[發(fā)明專利]基于重疊扇環(huán)形貼片天線的螺栓松動(dòng)傳感器及監(jiān)測系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011382784.0
• 申請(qǐng)日: 2020-12-01
• 公開（公告）號(hào): CN112697336B
• 公開（公告）日: 2021-09-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 謝麗宇;鄭志泉;薛松濤
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 同濟(jì)大學(xué)
• 主分類號(hào): G01L5/24
• 分類號(hào): G01L5/24;H02J50/20;G06K19/07;G06K19/077
• 代理公司: 上?？坡蓪＠硎聞?wù)所(特殊普通合伙) 31290
• 代理人: 葉鳳

1.一種基于重疊扇環(huán)形貼片天線的螺栓松動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，包括RFID標(biāo)簽(1)、閱讀器(4)和設(shè)置模塊，其中：

用于監(jiān)測螺栓及螺帽旋轉(zhuǎn)的RFID標(biāo)簽(1)，包括組件一和組件二，其中：

組件一由中部六邊形開孔介質(zhì)板(5)和第一扇環(huán)形貼片(6)構(gòu)成，第一扇環(huán)形貼片(6)打印在六邊形開孔介質(zhì)板(5)的突出部分的下表面；

組件二由第二扇環(huán)形貼片(7)、微帶饋電線(8)、芯片(9)、環(huán)形介質(zhì)板(10)和地平面(11)構(gòu)成；第二扇環(huán)形貼片(7)和微帶饋電線(8)相連，并打印在環(huán)形介質(zhì)板(10)的上表面；芯片(9)連接于微帶饋電線(8)的末端并固定在環(huán)形介質(zhì)板(10)上；地平面(11)打印在環(huán)形介質(zhì)板(10)下表面；

第二扇環(huán)形貼片(7)的徑向?qū)挾扰c第一扇環(huán)形貼片(6)相同；

當(dāng)?shù)谝簧拳h(huán)形貼片(6)與第二扇環(huán)形貼片(7)處于重疊狀態(tài)時(shí)，第一扇環(huán)形貼片(6)的環(huán)向長度與第二扇環(huán)形貼片(7)的環(huán)向長度之和減去二者重疊部分的長度即為天線的諧振長度；當(dāng)?shù)谝簧拳h(huán)形貼片(6)與第二扇環(huán)形貼片(7)不再重疊時(shí)，天線的諧振長度為第二扇環(huán)形貼片(7)的長度；

組件一與待測螺栓(2)的螺帽相連，組件二與被連接件(3)相連，使用中螺帽的轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)引起組件一與組件二之間相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而引起第一扇環(huán)形貼片(6)與第二扇環(huán)形貼片(7)重疊長度的變化，進(jìn)而引起天線諧振長度的變化，導(dǎo)致天線的諧振頻率發(fā)生改變；RFID標(biāo)簽(1)將待測螺栓(2)的螺帽旋轉(zhuǎn)角度的信息轉(zhuǎn)化為電磁波信號(hào)；

RFID標(biāo)簽(1)與閱讀器(4)之間的距離在通信讀取范圍內(nèi)；

系統(tǒng)控制閱讀器(4)以周期性可變的不同頻率電磁波發(fā)射，當(dāng)發(fā)射的頻率電磁波匹配RFID標(biāo)簽(1)目前的工作諧振頻率則被激活，RFID標(biāo)簽(1)通過天線發(fā)生應(yīng)答信號(hào)，與閱讀器(4)建立通信；

閱讀器(4)負(fù)責(zé)無線讀取RFID標(biāo)簽(1)的信息并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；

設(shè)置模塊作為人機(jī)交互模塊，系統(tǒng)通過設(shè)置模塊負(fù)責(zé)輸入預(yù)警開始松動(dòng)時(shí)和完全失去預(yù)緊力狀態(tài)時(shí)螺帽所發(fā)生旋轉(zhuǎn)的角度邊界閾值；

根據(jù)螺栓的規(guī)格、力學(xué)參數(shù)和螺距，確定出螺栓從預(yù)設(shè)預(yù)緊力狀態(tài)變化到完全失去預(yù)緊力狀態(tài)時(shí)螺帽所旋轉(zhuǎn)的角度，設(shè)置模塊給系統(tǒng)輸入；在安裝標(biāo)簽(1)時(shí)，同時(shí)根據(jù)選定某任意的內(nèi)圓弧和外圓弧初始相對(duì)面積；

當(dāng)被測對(duì)象螺栓松動(dòng)時(shí)，第一扇環(huán)形貼片(6)與第二扇環(huán)形貼片(7)重疊長度的發(fā)生變化，天線諧振長度發(fā)生變化，從而天線諧振頻率發(fā)生變化，經(jīng)過理論分析和具體試驗(yàn)，確定出天線諧振頻率漂移量和螺帽旋轉(zhuǎn)角度的影響關(guān)系式；天線諧振頻率變化Δf_R與待測螺栓的螺帽旋轉(zhuǎn)角度Δθ之間的關(guān)系可用如下公式表示：

式中c是真空中光速，ε是環(huán)形介質(zhì)板(10)的相對(duì)介電常數(shù)，L₂是第一扇環(huán)形貼片(6)的中線的環(huán)向長度，L₄是第二扇環(huán)形貼片(7)的中線的環(huán)向長度，L₀為兩貼片中線的初始環(huán)向重疊長度，R為第一扇環(huán)形貼片(6)和第二扇環(huán)形貼片(7)中線的半徑；通過確定諧振頻率的漂移量，可以計(jì)算出待測螺栓的螺帽旋轉(zhuǎn)角度。

2.如權(quán)利要求1所述系統(tǒng)，特征是，閱讀器(4)包括無線收發(fā)模塊、調(diào)制解調(diào)模塊、控制模塊、數(shù)字處理模塊；通過無線收發(fā)模塊、調(diào)制解調(diào)模塊，RFID閱讀器可以檢測RFID標(biāo)簽的諧振頻率漂移，經(jīng)調(diào)制解調(diào)模塊解調(diào)后提供給控制模塊、數(shù)字處理模塊，數(shù)字處理模塊根據(jù)設(shè)置模塊中的對(duì)應(yīng)關(guān)系計(jì)算出因螺栓松動(dòng)兩組件所發(fā)生的相對(duì)轉(zhuǎn)角，即螺帽旋轉(zhuǎn)角度，進(jìn)而判斷螺栓狀態(tài)。

3.如權(quán)利要求2所述系統(tǒng)，特征是，

其中,控制模塊，用于控制系統(tǒng)的RFID閱讀器以不同的頻率向RFID標(biāo)簽發(fā)射調(diào)制過的電磁波信號(hào)，當(dāng)RFID標(biāo)簽接收到的信號(hào)功率達(dá)到閾值時(shí)，RFID標(biāo)簽中的芯片即可被激活；激活標(biāo)簽所需要的閱讀器最小發(fā)射功率P_min(f)與閱讀器所發(fā)射信號(hào)頻率f有關(guān)，當(dāng)閱讀器以RFID標(biāo)簽中扇環(huán)形貼片天線諧振頻率發(fā)射信號(hào)時(shí)f_R，激活標(biāo)簽所需的最小發(fā)射功率P_min(f_R)最小。

4.如權(quán)利要求2所述系統(tǒng)，特征是，

其中，數(shù)字處理模塊通過尋找使最小發(fā)射功率達(dá)到最小值的發(fā)射頻率，即可確定出RFID標(biāo)簽中天線的諧振頻率；當(dāng)天線兩個(gè)重疊長度的發(fā)生變化，天線電容發(fā)生變化，其諧振頻率漂移，通過數(shù)字處理模塊根據(jù)公式(1)可以確定諧振頻率漂移量，從而得出發(fā)生的轉(zhuǎn)角值和螺帽旋轉(zhuǎn)角度，根據(jù)螺帽旋轉(zhuǎn)角度判斷螺栓狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)螺栓松動(dòng)的無源無線監(jiān)測。