一种螺栓预紧力监控系统的制作方法

1.本发明属于紧固件监测技术领域，涉及对螺栓预紧力的监控技术，尤其涉及用于对大型工程中的螺栓进行整体统一的预紧力监控的系统。


背景技术：

2.螺栓是桥梁、风力发电、石油化工等大型工程中必不可少的紧固件，在这些大型工程中螺栓的预紧力（紧固应力）严重关系着工程安全。在线监控螺栓紧固应力是确保螺栓连接安全可靠的最优选择，一套螺栓预紧力监测系统至少包括检测装置、监控端两大基本组成部分。检测装置用于获得螺栓预紧力数据，监控端用于对螺栓预紧力数据进行监控和管理。
3.常见的螺栓预紧力监控系统各组成部分之间的信号传送均通过有线连接实现。监控系统的线缆对现场施工造成极大不便。以附图6所示60颗螺栓的大型法兰为例，将60颗螺栓上的垫片式传感器的线缆布置合理，并确保在螺栓操作过程中，工具不碰到任何一根线缆，对于操作工人来说是一种严重的困扰。而且对于一个涉及几千颗螺栓需要监测的大型工程来说，单传感器布线工作就构成一项体量不小的子工程。
4.公开号为cn108566437a的中国发明专利申请，公开了一种螺栓紧固安全远程监控网络系统，该系统通过网络传输服务系统连接作为检测装置的感知层传感器系统和作为监控端的大数据软件系统以及用户终端，作为检测装置的感知层传感器系统采用无线通讯方式与网络传输服务系统中的网络层网关基站连接。该系统很好地实现了螺栓预紧力监控系统的半无线化。但是，它的感知层传感器系统采用现有的金属应变式、陶瓷厚膜式、溅射薄膜式或半导体式等垫片式传感器（内径d=16.4，外径d=35，厚度h=7mm），垫片传感器以外的部分则封装在参考尺寸外形w*l*h=60*100*30mm的ip67防水盒中。现有垫片式传感器需要外接线缆实现对外信号发送。同样以附图6所示的法兰为例，采用该发明专利申请的监控系统，将形成在法兰一周布置60个尺寸为w*l*h=60*100*30mm的方盒。不仅方盒的固定给施工人员带来了额外的工作，将60个方盒以及与传感之间的线缆布置合理，并确保在螺栓操作过程中，工具不碰到任何一个方盒和任一根线缆，对于操作工人来说更是一种严重的困扰。
5.如何实现大型工程的螺栓预紧力监控系统的完全无线化，是目前尚无法解决的一个难题。
6.

技术实现要素：

7.本发明的目的是克服上述技术难题，提供一种采用智能垫片式传感器的螺栓预紧力监测系统，满足无线化和智能化测量监控螺栓预紧力的需求。
8.本发明的技术方案是：一种用于大型工程的螺栓预紧力监控系统，包括远程监控端和工程现场监测系统，其特征在于，所述现场监测系统由设置在工程现场的现场监测中心、若干预紧力监测组构成，每个预紧力监测组由一个蓝牙中继器和若干无外接线的智能
垫片式传感器组成。
9.工程中的每个需监测预紧力的螺栓配置一个所述智能垫片式传感器，工程中所有需监测预紧力的螺栓按不超过指定半径范围分组，每组螺栓配置一个所述的蓝牙中继器，为每组螺栓配置的一个蓝牙中继器和若干智能垫片式传感器组成一个所述的预紧力监测组。
10.所述智能垫片式传感器为圆环形结构，内部设有检测电路、信号处理电路（信号放大及模数转换电路）、电源电路、控制器（mcu）、低功耗蓝牙模块，圆环的外侧圆周面上贴设为内部电源电路供电的太阳能薄膜。检测电路的输出端接信号处理电路的输入端，控制器分别与信号处理电路的输出端和低功耗蓝牙模块连接，电源电路为检测电路、信号处理电路、控制器、低功耗蓝牙模块供电。
11.蓝牙中继器配置有与智能垫片传感器通讯的蓝牙模块和与现场监测中心通讯的wifi模块。
12.所述现场监测中心通过有线网络或移动网络（gprs/4g/5g）与远程监控端通讯。
13.所述远程监控端包括远端服务器和用户端。
14.在本发明的螺栓预紧力监控系统中，每个智能垫片传感器配置一个独立的id，存储于mcu中。
15.智能垫片传感器工作时，控制器控制电源电路为检测电路通电，在传感器受压的情况下，检测电路输出电压信号，该电压信号经过信号处理电路处理成数字电压信号后输入给mcu，然后控制器根据数字电压信号计算获得相对应的压力值（螺栓预紧力值），再将计算获得的压力信息和id信息，打包成数据包输出给低功耗蓝牙模块对外无线发送。
16.所述智能垫片传感器通过低功耗蓝牙模块，近距离接收蓝牙中继器的指令信号并根据指令信号控制自身工作状态或向蓝牙中继器发送自身id信息和所检测到的压力信息。
17.蓝牙中继器通过wifi模块；远距离接收现场监测中心的指令信号并根据指令信号向智能垫片传感器发出指令信号或向现场监测中心转发组内各智能垫片传感器的id及其所检测到的压力信号。
18.现场监控中心通过有线网络或移动网络，远程接收远程监控端的指令信号，并根据指令信号向蓝牙中继器发出指令信号或向远程监控端转发各智能垫片传感器的id及其所检测到的压力信号。
19.本发明的目的是要实现监控系统的完全无线化和大型工程的统一监控，要实现监控系统的完全无线化，首先需要一个无外接线的垫片传感器，然而在现有技术中，尚没有一种无外接线的垫片传感器。
20.由于现有垫片传感器对外输出的是电压信号，需要将其转换为数字信号才能对外无线发送。要设计一种不需要外接线的垫片式传感器，需要将电压信号的处理电路和无线模块一起集成到垫片传感器中，而信号处理电路及无线模块需要电源，但是，垫片传感器的尺寸受限于垫片功能（厚度要薄，外径也不能过大，外径过大则导致相邻很进的两颗螺栓上则无法装配智能垫片式传感器），其内部狭小的空间不足设置足够容量的电池。因此，设计一种不需要外接线的垫片式传感器，需要克服：内置电源没有空间，外接电源又变成了有线的矛盾。
21.通过在圆环形垫片式传感器的外侧圆周面上贴设太阳能薄膜同时配置无线通讯
模块的技术手段，有希望解决内置电源没有空间，外接电源又变成有线的矛盾。
22.但是，这又存在另一个问题：大型工程现场范围较大，例如一座桥梁短则几百米，长则几千米。大功率无线模块功耗高，依靠仅在体积有限的垫片式传感器的圆周面上贴置的太阳能薄膜的电量无法支持其工作，而小功率无线模块信号传输距离又很短，一般在10米以下，远远不能覆盖工程现场。
23.针对上述情况，本发明最终提出了这样的解决方案：（1）在在圆环形垫片式传感器的外侧圆周面上贴设太阳能薄膜，（2）同时配置低功耗蓝牙，（3）然后对垫片式传感器进行分组，并分别配置蓝牙中继器，（4）再总体配置一个和各组的蓝牙中继器进行通讯的控制中心。
24.解决本发明要解决的问题，上述前三点缺一不可。缺少任何其中一点，都无法成功解决上述问题，以实现：在传感器不能有外接线的前提下，对整个大型工程的螺栓预紧力进行统一监控。
25.所述指定半径小于智能垫片式传感器信号稳定传输的最远距离。
26.所述电源电路包括一个用于缓存电能的储电模块。
27.所述智能垫片式传感器套装在螺栓上，位于螺母或螺帽与被坚固件之间。智能垫片式传感器受限于其作为螺栓垫片的功能，厚度要薄，外径也不能过大。如何在有限的尺寸范围内集成进去检测电路、信号处理电路、电源电路、控制器（mcu）、低功耗蓝牙模块这么多组成部分，同样是本发明要解决的一个技术问题。因此本发明提出如下方案：所述智能垫片式传感器的支撑结构由弹性管柱体和橡胶环组成，所述弹性管柱体中间为与螺栓配套的通孔，所述橡胶环套装在弹性管柱体上；所述检测电路包括由应变片和标准电阻构成的测量电桥，所述应变片顺轴向方向贴在弹性管柱体外侧面，检测电路除应变片以外的电子元件、构成信号处理电路的电子元件、构成电源电路的电子元件、以及控制器和低功耗蓝牙模块，沿长度方向分组间隔排列在一长条形的柔性电路板上，所述柔性电路板环绕弹性管柱体设置在弹性管柱体与橡胶环之间。
28.作为一种变形，当工程范围较小，全部螺栓均位于一个蓝牙中继器的覆盖范围时，可以不设置现场监测中心，所述蓝牙中继器包括蓝牙模块和移动网络（gprs/4g/5g）模块，能够同时连接多个智能垫片式传感器并将数据传输至远端服务器。变形后的一种螺栓预紧力监控系统，包括远程监控端、蓝牙中继器和无外接线的智能垫片式传感器；所述智能垫片式传感器为圆环形结构，内部设有检测电路、信号处理电路、电源电路、控制器、低功耗蓝牙模块，圆环形结构的外侧圆周面上贴设为内部电源电路供电的太阳能薄膜；检测电路的输出端接信号处理电路的输入端，控制器分别与信号处理电路的输出端和低功耗蓝牙模块连接，电源电路为检测电路、信号处理电路、控制器、低功耗蓝牙模块供电；蓝牙中继器配置有与智能垫片传感器通讯的蓝牙模块和与远程监控端通讯的移动网络模块。
29.所述远端服务器装有相应的应用软件，可对接受自蓝牙中继器的数据进行分析处理和及后续应用。
30.进一步地，本发明螺栓预紧力监测系统还包括移动终端，所述移动终端为智能手机、平板电脑或笔记本电脑，装有相应的应用软件，能够通过蓝牙连接多个智能垫片式传感器直接读取数据。
31.优选地，所述控制器为预先编程的微型单片机，能够进行整个传感器的功耗管理
和电参数自诊断。
32.进一步地，所述智能垫片式传感器能够接受外部指令并进行三种工作模式的切换：（a）全性能模式，持续测量并高频率地传送结果；（b）低功耗模式，间隔一定时间主动测量一次并传送结果；（c）待机响应模式，平时仅保持蓝牙连接，在收到外部指令后才测量并回传结果。
33.优选地，所述应变片在传感器弹性管柱体外周按90
°
间隔贴4片或按45
°
间隔贴8片。
34.进一步地，所述远端服务器可以识别传感器的id编号并将其和对应的项目信息、地点信息（gis）绑定，统一有序管理接收的数据。
35.可选地，所述橡胶环外侧设有和柔性电路板相连的usb接口。通过此接口可以在需要时有线外接使用或对传感器进行诊断和配置。
36.进一步地，所述移动终端或远端服务器的应用软件内置标准施工规范要求数据库，通过数据的自动比对分析，可以引导多螺栓紧固的安全操作顺序，同时可以校验操作顺序的正确性，在必要时发出安全警告。
37.进一步地，所述远端服务器内建数据库，收集存储各组螺栓紧固力、智能垫片式传感器电池信息、电路工况信息等各项数据，并定时对数据进行综合分析，实现对项目螺栓紧固力的长期监测和相关安全性预警，以及监测系统自身的维护提醒。
38.进一步地，所述移动终端可以通过网络访问所述远端服务器，进行远程交互。
39.本发明所述监测系统的创新之处和有益效果体现在：1、智能垫片式传感器使用橡胶环作为侧面外壳，内部空间具有极好的可塑性，能针对零件的布局和形状做匹配设计，且便于加工；使用橡胶环还不会有屏蔽无线传输信号的问题；2、垫片式传感器安装在螺栓上后通常不便拆下更换，本发明通过控制器主动对检测电路、信号放大及ad转换电路与电源电路进行通断电控制，对低功耗蓝牙模块发射功率进行调节，实现了几种工作模式的切换，传感器的闲时功耗非常低；而这使得发电能力较弱的太阳能薄膜作为供电来源支持垫片式传感器长期工作成为可能；3、智能垫片式传感器实现了真正的无线化和高集成度，安装工序大为简化，适用场景更广；4、一个蓝牙中继器可以连接同一地点的多个智能垫片式传感器，可以将项目点的数据汇总并以极低的延迟传送至极远距离外的远端服务器，使得监测不受距离限制；这相比于每个传感器直接内置移动网络发射模块要容易实现得多，成本也明显更低；5、远端服务器借助计算机的强大性能，能够建立数据库，统一有序存储各项目点所有螺栓的预紧力信息及监测系统元件自身的工况参数，于是可以基于所采集数据进行分析应用，实现多种功能，还便于后续升级或二次开发。
附图说明
40.图1为本发明所述螺栓预紧力监测系统的一种示意图。
41.图2为本发明所述螺栓预紧力监测系统中的智能垫片传感器的一种立体示意图。
42.图3为智能垫片传感器的内部元件俯视示意图。
43.图4为柔性电路板展开的平面示意图。
44.图5为智能垫片式传感器的内部电路单元示意图。
45.图6为一种多螺栓法兰盘设备示意图。
46.图7为智能垫片式传感器与一种现有垫片式传感器的结构对照图。
47.图8为对螺栓连接稳定性和可靠性容易构成影响的一种管柱式垫片传感器结构示意图。
48.图9为智能垫片式传感器安装时与螺母的位置关系示意图。
49.图10为扳手套筒和螺母及一种现有垫片式传感器配合关系的剖面示意图。
50.图11为扳手套筒和螺母及智能垫片式传感器配合关系的剖面示意图。
51.图12为结构一的智能垫片传感器示意图。
52.图13为图12的智能垫片传感器的管柱体与橡胶环关系的剖面示意图。
53.图14为结构二的智能垫片传感器示意图。
54.图15为图14的智能垫片传感器的管柱体与橡胶环关系的剖面示意图。
55.图16为结构三的智能垫片传感器的管柱体与橡胶环关系的剖面示意图。
具体实施方式
56.为更好地理解本发明内容，下面结合附图与具体实施方式对本发明作详细说明。
57.参照图1，本例所示的螺栓预紧力监测系统为不设置现场监测中心的情况，系统包括智能垫片式传感器1，蓝牙中继器3，远端服务器4和移动终端5。
58.参照图2和图3，本发明的智能垫片式传感器1包括弹性管柱体11、橡胶环12、应变片、柔性电路板13、储电模块14和太阳能薄膜122。所述弹性管柱体11中间为与螺栓配套的通孔，所述橡胶环12套装在弹性管柱体11上。所述应变片顺轴向方向贴在弹性管柱体外侧面，并与柔性电路板13上的标准电阻构成测量电桥电路。所述柔性电路板13上有电源电路131、信号放大及ad转换电路132、单片机133和低功耗蓝牙模块134。柔性电路板13环绕嵌装于橡胶环12内侧。太阳能薄膜122贴装在橡胶环12外侧圆周面上，储电模块14置于橡胶环内部。橡胶环12外侧设有和柔性电路板13相连的usb接口121。
59.所述柔性电路板13采用可弯曲的柔性基材。参照图3、4，构成电源电路131、信号放大及ad转换电路132的电子元件分组布置在长条状的柔性电路板上，电源电路131和信号放大及ad转换电路132的各组电子元件与单片机133、低功耗蓝牙模块134沿柔性电路板长度方向间隔设置。间隔处仅有导线而无电子元件，便于弯曲。
60.智能垫片传感器1的内部电路结构如图5所示。所述应变片在传感器弹性管柱体外周按90
°
间隔贴四片，平分成两组，各自串联后总阻值分别记为r1和r3，连入测量电桥电路相对的两个桥臂，另外两个桥臂配备等值的标准电阻r2和r4，构成测量半桥电路从而采集弹性管柱体11的轴向应变信号。测量电桥电路信号进入放大及转换电路132进行模数转换，变为数字信号进入单片机133。单片机133选用微型尺寸，能计算得出螺栓预紧力数值，并控制各电子元器件进行整个智能垫片式传感器的功耗管理和电参数自诊断。低功耗蓝牙模块134受单片机控制，能以蓝牙和外部设备（蓝牙中继器3或移动终端5）连接，通讯收发数据和指令。
61.智能垫片式传感器1能够接受外部指令并进行三种工作模式的切换：（a）全性能模
式，持续测量并高频率地传送结果；（b）低功耗模式，间隔一定时间主动测量一次并传送结果；（c）待机响应模式，平时仅保持蓝牙连接，在收到外部指令后才测量并回传结果。
62.每一个智能垫片传感器1均有独立的id编号，所述远端服务器4可以识别智能垫片式传感器的id编号并将其和对应的项目信息、地点信息（gis）绑定，统一有序管理接收的数据。
63.所述蓝牙中继器3包括蓝牙模块和移动网络（gprs/4g/5g）模块，能够同时连接多个智能垫片式传感器并将数据传输至远端服务器4。
64.所述远端服务器4为分配了公网ip的计算机，装有相应的应用软件，可对接受自蓝牙中继器3的数据进行分析处理和及后续应用。
65.所述移动终端5为智能手机、平板电脑或笔记本电脑，装有相应的应用软件，能够连接通过蓝牙连接多个智能垫片式传感器读取数据。同时，移动终端5可以通过网络访问所述远端服务器4，进行远程交互。远程交互下，远端服务器4作为服务主机，移动终端5通过网络随时随地登录远端服务器，移动终端5提供显示界面，而处理和计算在远端服务器4完成。
66.所述移动终端5或远端服务器4的应用软件内置标准施工规范要求数据库，通过数据的自动比对分析，可以引导多螺栓紧固的安全操作顺序，同时可以校验操作顺序的正确性，在必要时发出安全警告。
67.该功能非常有实用性。例如，对于如图6所示的一种石化行业的48螺栓大型法兰盘，符合中国特种设备检测研究院出台的“石化过程装备检维修技术规范”（csei/jx 0004
‑
2018）。其对螺栓紧固力、紧固顺序提出了明确要求，应当将螺栓编号分为12组，12组的紧固顺序为1
‑7‑4‑
10
‑2‑8‑5‑
11
‑3‑9‑6‑
12，一组内的四个螺栓同样有循序多次紧固的要求。上述技术规范数字化以后录入远端服务器4或移动终端5的应用软件，在该法兰装备安装过程中，系统能够通过图形化界面提示12组螺栓及每组中单个螺栓的紧固顺序，并实时监测螺栓预紧力大小，在达到所需预紧力时提示紧固完成，并提示下一个待紧固的螺栓编号；若紧固施工的顺序违反规范要求，则发出安全警告。
68.远端服务器4内建数据库，收集存储各组螺栓紧固力、智能垫片式传感器电池信息、电路工况信息等各项数据，并定时对数据进行综合分析，实现对项目螺栓紧固力的长期监测和相关安全性预警，以及监测系统自身的维护提醒。
69.本发明中的智能垫片式传感器1的机械结构本身也有许多优点。
70.现有的采用弹性管柱体作为承压结构的垫片式传感器，为了避免传感器的其它部件（壳体、内部结构等）影响弹性管柱的变形量，一般设计为管柱上端（承压端）相对于其它部件自由活动，下端与壳体固定连接（壳体对管柱具有支撑作用）的结构，这种结构特点存在，结构复杂，加工难度大，或者加工成本高，或者装配过程复杂，装配效率低。并且，为了避免螺母压到金属壳体部分影响测量精度，现有的垫片式传感器通常设置管柱上端凸出一段距离，高于壳体上端面，而这段高出的距离是不能作为有效长度用于贴应变片的。
71.参照图7，将本发明中的智能垫片式传感器1和一种现有的垫片式传感器2进行对比。传感器2的管柱体21与壳体22分体加工，元器件设在壳体22内，管柱体21上端面有一段高出壳体，以避免螺母压到硬质壳体22上盖面而令测量值不准。管柱体21与壳体22仅在a处一圈固定连接。壳体22为截面为u形的圆环，加工较为复杂，而两个零件分别加工再连接装配起来，工序也较繁琐。本发明则只需加工结构较为简单的管柱体与橡胶圈，再将橡胶圈套
在管柱体上即可，无需额外固定手段。
72.壳体22与管柱体21在a处不论通过焊接或卡扣装配，都需要一定长度的互相接触才能保证必要的牢固度，则该段长度（距离d与壳体下端厚度之和）的管柱体不能用于测量贴应变片，同样管柱体上端凸出壳体上盖面的区段d也不能贴应变片，因而现有垫片式传感器实际可以用于粘贴应变片的最大长度为h，相比于本发明，在相等的应变片测量区段长度h下，管柱体将多d d的长度。因而本发明中的智能垫片式传感器的管柱体11可以做到更短，节省了材料成本，同时更小的厚度也令传感器稳定性更好，应用场景更广。
73.参照图8
‑
11，本发明所述螺栓预紧力监测系统的智能垫片传感器1的端面结构具有至少如下两种方案。
74.第一方种方案：支撑螺母圆压面传感器上端面区域平整，具体地，传感器上下表面对应螺母圆压面的部位为垂直于垫片中间通孔轴心的平整的受压面。
75.参照图8（上方为俯视图，下方为正视剖面图），现有的一种采用管柱结构的垫片传感器，为了避免壳体22影响弹性管柱21的变形，管柱21上端与壳体22不连接，管柱上端凸出传感器上表面，螺母6的圆压面y抵压在管柱上端，而不是平整的面上，螺栓容易发生倾斜，如虚线块x所示，导致螺栓拧紧后连接不可靠。
76.为克服上述问题，如图9所示，将本发明中的智能垫片式传感器1的上表面和相应螺母圆压面接触的区域做成平整的，螺母圆压面与传感器上端面接触的圆环面可能完全为弹性管柱体11，也可能内环部分管柱体11、外环部分为橡胶环12，两部分组合而成；但只要螺母和传感器接触面平整，给在螺栓紧固过程的前期给螺母提供稳固的支撑力，就可以避免螺栓倾斜。对于螺母接触面部分为弹性管柱体部分为橡胶环的情形，因为管柱体的弹性模量远大于橡胶，当螺母紧固力增大以后实际形变仍很小，螺母的压力主要由弹性管柱体承担，不会影响测量精度。而防止螺栓倾斜，能够保证螺栓连接的稳定性和可靠性。
77.第二种方案，套筒对应的支撑面与弹性管柱体上端齐平，具体地，传感器上表面与扳手套筒下端对应的部位为垂直于垫片中间通孔轴心的平整面，且该平整面与弹性管柱体对应侧端面齐平。
78.参照图10，现有的一种垫片式传感器内圈承压管柱21凸出于壳体22的上端面，用扳手对螺母6进行紧固时，套筒7自然地会靠在传感器上端面外圈，由于外圈相对内圈有h的高度落差，将使得套筒7与螺母6的接触面积减少，螺母6有长达h的厚度外露，没有与套筒7内壁接触。这将导致螺母下半部分承受扭矩过大，超出正常工作载荷，导致棱面磨损，进而使整个螺母不可用。
79.若安装时手动抬高扳手套筒位置，使之与螺母在高度方向对齐，那么又会由于扳手下端不能考垫片式传感器上端面借力支撑，手持的扳手易抖动，难以保持水平。当扳手倾斜时，扳手套筒与螺母轴线存在倾角，套筒内壁与螺母外侧面不再紧密贴合，而是套筒内壁与螺母的角接触，接触点应力极大而极易使螺母的角被打磨，进而使整个螺母损坏。
80.为克服上述问题，如图11所示，将本发明中的智能垫片式传感器1的上端与套筒下端对应的支撑面做得和弹性管柱体11上端齐平，于是扳手在紧固螺母时，扳手套筒7自然靠在智能垫片式传感器1的上端，由于所靠的支撑面和支撑螺母6的弹性管柱体11上端面高度一致，套筒7就能够自然与螺母6在轴向对齐，螺母的完整侧面都处在套筒中，保证了两者最大的接触面积。
81.以上两种方案的特征相互独立，但也可以同时满足。
82.参照图12
‑
16，本发明所述螺栓预紧力监测系统中智能垫片式传感器1的弹性管柱体11和橡胶环12的具体设置方式有三种方案：结构一，参照图12和13，弹性管柱体11上下端面径向向外扩出凸环，橡胶环12外径等于凸环外径，完全嵌装在上下凸环之间。
83.结构二，参照图14和15，弹性管柱体11上下端面有径向向外少量扩出的凸环，用以定位固定橡胶环12。
84.结构三，参照图16，弹性管柱体11下端面径向向外扩出较大的凸环，其外径和橡胶环12相等，弹性管柱体11上端面设径向向少量外扩出的凸环；下方凸环和橡胶环12下端面相贴，上端小凸环用于橡胶环12上端内侧配合固定，防止橡胶环向上滑出。
85.本发明的保护范围不局限上述具体实施方式，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都涵盖在本发明的保护范围之内。