述时间域信号参数为占空比。

9、在一种实施方式中，所述应变传感器、所述处理单元、所述能量管理单元、所述第一能量采集单元和所述第二能量采集单元均集成在尺寸不大于15x15mm的电路板上。

10、本发明还提供了一种多螺栓连接结构预紧力的无线监测系统，其特征在于，包括：一个或多个如上所述的无线传感节点；以及接收端，所述接收端配置为接收由所述无线传感节点发送的数据帧，并根据所述数据帧中包含的组id和节点id，将解析出的数据与预设的螺栓位置进行匹配。

11、在一种实施方式中，所述接收端还配置为：根据接收到的所述时间域信号参数和测量的温度，利用预先标定的多参数模型换算出最终的预紧力值。；将换算出的所述最终的预紧力值与预设的阈值进行比较，当所述最终的预紧力值超出所述阈值时触发报警。

12、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

13、1、提高了供电可靠性与环境适应性：通过采用光伏与电磁感应协同供电，并结合智能的能量管理策略，解决了传统无线节点依赖单一能源而导致的供电不稳或寿命受限的问题，提高了节点在光照变化、无光照等复杂户外环境下的长期供电可靠性和工作可用性。

14、2、增强了监测信号的稳定性和准确性：通过在节点端提取稳态特征量并将其编码为时间域信号参数，有效抑制了机械振动、电磁干扰和电源波动等因素对微弱应变信号的影响，降低了数据传输功耗，提高了预紧力监测的稳定性和鲁棒性。同时，接收端的多参数模型进一步补偿了温度漂移，提升了最终预紧力值的准确度。

15、3、实现了可靠的多节点分布式监测：通过在数据帧中封装组id和节点id进行身份识别，并引入随机延迟实现异步传输，有效避免了多节点同时通信时的数据冲突和通道混淆，保证了在大规模分布式监测场景下数据的可靠接收和正确解析。

16、4、实现了系统的高度集成与易用性：通过将传感、处理、通信和协同供电等多个功能模块高度集成于小型化无线传感节点中，实现了系统的微型化、低功耗和易于部署，降低了现场安装和后期维护的难度与成本，并结合接收端的实时显示与报警功能，为用户提供了完整的、从监测到预警的一体化解决方案。