[0001] 本发明涉及螺栓检测设备领域，特别是涉及一种防螺栓松动的检测方法及装置。

[0002] 螺栓作为紧固件的代表，在工程结构当中应用十分广泛。在重要设备和构件中，特别处于长期振动的工况下，例如应用于工厂的大型设备、钢结构建筑、钢结构桥梁、悬索桥索夹、运行铁轨、船舶、钢结构厂房和铁塔等，螺栓一旦出现松脱或损坏，将会造成严重甚至灾难性后果。因此，随着对安全要求的提高，除不断改善螺纹、垫圈结构、改进增加附件或安装工艺，严格操作工艺监督外，实测关键螺栓的应力状态，排除材质应力松弛、疲劳破坏和突发事故导致的螺栓应力失效正成为现代许多工业部门的一种广泛需要。螺栓预紧力直接反映其紧固程度，由此对螺栓松动的监测十分必要。

[0003] 现有技术中为了监测螺栓松动情况，通常采用如下几种方式：

[0004] 1、采用带有内部检测元件的应力测量螺栓，采用超声原理的便携式松动检测仪。但这种方式只能在特殊条件下或在实验室条件下供设计研究之用，属于人工电测方案，无法在野外现场及大量测点进行实时、智能监测(例如公开号为CN101659048A的中国专利申请，需要借助具有针对计算机等的发送功能的读取装置，才能够实现后续的螺栓松动检测。
又例如公开号为CN116608985A的中国专利申请，需要根据轨道的参数信息建立出监测模型，通过将螺栓预紧力监测数据标记至对应的轨道监测模型中，对生成的历史监测数据进行判断螺栓紧固情况)。

[0005] 2、现有技术中还通过人工目测螺母画线位置来确定螺栓松与否，这种方式不仅工作量大，而且准确性和可靠性难有保障；并且采用定期巡检、维护的方法，使得检测效率比较低下且成本高昂。例如，当需要检查桥梁或铁路轨道的螺栓紧固情况时，还需要定制检测辅助设施，检测人员需要在高空、高危、高温环境下工作，工作难度大且效果并不理想。又例如，当监测输电塔或缆索桥的螺杆紧固情况时，通过采用无人机、微型直升机现场巡查方案，不仅检查精度比较低且成本高昂。

[0006] 为此，亟需提出一种防螺栓松动的检测方法及装置，以有效解决上述问题。

[0052] 下面将结合附图对本发明的一种防螺栓松动的检测方法及装置进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。

[0053] 在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

[0054] 如图1‑图6所示，本发明实施例提出了一种方便实用的电路板4，包括压力采集电路、温湿度采集电路、无线通信电路和主控芯片电路。

[0055] 具体的，所述压力采集电路与两个应变计3的CN1接口和CN2接口连接，用于对来自于所述应变计3的电压信号进行放大和采集；所述温湿度采集电路用于进行温湿度数据的读取；所述无线通信电路用于与外部设备进行无线通讯，将所述压力采集电路采集到的数据和所述温湿度采集电路读取到的数据传输至外部设备；所述主控芯片电路用于控制所述压力采集电路、温湿度采集电路、无线通信电路的启动；所述主控芯片电路通过引脚HX1_DOUT和引脚HX1_CLK分别与所述压力采集电路中的引脚DOUT和引脚PD_SCK对应相连；所述主控芯片电路通过引脚SH_SCL和引脚SH_SDA分别与所述温湿度采集电路中的引脚SCL和引脚SDA对应相连。

[0056] 在本实施例中，可继续参考图1所示，所述压力采集电路通过两个模数转化芯片U1和U7分别对两个应变计3进行电压信号的放大和采集。

[0057] 进一步的，所述模数转化芯片为24位模数(AD)转化芯片，具有响应速度快和抗干扰性强。

[0058] 在一具体示例中，模数转化芯片可按照10Hz和40HZ的频率进行采样，具有128倍的放大增益，且断电时耗电量小于1uA。

[0059] 在一实施例中，C1和C4为差分输入信号的滤波电容；D2、D3、D4以及D6为ESD保护二极管，主要用于抗静电干扰、浪涌和快速瞬变电脉冲群等干扰；C5、C6、C14以及C15为数字电源和模拟电源的滤波电容。R1、R2、R5以及R6为串口信号线的匹配电阻，防止信号线过长等原因产生反射影响通讯质量。

[0060] 在本实施例中，可继续参考图2所示，所述温湿度采集电路包括温湿度测量探头和温湿度采集芯片(型号可采用SHT30)。

[0061] 具体的，所述温湿度采集电路包括温湿度测量探头和温湿度采集芯片；所述温湿度测量探头由温湿度采集芯片集成，并通过上拉电阻R7和上拉电阻R8连接至电源，以及通过I2C接口进行温湿度数据的读取。

[0062] 进一步的，所述温湿度采集芯片在VDD端和EPAD端之间连接有旁路电容C7，且所述EPAD端接地，用于提高芯片的抗干扰能力。

[0063] 在一具体示例中，U4为纯数字式的温湿度采集芯片，其集成了温湿度测量探头，湿度测量精度为2％RH，温度采集精度为0.2°C，通过上拉电阻R7和上拉电阻R8连接到电源，可通过I2C接口进行温湿度数据的读取。

[0064] 在本实施例中，可继续参考图3所示，所述无线通信电路包括无线通讯模块。具体的，所述无线通讯模块通过SPI接口与所述主控芯片电路中的MCU芯片进行数据交互。

[0065] 在一具体示例中，U5为集成的LORA通讯模块，可进行数百米的无线通讯，通信频率为433Mhz，通信速率为1‑20kbps。C8和C9是模块电源的滤波电容，C11、C10和L2组成通讯天线的PI型滤波器，RF1为天线组件8的IPEX接口。LORA通讯模块通过四线的SPI接口和MCU进行数据交互。

[0066] 在本实施例中，可继续参考图4所示，所述主控芯片电路中的芯片采用STM8S003F3P6TR型号的芯片。

[0067] 在一具体示例中，U3为系统的MCU芯片，采用的芯片型号为STM8S003F3P6TR，其内部的硬件外设资源能基本满足当前系统的需求。其低功耗方面的能力也比较出色，适合于这种依赖于电池供电的小型系统。其中，C17和C19为芯片的旁路电容，C20为复位引脚的滤波电容。

[0068] 在本实施例中，所述MCU芯片与模数转化芯片和温湿度采集电路相连。例如，可参考图1和图4所示，其中一个所述模数转化芯片U1通过电阻R1和电阻R2分别与MCU芯片的引脚HX1_DOUT和引脚HX1_CLK相连接。另一个所述模数转化芯片U7通过电阻R6和电阻R5分别与所述MCU芯片的引脚HX2_DOUT和引脚HX2_CLK(为了区别，引脚进行了不同的标记)相连接，即两个模数转化芯片U1和U7均与所述MCU芯片相连。

[0069] 结合图2和图4所示，温湿度采集电路中的引脚SDA、引脚SCL、引脚VSS和引脚ADD可根据实际需求分别与所述MCU芯片中的引脚SH_SDA、引脚SH_SCL、引脚VSS和引脚ADD对应连接。

[0070] 另外，可继续参考图5和图6所示，本实施还包括串口通信电路以及供电电路。具体的，所述串口通信电路用于为所述供电电路提供不同充电模式；所述供电电路用于为压力采集电路、温湿度采集电路、无线通信电路以及主控芯片电路进行供电；所述主控芯片电路还用于控制所述串口通信电路以及供电电路启动。

[0071] 进一步的，所述串口通信电路包括USB母座和USB转串口芯片。具体的，当需要充电时，所述串口通信电路通过对所述USB母座接入电源进行充电，并通过USB转串口进行程序烧录更新和调试。

[0072] 在一具体示例中，串口通信电路由USB母座和USB转串口芯片组成，其中USB1为USB母座，当电池需要充电时可接入5V输入进行充电，U2为USB转串口通信芯片CH340G，系统通过USB转串口通信芯片CH340G进行程序烧录更新和调试，X1为CH340G的晶振，为USB通信提供高速时钟。C16为旁路电容，D5为USB口的ESD保护二极管。

[0073] 在一实施例中，供电电路包括系统供电和充电电路。U10为锂电池充电芯片，可给纽扣电池充电；R9用于设置充电电流；LED1为充电指示灯；R4为LED的限流电阻；BT1和BT2为锂电池；U8为防反接二极管；U6为防止过流的自恢复保险丝；D1为3.3V的稳压二极管。

[0074] 进一步的，FB1、C12、C2、C13和C3组成数字电源和模拟电源之间的滤波电路，Q1为控制其他芯片供电的MOS管，用于实现低功耗，通过R3由MCU进行通断电的控制。

[0075] 此外，可如图7和图8所示，本实施例还提出一种防螺栓松动的检测装置，包括上述所述的电路板4，还包括基座1、垫片2和应变计3。

[0076] 具体的，所述垫片2安装在所述基座1上；所述电路板4通过套设在所述垫片2上并安装在所述基座1上；所述垫片2的侧壁设有多个凹槽21，所述电路板4上的功能模块位于所述凹槽21中；多个凹槽21能够将所述电路板4上的压力采集电路、温湿度采集电路、无线通信电路和主控芯片电路(即功能模块)暴露出来；所述应变计3安装在所述凹槽21的内壁上，并与所述电路板4中的压力采集电路相连，所述应变计3与所述电路板4上的压力采集电路位于同一个所述凹槽21内；所述基座1、垫片2与电路板4形成一组合体5，所述组合体上设有贯穿孔51，用于与待检测物相连。

[0077] 进一步的，结合图8‑图10所示，本实施例还包括外壳6、垫圈7和天线组件8。具体的，所述组合体5和垫圈7均位于所述外壳6内；所述外壳6的一端设有与所述贯穿孔51位置对应的插孔61，用于待检测物穿过所述插孔61并位于所述贯穿孔51内；所述组合体5上还设有安装在所述基座1上的密封壳9；所述电路板4和垫片2均位于所述密封壳9内；所述垫圈7安装在所述密封壳9上；所述天线组件8的一端与所述电路板4相连，另一端依次穿过所述密封壳9、垫圈7和外壳6，并位于所述外壳6的外部。

[0078] 其中，可继续参考图10所示，本实施例还包括与待检测物相连接的螺母，所述螺母位于所述垫圈7上。所述天线组件8的另一端依次穿过所述密封壳9、垫圈7、螺母和外壳6，并位于所述外壳6的外部。

[0079] 优选的，所述应变计3的数量为两个；两个所述应变计3在所述垫片2上对称设置。

[0080] 在一实施例中，可结合图1和图7所示，两个所述应变计3分别通过CN1接口和CN2接口接入所述压力采集电路中的电源电压VCC信号、IN+信号、IN‑信号以及接地GND信号，其中，IN+和IN‑表示数据信号的正负输入。

[0081] 此外，可如图11所示，本实施例还提出一种防螺栓松动的检测方法，采用如上述所述的防螺栓松动的检测装置，包括如下步骤：

[0082] S1、将待检测物穿过插孔61并位于垫片2的贯穿孔51内；

[0083] S2、通过应变计3检测待检测物对所述贯穿孔51内壁产生的力，并传送至电路板4；

[0084] S3、所述电路板4对待检测物产生的力进行数据测量。

[0085] 具体步骤可如下：将垫片2安装在基座1上，电路板4通过套设在所述垫片2上安装在所述基座1上，将应变计3安装在所述垫片2的凹槽21的内壁上，并与所述电路板4中的压力采集电路相连；将待检测物穿过外壳6上的插孔61并位于垫片2的贯穿孔51内；通过所述应变计3检测待检测物对所述贯穿孔51内壁产生的力，并传送至所述电路板4；所述电路板4对待检测物产生的力进行数据测量。

[0086] 在本实施例中，所述电路板4对待检测物产生的力进行数据测量，包括：

[0087] 如果所述应变计3受到应力产生拉伸，则会产生一个差分信号输出至压力采集电路中模数转化芯片的引脚INN和引脚INP，所述模数转化芯片会先将所述差分信号放大(可放大一定倍数，根据实际需求进行倍数设置)后再作模数转换。转换后的差分信号通过所述模数转化芯片的引脚PD_SCK使MCU芯片产生时钟信号，所述MCU芯片通过所述模数转化芯片的引脚DOUT读取所述压力采集电路中的串行数据，还通过温湿度采集电路的引脚SCL和引脚SDA读取所述温湿度采集电路的温湿度数据，使得所述模数转化芯片的参考电压产生波动，所述参考电压的电压波动反馈到所述应变计3上。其中，引脚PD_SCK和引脚DOUT为模数转化芯片的引脚(即参考图1所示)，分别通过电阻与图4中MCU芯片的引脚HX1_CLK和引脚HX1_DOUT相连接。

[0088] 其中，由于所述模数转化芯片的参考电压为所述应变计的供电电源，所述参考电压的电压波动反馈到所述应变计3上，使得抗干扰能力较强。

[0089] 另外，本实施例还包括：对所述模数转化芯片的放大增益和零点输入偏移进行校准，具体如下：

[0090] 首先，差分输入采样值V和压力P的简化转换公式为P＝K(Vi+Vo)，其中，K是由放大增益和所述应变计3阻值、灵敏度、应力阻值变化系数以及电路特性决定的常数，Vi为由所述应变计3产生的差分电压信号经过运算放大并由所述模数转换芯片获取到的AD值，Vo为应变计无产生压力时的AD值，即为每个芯片内固定的输入零点漂移。

[0091] 然后，将增益分段的区间按压力划分为三段，分别为P0‑Pa1，Pa1‑Pa2和Pa2‑Pa3，其中，Pa3为Pmax，以Ps作为校准测量的步进压力，在0‑Pmax的范围内通过压力标准源输出压力值为Pn＝N×Ps的所有压力值，其中，N＝1，2，3…n，n

[0092] 其次，在0‑Px1，Px1‑Px2和Px2‑Px3的范围内根据Pn和Vn取各分段内的平均值分别求得多段增益放大系数K1，K2和K3，再利用最小二乘法：

[0093]其中，Kj为增益放大系数，j＝1，2，3......N；计算分段区间和分段增益模型的整体方差，按固定步进Ps变化Px1和Px2，重复上面步骤遍历循环计算出所有区间分段的f(t)值，最后找到f(t)nin的分段区间对应Px1和Px2，以及其增益放大系数K1，K2和K3，即为当前的分段增益校准区间和增益放大系数。

[0094] 在本实施例中，由于模数转换芯片(例如型号为HX710A)的差分放大器输入零点和增益都会因温度产生漂移，典型的输入零点温漂为15nV/°C，典型的增益温漂为7ppm/℃，虽然模数转换芯片自带有数字温度传感器，但其不同芯片之间存在较大的增益和零点差异，故不能直接使用温度绝对值作为温度补偿。又由于其温度传感器有着稳定的线性度，在常用的工作环境温度区间内选取T1＝0℃，T2＝25℃这两个温度值，测量并记录该温度传感器转换后对应的AD值V1，V2，T2‑T1/V2‑V1求得斜率K，再由V0＝T1‑K×V1最后得到温度计算公式T＝K×V+V0。因此，能够直接由模数转换芯片内部集成的温度测量功能采集得到不同温度下的AD值，且该值只用于线性度补偿，而非测量绝对温度。即在校正其他相同条件下，由于不同的环境温度而引起模数转换系数的变化。

[0095] 此外，由于应变计3采用了惠斯通桥式电路，故应变计3电阻引起的温度漂移会互相抵消，使得最终同样的压力下差分输入电压不会受环境温度的影响。

[0096] 在本实施方式中，将垫片2安装在基座1上，电路板4通过套设在所述垫片2上安装在所述基座1上，将应变计3安装在所述垫片2的凹槽21的内壁上，并与所述电路板4中的压力采集电路相连；将待检测物穿过外壳6上的插孔61并位于垫片2的贯穿孔51内；通过所述应变计3检测待检测物对所述贯穿孔51内壁产生的力，并传送至所述电路板4；所述电路板4对待检测物产生的力进行数据测量。相比于背景技术中所提到的现有专利的方案，本装置既不需要借助读取装置，也不需要通过建立监测模型，将测得的数据与监测模型进行对比。因此，本装置在保证检查效果的情况下，简单实用，且计算量较小。

[0097] 综上所述，本发明提出的一种防螺栓松动的检测方法及装置，具有如下优势：

[0098] 通过将垫片安装在基座上，电路板通过套设在垫片上安装在基座上，将应变计安装在垫片的凹槽的内壁上，并与电路板中的压力采集电路相连；将待检测物穿过外壳上的插孔并位于垫片的贯穿孔内；通过应变计检测待检测物对贯穿孔内壁产生的力，并传送至电路板；电路板对待检测物产生的力进行数据测量，包括：如果应变计受到应力产生拉伸，则会产生一个差分信号输出至压力采集电路中模数转化芯片的引脚INN和引脚INP，模数转化芯片会先将差分信号放大后再作模数转换；转换后的差分信号通过模数转化芯片的引脚PD SCK使MCU芯片产生时钟信号，MCU芯片通过模数转化芯片的引脚DOUT读取压力采集电路中的串行数据，还通过温湿度采集电路的引脚SCL和引脚SDA读取温湿度采集电路的温湿度数据，使得模数转化芯片的参考电压产生波动，参考电压的电压波动反馈到应变计上。本装置能够无需通过人工目测螺母画线位置来确定螺栓松与否，也无需检测人员为了保证螺栓紧固情况而在高空、高危以及高温环境下工作，更无须采用高成本的无人机等进行现场巡视的方式检测螺栓情况。本装置能够提高对螺栓的检查效率，还能够保证检查效果。

[0099] 显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。