一种基于分体式位移传感器的法兰连接螺栓监测系统的制作方法

1.本实用新型涉及一种法兰连接螺栓松动在线监测系统，尤其涉及一种基于分体式位移传感器的法兰连接螺栓监测系统。


背景技术：

2.法兰连接是指由法兰、垫片及螺栓三者相互连接作为一组组合密封结构的可拆连接，法兰连接结构在目前工业领域中极其常见，发挥着十分重要的作用。法兰连接结构中的螺栓在交变载荷作用下，承受拉、压循环作用。在拉、压交变载荷作用下，螺纹发生塑性变形而导致松弛，将导致螺栓预紧力减小。预紧力过小会造成连接的不可靠，工作时产生振动松弛、泄露、结构滑移等现象，从而影响机器正常工作；如果螺栓紧固的预紧力过大，导致螺栓在载荷作用下极易断裂，从而削弱了连接节点的承载力，严重时可能诱发结构失稳。因此为了防止螺栓预紧力的减少或消失，用力矩扳手检查螺栓的预紧力是定期维护的一项重要内容。运维地处偏远地带时，螺栓预紧力的定期检查运维策略一般为半年进行一次。这项工作既费时又费力，加之工作人员个人主观和客观方面的多因素影响，并不能保证每次及时发现和消除螺栓松动问题，所以有必要对螺栓松动进行在线监测。
3.目前可以通过在法兰上安装传感器，并通过传感器来监测法兰的状态，从而监测螺栓是否发生松动，该技术方案具有原理简单直观、现场安装方便、技术可靠性高等优点。例如中国专利cn211504073u公开了一种法兰连接螺栓松动监测系统，该系统通过采用分体式位移传感器监测法兰间隙来监测螺栓松动。但是该监测系统还存在以下不足：(1)只有当法兰连接螺栓严重松动或螺栓连接处受到极端载荷的情况下，两个被连接的法兰之间才可能出现间隙，此时位移传感器才能监测到明显位移；若出现螺栓松动，但两个被连接法兰之间无间隙的情况时，位移传感器无法监测到明显位移，从而无法监测到螺栓的松动，监测精度低。(2)当位移传感器可安装位置受限或位移传感器壳体、限位块可安装位置间距较远或较近时，则无法采用该监测系统，使用范围受限。(3)当两个连接法兰的侧壁不在同一平面，且高程相差较大时，无法采用该监测系统。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术中的上述不足，本实用新型提供了一种基于分体式位移传感器的法兰连接螺栓监测系统，该监测系统具有监测精度高、应用范围广、成本低的优点。
5.实现本实用新型上述目的所采用的技术方案为：
6.一种基于分体式位移传感器的法兰连接螺栓监测系统，包括分体式位移传感器以及数据采集仪或边缘计算网关，其中分体式位移传感器与数据采集仪或边缘计算网关相连接并传输所测得的位移信号，所述分体式位移传感器由相互分离的限位块和传感器本体组成，所述传感器本体包括壳体、位于壳体内的pcb组件和导杆、套在导杆上并能够沿导杆滑动的滑动基体以及固定于滑动基体上并随滑动基体同步移动的高精密磁铁，滑动基体的外端设置有磁体并通过磁力吸附固定于限位块上，滑动基体的内端为套设在导杆上的滑块，
所述导杆的两端均套设有限位弹簧，限位弹簧位于滑块的左右两侧，所述pcb组件中包括高精度电磁感应芯片和单片机，高精密磁铁与高精度电磁感应芯片的表面贴合接触，高精度电磁感应芯片与单片机相连接将捕获的磁场变化信号传输至单片机，所述限位块和传感器本体分别直接固定或者通过安装垫块固定于两个相互连接的法兰上，以使限位块和传感器本体的安装平面位于同一平面上，所述分体式位移传感器上的限位块和传感器本体位于两个连接法兰的侧壁上远离连接处的部位，所述导杆、滑动基体和限位弹簧的整体长度与上述两个远离连接处的部位之间的距离相匹配。
7.当上述法兰侧壁上远离连接处的部位上有限位开关或感应探头时，所述限位块的结构呈台阶状并通过安装垫块固定于法兰上，以避免与限位开关或感应探头发生干涉。
8.所述分体式位移传感器设置有四个以上，且均匀地分布在法兰连接处的内圆周上或外圆周上。
9.所述分体式位移传感器通过can通讯、485通讯或以太网与数据采集仪或边缘计算网关相连接。
10.所述pcb组件中还设置有用于采集环境温度数据的温度传感芯片，温度传感芯片与单片机连接并将环境温度数据传输至单片机，单片机对环境温度数据进行处理后发送至数据采集仪或边缘计算网关。
11.所述pcb组件中还设置有用于采集环境振动讯号并转化为电平信号的振动传感芯片，振动传感芯片与单片机连接并将电平信号传输至单片机，单片机对电平信号进行数据处理为振动数据信号后发送至数据采集仪或边缘计算网关。
12.所述壳体的顶面设置有开口，开口处设置有盖板，所述壳体及盖板均为不锈钢材质。
13.所述pcb组件中还设置有防电磁干扰电路。
14.所述磁体为强磁性永磁体。
15.与现有技术相比，本实用新型提供的技术方案有以下优点：1、本实用新型中分体式位移传感器的传感器本体与限位块位于两个连接法兰的侧壁上远离连接处的部位，这样当螺栓松动或断裂后，法兰被压缩量将缩小，法兰外侧面将会沿螺栓拉伸方向出现轴向相对位移，分体式位移传感器监测到法兰轴向相对位移的变化，并将监测到的信号输出到上位机，从而实现法兰连接螺栓的监测，对螺栓松动或断裂的监测更敏感，监测精度高。2、本实用新型中位移传感器采用特有的分体式结构设计、传感器本体与限位块间距可调整，从而满足不同尺寸法兰的监测，应用范围广。3、本实用新型中通过设置安装垫片，可修正两法兰安装面不平整或者不在同一平面上的问题，从而准确地持续测量法兰轴向相对位移。4、本实用新型中通过将限位块设置成台阶状，当法兰上限位块的安装位置处有限位开关或感应探头时，限位块可以绕过限位开关或感应探头并通过安装垫片安装在法兰上，避免与限位开关或感应探头发生干涉。
附图说明
16.图1为本实用新型中基于分体式位移传感器的法兰连接螺栓监测系统的安装示意图；
17.图2为本实用新型中分体式位移传感器的结构示意图；
18.图3为本实用新型中分体式位移传感器的安装状态俯视图；
19.图4为本实用新型中将分体式位移传感器直接固定在法兰侧壁上时的侧视图；
20.图5为本实用新型中将分体式位移传感器通过安装垫块固定在法兰侧壁上时的侧视图；
21.图6为本实用新型中限位块的结构图；
22.图7为当法兰侧壁上远离连接处的部位上有限位开关或感应探头时，位移传感器安装的侧视图；
23.图8为本实用新型中基于分体式位移传感器的法兰连接螺栓监测系统的整体示意图；
24.图中：1
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壳体，2
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限位块，3
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pcb组件，4
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导杆，5
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滑动基体，6
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高精密磁铁，7
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磁体，8
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限位弹簧，9
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盖板，10
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分体式位移传感器，11
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上法兰，12
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下法兰，13
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法兰连接螺栓，14
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安装垫块，15
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远离连接处的部位。
具体实施方式
25.下面结合附图和具体实施例对本实用新型做详细具体的说明，但是本实用新型的保护范围并不局限于以下实施例。
26.本实施例提供的监测系统中，主要基于分体式位移传感器，本实施例中所述的分体式位移传感器10设置有四个，且均匀地分布在法兰连接处的内圆周上，其分布状态如图1所示。
27.所述分体式位移传感器由相互分离的限位块2和传感器本体组成，其结构如图2所示，其中传感器本体包括壳体1、位于壳体内的pcb组件3和导杆4、套在导杆上并能够沿导杆滑动的滑动基体5以及固定于滑动基体上并随滑动基体同步移动的高精密磁铁6，壳体的顶面设置有开口，开口处设置有盖板9，所述壳体及盖板均为不锈钢材质，整体采用金属外壳设计，同时壳体内部还设置有防电磁干扰电路，因此可屏蔽外界对产品的干扰，产品稳定性极强。滑动基体的外端由壳体内伸出，滑动基体的外端设置有磁体7并通过磁力吸附固定于限位块上，所述磁体为强磁性永磁体。滑动基体的内端为套设在导杆上的滑块，所述导杆的两端均套设有限位弹簧8，限位弹簧位于滑块的左右两侧并限制滑块在自由状态下处于导杆上的中间位置。在本专利中，传感器设计为两部分，限位块与上法兰固定在一起，传感器本体与下法兰固定在一起，传感器本体依靠端部的强磁性永磁铁吸附在限位块上，避免因环境温度、振动造成测试结果失真，从而实时准确地监测上法兰与下法兰轴向相对位移的变化。
28.所述限位块和传感器本体分别直接固定或者通过安装垫块14固定于两个相互连接的上法兰11和下法兰12上，法兰连接螺栓13将上法兰11和下法兰12连接固定，如图3、图4和图5所示。当两法兰面不在一平面上时，可选择将相应厚度的安装垫块安装在传感器本体或限位块的下部，以使限位块和传感器本体的安装平面位于同一平面上。所述分体式位移传感器上的限位块和传感器本体位于两个连接法兰的侧壁上远离连接处的部位15，所述导杆、滑动基体和限位弹簧的整体长度与上述两个远离连接处的部位之间的距离相匹配。在安装分体式位移传感器时，可根据法兰的大小调整滑动基体、导杆、限位弹簧的长度，确保限位块和传感器本体位于两个连接法兰的侧壁上远离连接处的部位。当螺栓松动或断裂
后，法兰被压缩量将缩小，法兰外侧面将会沿螺栓拉伸方向出现轴向相对位移，分体式位移传感器监测到法兰轴向相对位移的变化，并将监测到的信号输出到上位机，从而实现法兰连接螺栓的监测。
29.当上述法兰侧壁上远离连接处的部位上有限位开关或感应探头时，所述限位块的结构呈台阶状并通过安装垫块固定于法兰上，以避免与限位开关或感应探头发生干涉。本实施例中限位块的结构如图6所示，此时分体式位移传感器的安装如图7所示。
30.所述pcb组件中包括用于捕获因高精密磁铁移动而产生的磁场变化信号的高精度电磁感应芯片，以及将捕获的磁场变化信号经过数据处理为位移信号并将位移信号发送至数据采集仪或边缘计算网关的单片机。当上法兰和下法兰轴向相对位移出现变化时，滑动基体沿导杆上下滑动，滑动基体滑动的同时带动高精密磁铁移动。随着高精密磁铁移动，pcb组件上的高精度电磁感应芯片周围的磁场会随之变化，高精度电磁感应芯片可快速捕捉磁场的变化，通过单片机采集电磁感应信号，然后单片机内部对数据进行处理，单片机通过can通讯、485通讯或以太网与数据采集仪或边缘计算网关相连接并发送信号给数据采集仪或边缘计算网关，如图8所示，以此来实现位移的测量，精度可达0.5μm，可保持微米级精度持续监测产品的高精度相对位移。
31.所述pcb组件中还设置有用于采集环境温度数据的温度传感芯片，温度传感芯片为一款精密集成数字温度传感芯片，具有高分辨率的特性，测量精度为
±
0.5℃。温度传感芯片先采样外部环境的温度数据，然后和单片机通过i2c协议，把采样值传给单片机；单片机把采集过来的温度数据计算后，通过信号通讯传给数据采集仪或边缘计算网关。
32.所述pcb组件中还设置有振动传感芯片，振动传感芯片采用业界领先的芯片，具有高分辨率、极低功耗和长期稳定的特性；振动传感芯片的分辨率为1mg，测量范围为
±
5g，可同时采集x轴、y轴、z轴的振动量。振动传感芯片首先采样外界的振动讯号，然后内部转化为电平信号传给单片机；单片机把采集过来的振动数据计算后，通过信号通讯传给数据采集仪或边缘计算网关。
33.当周围环境变化时(温度变化、振动环境变化)，产品自身的精度受温度变形、振动影响必然会发生变化。为克服此缺陷，本发明内部设计有温度感应芯片和振动感应芯片，通过实时监测环境状况获取环境的温度数据和振动数据，通过结合单片机内部预先设定的数据模型(将高精度位移传感器模拟实际安装固定在间隙两侧，将间隙固定为零，然后将间隙部件连同高精度位移传感器整体置于温度可调的密闭空间内；通过升温、降温模拟高精度位移传感器处于不同的温度环境下，记录高精度位移传感器受温度形变造成的位移偏移；再通过在不同温度下，将间隙部件连同高精度位移传感器置于振动台上，通过调节不同的振动条件模拟高精度位移传感器处于不同的振动环境，记录其受振动影响造成的位移偏移；重复上叙操作，统计计算出高精度位移传感器受温度、振动影响造成的位移偏移平均值，从而建立数据模型，写入高精度位移传感器的单片机内)，可自动修正由于受环境温度变化和环境振动变化而造成的测量误差，从而极大的提高产品持续监测的测量精度；并将修正后的位移数据与温度数据、振动数据打包发送给数据采集仪或边缘计算网关。
34.本实用新型提供的监测系统实时监测两个法兰轴向相对位移变化，当法兰连接螺栓松动或断裂时，两个法兰轴向相对位移的变化可由分体式位移传感器测得。分体式位移传感器与数采设备(或边缘计算网关)连接，数采设备(或边缘技术网关)上的数据处理分析
软件(采取常规的数据分析软件即可)统计法兰盘间隙数据和振动数据，并经过大数据计算分析，进而判断法兰盘连接螺栓是否发生松动。本实用新型能够实时在线监测法兰间连接螺栓的松动情况，避免出现因松动造成法兰连接螺栓失效，不仅可保障设备安全正常运行。另外，通过长期的监测数据，可进一步建立螺栓松动程度与两个法兰轴向相对位移变化动态变化相关性的大数据模型，实现法兰连接螺栓的“预测性维护”，对于法兰连接螺栓的安全隐患做到早发现，早干预。