本技術(shù)涉及軌道交通安全監(jiān)測領(lǐng)域，特別是涉及一種頻率-應力映射的螺栓緊固狀態(tài)無源無線檢測裝置及方法。

背景技術(shù)：

1、螺栓緊固件是保證交通設(shè)備結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和運行安全性的關(guān)鍵組件。在長時間、高強度、高負荷的復雜行車環(huán)境下，螺栓可能會發(fā)生松動從而使它的緊固能力逐漸減弱，并且由于其長期暴露于自然環(huán)境中，螺栓可能出現(xiàn)腐蝕、疲勞、斷裂等安全隱患。螺栓松動或損壞可能會導致設(shè)備故障、運行中斷，甚至會引發(fā)列車脫軌等重大安全事故，嚴重威脅了乘客的生命安全。因此，對軌道交通行業(yè)各類螺栓的松動情況進行監(jiān)測，對提升行業(yè)安全性有重要意義。

2、現(xiàn)有主流的螺栓緊固狀態(tài)檢測方法是列車停運后進行人工巡檢，即針對某些重要螺栓，工人會利用扭力扳手將其重新擰緊，此方法較為可靠，但仍然無法完全避免由于人的錯誤而造成的漏檢、錯檢問題，且其需要消耗大量的人力資源，費時費力，無法對螺栓松動情況進行實時、自動化檢測。其它新興的螺栓松動檢測技術(shù)，如：視頻監(jiān)測法和墊片式壓力傳感器測量法，在某些方面上對人工檢測法的缺點進行了改進，但仍然具有諸多問題，如：視頻監(jiān)測法仍然需要人工目視檢查，并且存在視覺盲區(qū)，只能對攝像頭能拍攝到的螺栓進行檢測；墊片式壓力傳感器測量法的壓力測量模塊和無線傳輸模塊均依賴微型電池供電，使用壽命大打折扣，使用場景受到嚴重限制。目前市面上針對傳統(tǒng)墊片式壓力傳感器測量法進行了原理上的改進，使其不再需要電池供電，主要代表有射頻識別(radio?frequencyidentification，rfid)墊片式壓力傳感器以及近場通信(near?field?communication，nfc)墊片式壓力傳感器，前者使用高頻無源rfid標簽進行通信，但此方法受金屬影響非常大，無法適應軌道交通的日常工作環(huán)境；后者的通信距離非常近，必須緊貼才能進行壓力信息的讀取，仍然需要人工操作。

3、所以現(xiàn)有的螺栓緊固狀態(tài)檢測方法存在的主要問題主要有以下兩點。

4、1.需要人力檢測，人工成本高，且操作繁瑣，需要進行專業(yè)培訓。

5、2.需要微型電池供電來實現(xiàn)壓力檢測、模數(shù)轉(zhuǎn)換、無線通信等功能，導致耐用性低，使用場景受到限制。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本技術(shù)的目的是提供一種頻率-應力映射的螺栓緊固狀態(tài)無源無線檢測裝置及方法，可自動檢測螺栓緊固狀態(tài)無需人工，且無需電池供電。

2、為實現(xiàn)上述目的，本技術(shù)提供了如下方案：第一方面，本技術(shù)提供了一種頻率-應力映射的螺栓緊固狀態(tài)無源無線檢測裝置，用于同時測量n個位置的待測螺栓的緊固狀態(tài)，n為大于或等于1的正整數(shù)，所述頻率-應力映射的螺栓緊固狀態(tài)無源無線檢測裝置包括：信號發(fā)生裝置、信號接收裝置、判斷主機和n個螺栓緊固狀態(tài)檢測模塊；n個螺栓緊固狀態(tài)檢測模塊與n個位置的待測螺栓一一對應設(shè)置。信號接收裝置與判斷主機通信連接。

3、所述螺栓緊固狀態(tài)檢測模塊包括：螺母、接收端容諧電路、發(fā)射端容諧電路、第一叉指電極、第二叉指電極、第一壓電材料和第二壓電材料；所述螺母設(shè)置在待測螺栓上；所述接收端容諧電路、所述發(fā)射端容諧電路、所述第一壓電材料和所述第二壓電材料均設(shè)置在所述螺母的側(cè)壁上；所述第一叉指電極設(shè)置在所述第一壓電材料表面，所述第二叉指電極設(shè)置在所述第二壓電材料表面；所述發(fā)射端容諧電路包括機械可變電容；所述機械可變電容的兩個極板沿螺母的軸向方向布設(shè)；所述第一叉指電極相鄰叉指沿螺母的軸向方向布設(shè)；所述第二叉指電極相鄰叉指沿螺母的軸向方向布設(shè)；所述第一叉指電極與所述第二叉指電極以螺母的軸向方向?qū)ΨQ；所述第一叉指電極與所述接收端容諧電路電連接，所述第二叉指電極與所述發(fā)射端容諧電路電連接。

4、所述信號發(fā)生裝置用于向各螺栓緊固狀態(tài)檢測模塊內(nèi)的接收端容諧電路發(fā)射激勵信號，所述接收端容諧電路用于對激勵信號進行混頻和濾波，以使所述接收端容諧電路產(chǎn)生共振并生成交變電流；所述信號接收裝置用于獲取各螺栓緊固狀態(tài)檢測模塊內(nèi)的發(fā)射端容諧電路的諧振頻率，所述判斷主機用于根據(jù)各螺栓緊固狀態(tài)檢測模塊內(nèi)的發(fā)射端容諧電路的諧振頻率確定各位置的待測螺栓的緊固狀態(tài)參數(shù)，并基于各位置的待測螺栓的緊固狀態(tài)參數(shù)得到各位置的待測螺栓的緊固狀態(tài)，當n大于1時，不同螺栓緊固狀態(tài)檢測模塊內(nèi)的接收端容諧電路生成的交變電流的諧振頻率不同；緊固狀態(tài)參數(shù)包括：預緊力和旋轉(zhuǎn)角度。

5、可選地，所述接收端容諧電路，具體包括：三端復合半導體電路和lc諧振電路；所述三端復合半導體電路的輸入端與所述信號發(fā)生裝置連接，所述lc諧振電路的輸入端與所述三端復合半導體電路的輸出端連接，所述lc諧振電路的輸出端與所述第一叉指電極連接，所述三端復合半導體電路用于對激勵信號進行混頻，所述lc諧振電路用于對混頻后的激勵信號進行濾波，當n大于1時，不同螺栓緊固狀態(tài)檢測模塊內(nèi)的lc諧振電路的電容值不同。

6、可選地，當n等于1時，所述判斷主機用于基于螺栓緊固狀態(tài)檢測模塊內(nèi)的發(fā)射端容諧電路的諧振頻率、諧振頻率與螺栓預緊力關(guān)系曲線以及諧振頻率與螺栓旋轉(zhuǎn)角度關(guān)系曲線確定待測螺栓的緊固狀態(tài)參數(shù)，并基于待測螺栓的緊固狀態(tài)參數(shù)得到待測螺栓的緊固狀態(tài)，當n大于1時，所述判斷主機用于基于諧振頻率集合、各位置的待測螺栓對應的預設(shè)諧振頻率區(qū)間、諧振頻率與螺栓預緊力關(guān)系曲線以及諧振頻率與螺栓旋轉(zhuǎn)角度關(guān)系曲線，確定各位置的待測螺栓的緊固狀態(tài)參數(shù)，并基于各位置的待測螺栓的緊固狀態(tài)參數(shù)得到各位置的待測螺栓的緊固狀態(tài)；所述諧振頻率集合包括：各螺栓緊固狀態(tài)檢測模塊內(nèi)的發(fā)射端容諧電路的諧振頻率。

7、可選地，所述螺母包括：下層螺母本體以及上層螺母本體；所述上層螺母本體設(shè)置在所述下層螺母本體上方；所述下層螺母本體的材質(zhì)為金屬，所述上層螺母本體的材料為高分子復合材料；所述接收端容諧電路、所述發(fā)射端容諧電路、所述第一壓電材料和所述第二壓電材料均設(shè)置在所述上層螺母本體的側(cè)壁上。

8、可選的，所述信號發(fā)生裝置、所述信號接收裝置和所述判斷主機均集成在無人巡檢車或者列車入庫處的定點檢測系統(tǒng)上。

9、第二方面，本技術(shù)提供了一種頻率-應力映射的螺栓緊固狀態(tài)無源無線檢測方法，應用于上述頻率-應力映射的螺栓緊固狀態(tài)無源無線檢測裝置，所述頻率-應力映射的螺栓緊固狀態(tài)無源無線檢測方法包括：獲取各螺栓緊固狀態(tài)檢測模塊內(nèi)的發(fā)射端容諧電路的諧振頻率。

10、基于各螺栓緊固狀態(tài)檢測模塊內(nèi)的發(fā)射端容諧電路的諧振頻率確定各位置的待測螺栓的緊固狀態(tài)參數(shù)，并基于各位置的待測螺栓的緊固狀態(tài)參數(shù)得到各位置的待測螺栓的緊固狀態(tài)；緊固狀態(tài)參數(shù)包括：預緊力和旋轉(zhuǎn)角度。

11、可選地，基于各螺栓緊固狀態(tài)檢測模塊內(nèi)的發(fā)射端容諧電路的諧振頻率確定各位置的待測螺栓的緊固狀態(tài)參數(shù)，并基于各位置的待測螺栓的緊固狀態(tài)參數(shù)得到各位置的待測螺栓的緊固狀態(tài)，具體包括：當n等于1時，基于螺栓緊固狀態(tài)檢測模塊內(nèi)的發(fā)射端容諧電路的諧振頻率、諧振頻率與螺栓預緊力關(guān)系曲線以及諧振頻率與螺栓旋轉(zhuǎn)角度關(guān)系曲線確定待測螺栓的緊固狀態(tài)參數(shù)，并基于待測螺栓的緊固狀態(tài)參數(shù)得到待測螺栓的緊固狀態(tài)。

12、當n大于1時，基于諧振頻率集合、各位置的待測螺栓對應的預設(shè)諧振頻率區(qū)間、諧振頻率與螺栓預緊力關(guān)系曲線以及諧振頻率與螺栓旋轉(zhuǎn)角度關(guān)系曲線，確定各位置的待測螺栓的緊固狀態(tài)參數(shù)，并基于各位置的待測螺栓的緊固狀態(tài)參數(shù)得到各位置的待測螺栓的緊固狀態(tài)；所述諧振頻率集合包括：各螺栓緊固狀態(tài)檢測模塊內(nèi)的發(fā)射端容諧電路的諧振頻率。

13、可選地，基于螺栓緊固狀態(tài)檢測模塊內(nèi)的發(fā)射端容諧電路的諧振頻率、諧振頻率與螺栓預緊力關(guān)系曲線以及諧振頻率與螺栓旋轉(zhuǎn)角度關(guān)系曲線確定待測螺栓的緊固狀態(tài)參數(shù)，并基于待測螺栓的緊固狀態(tài)參數(shù)得到待測螺栓的緊固狀態(tài)，具體包括：基于螺栓緊固狀態(tài)檢測模塊內(nèi)的發(fā)射端容諧電路的諧振頻率以及諧振頻率與螺栓預緊力關(guān)系曲線確定待測螺栓的預緊力。

14、基于螺栓緊固狀態(tài)檢測模塊內(nèi)的發(fā)射端容諧電路的諧振頻率以及諧振頻率與螺栓旋轉(zhuǎn)角度關(guān)系曲線確定待測螺栓的旋轉(zhuǎn)角度。

15、根據(jù)待測螺栓的預緊力和旋轉(zhuǎn)角度確定待測螺栓的緊固狀態(tài)。

16、可選地，基于諧振頻率集合、各位置的待測螺栓對應的預設(shè)諧振頻率區(qū)間、諧振頻率與螺栓預緊力關(guān)系曲線以及諧振頻率與螺栓旋轉(zhuǎn)角度關(guān)系曲線，確定各位置的待測螺栓的緊固狀態(tài)參數(shù)，并基于各位置的待測螺栓的緊固狀態(tài)參數(shù)得到各位置的待測螺栓的緊固狀態(tài)，具體包括：基于諧振頻率集合以及各位置的待測螺栓對應的預設(shè)諧振頻率區(qū)間，確定諧振頻率集合中各諧振頻率對應的待測螺栓的位置。

17、根據(jù)諧振頻率集合、諧振頻率與螺栓預緊力關(guān)系曲線以及諧振頻率與螺栓旋轉(zhuǎn)角度關(guān)系曲線確定諧振頻率集合中各諧振頻率對應的待測螺栓的緊固狀態(tài)。

18、基于各諧振頻率對應的待測螺栓的緊固狀態(tài)以及各諧振頻率對應的待測螺栓的位置確定各位置的待測螺栓的緊固狀態(tài)。

19、可選地，基于諧振頻率集合以及各位置的待測螺栓對應的預設(shè)諧振頻率區(qū)間，確定諧振頻率集合中各諧振頻率對應的待測螺栓的位置，具體包括：對于諧振頻率集合中任意一個諧振頻率，確定所述諧振頻率所在的預設(shè)諧振頻率區(qū)間對應的待測螺栓的位置為所述諧振頻率對應的待測螺栓的位置。

20、根據(jù)本技術(shù)提供的具體實施例，本技術(shù)具有以下技術(shù)效果：本技術(shù)提供了一種頻率-應力映射的螺栓緊固狀態(tài)無源無線檢測裝置及方法，通過信號發(fā)生裝置自動產(chǎn)生激勵信號，螺栓緊固狀態(tài)檢測模塊對激勵信號進行處理，并產(chǎn)生諧振頻率，信號接收裝置自動接收諧振頻率并上傳給判斷主機，判斷主機根據(jù)諧振頻率得到螺栓緊固狀態(tài)，全程無需人為參與，可自動檢測螺栓緊固狀態(tài)。

21、因為螺栓緊固狀態(tài)檢測模塊內(nèi)的發(fā)射端容諧電路包括機械可變電容，機械可變電容的兩個極板以及兩個叉指電極相鄰叉指均沿螺母的軸向方向布設(shè)，導致機械可變電容以及叉指電極相鄰叉指的間距隨螺母壓縮量變化，螺母壓縮量隨螺栓預緊力大小變化，緊固狀態(tài)不同螺栓預緊力不同，所以諧振頻率與螺栓緊固狀態(tài)有關(guān)，采用頻率-應力映射螺栓緊固狀態(tài)。

22、接收端容諧電路通過外部激勵信號與本身諧振電路的共振產(chǎn)生交流電，無需外部電池供電，消除了對電池或外部電源的依賴。交流電驅(qū)動第一叉指電極、第二叉指電極、第一壓電材料和第二壓電材料工作；發(fā)射端容諧電路則通過機械可變電容的動態(tài)調(diào)諧產(chǎn)生諧振頻率發(fā)送給信號接收裝置，通過無源無線通信技術(shù)將測量的發(fā)射端容諧電路的諧振頻率傳輸至信號接收裝置，不受金屬環(huán)境的影響，解決了現(xiàn)有無源檢測方法在金屬環(huán)境下通信性能差、通信距離短的問題。