一种基于无线传输的智能垫片及应用

本发明涉及结构健康监测技术领域，特别是涉及一种基于无线传输的智能垫片及应用。

背景技术：

螺栓连接作为一种通用的连接方式，在建筑、轨道交通、风电、汽车等各工程领域中广泛应用。其可拆装性在施工中带来许多便利，但同时也增加了螺栓的松动脱落概率。螺栓在循环载荷的冲击和强迫振动的作用下会出现不同程度的松动或失效现象，螺栓的松动或失效会导致严重的后果和重大的财产损失。为了避免已松动或失效的螺栓带来的安全事故，对螺栓健康状态进行监测和维护显得非常必要。

压电材料具有压电效应。压电效应的原理是，如果对压电材料施加压力，它便会产生电位差，称之为正压电效应。反之施加电压，则产生机械应力，称之为逆压电效应。压电材料可以因机械变形产生电场，也可以因电场作用产生机械变形，这种固有的机-电耦合效应属性使得压电材料在结构健康监测领域得到了广泛的应用。

现有智能垫片均无法独立工作，需要用导线连接体积庞大的测试设备进行监测，这导致无法对结构上已安装的螺栓进行长期的实时监测。对于不便人工监测的结构或部位，同时也为减少人工定期监测带来的巨大费用与不确定性，提供一种能够实时自动监测螺栓松动的可无线传输的装置显得尤为必要。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于无线传输的智能垫片及应用，以解决现有技术中存在的技术问题，能够对螺栓连接松动及构件损伤进行全过程监测，并将信号无线传输给终端进行分析与预警。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种基于无线传输的智能垫片，包括：基座、保护盖，所述基座为中空结构，所述基座内设有压电陶瓷传感器、信号控制与处理模块、无线传输模块、供电模块；所述压电陶瓷传感器、信号控制与处理模块、无线传输模块依次连接，所述供电模块分别与所述压电陶瓷传感器、信号控制与处理模块、无线传输模块连接；所述保护盖连接于所述基座上；

所述压电陶瓷传感器用于产生阻抗信号；

所述信号控制与处理模块用于向所述压电陶瓷传感器发射激励信号，还用于将所述压电陶瓷传感器产生的阻抗信号进行处理；

所述无线传输模块用于将处理后的所述阻抗信号传输至终端；

所述供电模块用于为所述信号控制与处理模块、无线传输模块提供电源，还用于基于所述信号控制与处理模块发射的激励信号对所提供的电源进行交流变换处理，并发送至所述压电陶瓷传感器。

优选地，所述基座包括第一座体、第二座体，所述压电陶瓷传感器设于所述第一座体内，所述信号控制与处理模块、无线传输模块、供电模块设于所述第二座体内，所述第一座体、第二座体内部相贯通。

优选地，所述保护盖嵌入所述基座内，所述保护盖上设有开窗，所述开窗的位置与所述第二座体相对应，所述开窗上设有可自由开合的盖层。

优选地，所述压电陶瓷传感器为圆环形，所述压电陶瓷传感器封装在环氧树脂保护层内。

优选地，所述无线传输模块采用zig-bee无线传输模块。

优选地，所述供电模块包括电池、逆变器；所述逆变器分别与所述信号控制与处理模块、所述压电陶瓷传感器连接；所述电池分别与所述信号控制与处理模块、无线传输模块连接。

本发明还提供一种基于无线传输的智能垫片的应用，所述智能垫片用于监测已安装所述智能垫片的螺栓的预紧力时序损失，基于所述预紧力时序损失对所述螺栓进行松动识别；所述智能垫片还用于监测成对安装所述智能垫片的构件的损伤时序演化，基于所述损伤时序演化对所述构件进行损伤识别。

优选地，所述智能垫片单个使用，采用机电阻抗法监测已安装所述智能垫片的螺栓的预紧力时序损失。

优选地，所述预紧力时序损失的获取方法包括：

通过所述信号控制与处理模块为所述压电陶瓷传感器提供激励信号，得到由单个所述智能垫片驱动的单自由度弹簧-质量-阻尼系统的耦合电导纳，并通过所述电导纳获取阻抗信号，通过所述阻抗信号的值的变化得到螺栓的预紧力时序损失，完成所述螺栓松动程度的监测。

优选地，所述智能垫片成对使用，包括第一智能垫片、第二智能垫片；所述第一智能垫片作为驱动器，通过所述第一智能垫片的信号控制与处理模块为所述压电陶瓷传感器施加激励电信号，并通过所述压电陶瓷传感器产生应力波；所述第二智能垫片作为传感器，接收到所述第一智能垫片传来的应力波后，通过所述第二智能垫片的压电陶瓷传感器采集电信号，通过所述电信号的变化，对所述构件进行损伤识别。

本发明公开了以下技术效果：

(1)本发明提供一种基于无线传输的智能垫片，采用的传感材料为压电陶瓷材料，压电陶瓷材料具有便于测量的正逆压电效应，且价格低廉，易于加工生产；同时，本发明采用的压电陶瓷材料为环形，受螺栓压力分布均匀，对螺栓松动产生的正逆压电效应更加敏感；且通过设置无线传输模块将数据传输至终端，使得智能垫片的体积较小，易于安装，可用于使用中的螺栓预紧力监测；

(2)本发明能够进行多点布控，由数据采集终端进行收集分析，综合判断，并进行分析、预警；

(3)本发明使用方式灵活，单独使用时，可监测螺栓的预紧力损失时序演化；成对使用时，可监测特定结构部位的损伤演化，从而实现了对螺栓连接松动及构件损伤进行全过程监测。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明基于无线传输的智能垫片结构示意图；

图2为本发明智能垫片安装示意图；

图3为本发明基于无线传输的智能垫片工作原理图；

图中，1为螺栓，2为智能垫片，3为构件，11为盖层，12为保护盖，13为压电陶瓷传感器，14为导线，15为集成体，16为基座，22为供电模块，23为逆变器，24为信号控制与处理模块，25为无线传输模块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一：

参照图1-3所示，本实施例提供一种基于无线传输的智能垫片，包括基座16、保护盖12，所述基座16为中空结构，所述基座16内设有压电陶瓷传感器13、信号控制与处理模块24、无线传输模块25、供电模块22；所述压电陶瓷传感器13、信号控制与处理模块24、无线传输模块25依次连接，所述供电模块22分别与所述压电陶瓷传感器13、信号控制与处理模块24、无线传输模块25连接；所述保护盖12连接于所述基座16上；其中，所述信号控制与处理模块24、无线传输模块25、供电模块22集成在一起，为集成体15。

进一步地优化方案，所述基座16包括第一座体、第二座体，所述第一座体的横截面为圆环形，所述第二座体的横截面为矩形，所述压电陶瓷传感器13设于所述第一座体内，所述信号控制与处理模块24、无线传输模块25、供电模块22设于所述第二座体内，所述第一座体、第二座体内部相贯通。

进一步地优化方案，所述保护盖12嵌入所述基座16内，所述基座16与所述保护盖12采用卡槽连接；所述保护盖12上设有开窗，所述开窗的位置与所述第二座体相对应，所述开窗上设有可自由开合的盖层11，用于供电模块22的更换，也可用于信号控制与处理模块24以及无线传输模块25的维修及更换。

进一步地优化方案，所述压电陶瓷传感器13为圆环形，所述压电陶瓷传感器13封装在环氧树脂保护层内，通过导线14与所述信号控制与处理模块24、所述供电模块22连接。安装时，所述智能垫片2受螺栓预紧力作用，呈现一个初始状态；螺栓1松动时，所述垫片所受压力减小，根据所述压电陶瓷传感器13中压电陶瓷的正压电效应，所述垫片的阻抗发生变化。

进一步地优化方案，所述信号控制与处理模块24包含激发与信号处理两个功能。激发功能是指向所述压电陶瓷传感器13发射激励信号，利用压电陶瓷材料的正逆压电效应，测量压电陶瓷的阻抗信号。信号处理功能指将阻抗信号处理成为可以由无线传输模块25进行传输的信号。

进一步地优化方案，所述无线传输模块25采用zig-bee无线传输模块25，将处理后的所述阻抗信号传输至终端，通过所述终端进行分析与预警；zig-bee是一种短距离、低功耗的无线通信技术。其特点是低功耗，低成本，低速率，短时延，且其传输距离可达到km级，满足一般建筑所需的监测范围。zig-bee技术已经非常成熟，芯片尺寸小，已广泛应用水利、自然灾害防控等各种监测领域。

进一步地优化方案，所述供电模块22用于为所述信号控制与处理模块24、无线传输模块25提供电源，还用于基于所述信号控制与处理模块24发射的激励信号对所提供的电源进行交流变换处理，并向压电陶瓷传感器13发出激发信号。本实施例中，所述供电模块22包括电池、小型逆变器23。所述电池采用纽扣电池，纽扣电池体形较小，表现稳定，使用寿命长，在各种微型电子产品中得到广泛的应用，如电脑主板，电子表，遥控器，电动玩具，心脏起搏器，电子助听器等。纽扣电池需给信号控制与处理模块24，无线传输模块25进行供电。在进行信号激发时，供电模块22电源经小型逆变器23变为交流电，用于测量所述压电陶瓷传感器13阻抗。

实施例二：

本实施例提供一种基于无线传输的智能垫片的应用，用于监测已安装所述智能垫片2的螺栓1的预紧力时序损失，基于所述预紧力时序损失对所述螺栓1进行松动识别；其中，所述智能垫片2单个使用，将所述智能垫片2套接在所述螺栓1上后，将所述螺栓1锁在构件3上，采用机电阻抗法监测已安装所述智能垫片2的螺栓1的预紧力时序损失，具体包括：通过导线14连接所述信号控制与处理模块24与所述压电陶瓷传感器13，通过所述信号控制与处理模块24为所述压电陶瓷传感器13提供激励信号，得到由单个所述智能垫片2驱动的单自由度弹簧-质量-阻尼系统(smp)的耦合电导纳，基于压电效应，通过所述电导纳获取阻抗信号，通过所述阻抗信号的值的变化得到螺栓1的预紧力时序损失，完成所述螺栓1松动程度的监测。

实施例三：

本实施例提供另一种基于无线传输的智能垫片的应用，用于监测成对安装所述智能垫片2的构件3的损伤时序演化，基于所述损伤时序演化对所述构件3进行损伤识别；其中，所述智能垫片2成对使用，包括第一智能垫片、第二智能垫片，所述第一智能垫片、第二智能垫片分别连接在相应的螺栓上，两个所述螺栓分开设置；所述第一智能垫片作为驱动器，通过所述第一智能垫片的信号控制与处理模块24为所述第一智能垫片的压电陶瓷传感器13施加激励电信号，通过所述第一智能垫片的压电陶瓷传感器13中压电陶瓷的逆压电效应在所述构件3中产生应力波；所述第二智能垫片作为传感器，接收到所述第一智能垫片传来的应力波后，通过所述第二智能垫片的压电陶瓷传感器13中的正压电效应采集电信号。当两个所述智能垫片2之间的构件3产生损伤时，应力波的传播路径发生改变，采集到的电信号也发生改变，通过所述电信号的变化，对构件3进行损伤识别。

本发明具有以下技术效果：

(1)本发明提供一种基于无线传输的智能垫片，采用的传感材料为压电陶瓷材料，压电陶瓷材料具有便于测量的正逆压电效应，且价格低廉，易于加工生产；同时，本发明采用的压电陶瓷材料为环形，受螺栓压力分布均匀，对螺栓松动产生的正逆压电效应更加敏感；且通过设置无线传输模块将数据传输至终端，使得智能垫片的体积较小，易于安装，可用于使用中的螺栓预紧力监测；

(2)本发明能够进行多点布控，由数据采集终端进行收集分析，综合判断，并进行分析、预警；

(3)本发明使用方式灵活，单独使用时，可监测螺栓的预紧力损失时序演化；成对使用时，可监测特定结构部位的损伤演化，从而实现了对螺栓连接松动及构件损伤进行全过程监测。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。