在工程建設(shè)中，因螺栓連接松動(dòng)造成巨大危害的實(shí)例屢見(jiàn)不鮮，因此對(duì)螺栓連接健康狀態(tài)的檢測(cè)工作變得至關(guān)重要。目前有多種關(guān)于螺栓連接狀態(tài)的檢測(cè)方法，如扭矩扳手法、貼片光彈法、聲彈性法、電阻應(yīng)變片法等，這些檢測(cè)方法大多基于視覺(jué)，需要工作人員現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)察，十分耗時(shí)耗力。

本設(shè)計(jì)為一種能夠進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)螺栓連接狀態(tài)的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置，該裝置的主要原理為主動(dòng)壓電陶瓷片產(chǎn)生超聲波透過(guò)螺栓連接界面時(shí)，螺栓連接界面實(shí)際接觸面積與正壓力相關(guān)，在一定范圍內(nèi)正壓力越大，實(shí)際接觸面積就越大，因此可以通過(guò)測(cè)量透過(guò)的波能量大小來(lái)映射出螺栓當(dāng)前的壓緊力，對(duì)螺栓連接的狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

方案由中國(guó)計(jì)量大學(xué)的學(xué)生團(tuán)隊(duì)基于復(fù)旦微超低功耗MCU FM33LC046U設(shè)計(jì)，該方案獲得了“復(fù)微杯”2020年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽硬件賽道三等獎(jiǎng)。

主控芯片電路

裝置主要分為傳感器和控制電路兩部分，其中，控制電路部分以復(fù)旦微電子FM33LC046U單片機(jī)為核心，由電源模塊、激勵(lì)信號(hào)發(fā)生模塊、放大模塊等多個(gè)功能模塊構(gòu)成。

復(fù)旦微FM33LC046U超低功耗MCU基于ARM Cortex-M0內(nèi)核，最高主頻64MHz，支持256KB FLASH程序存儲(chǔ)器和24KB RAM，集成LCD驅(qū)動(dòng)、帶溫補(bǔ)的RTC、SAR ADC、OPA、AES，以及UART、I2C、SPI、7816等通用外設(shè)接口。

基于FM33LC046U的螺栓壓緊力監(jiān)測(cè)裝置的工作電路原理圖如下：

基于FM33LC046U的螺栓壓緊力監(jiān)測(cè)裝置的工作電路原理圖

監(jiān)測(cè)工作流程

電路工作過(guò)程中，首先由FM33LC046U單片機(jī)控制激勵(lì)信號(hào)發(fā)生模塊產(chǎn)生一定范圍內(nèi)任意頻率的正弦激勵(lì)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)上結(jié)構(gòu)鋼件處的壓電陶瓷片進(jìn)行工作，使其產(chǎn)生能夠沿著結(jié)構(gòu)鋼件軸向傳播的超聲縱波。

超聲縱波在經(jīng)過(guò)上下結(jié)構(gòu)鋼件的連接處時(shí)會(huì)發(fā)生信號(hào)衰減，并由下結(jié)構(gòu)鋼件處的壓電陶瓷片進(jìn)行接收，下結(jié)構(gòu)鋼件處的壓電陶瓷片再將衰減后的信號(hào)交由信號(hào)接收模塊進(jìn)行濾波、放大，并取得有效值，最后輸入到FM33LC046U單片機(jī)內(nèi)置AD進(jìn)行信號(hào)采樣。

基于FM33LC046U的螺栓壓緊力監(jiān)測(cè)裝置的傳感器輸出信號(hào)處理模塊工作框圖如下：

基于FM33LC046U的螺栓壓緊力監(jiān)測(cè)裝置的傳感器輸出信號(hào)處理模塊工作框圖

整個(gè)裝置在工作時(shí)，會(huì)將接收壓電陶瓷片測(cè)量到的有關(guān)連接狀態(tài)的電信號(hào)在內(nèi)置的電路板上進(jìn)行分析，再將分析后得到的能夠表征螺栓連接狀態(tài)的數(shù)據(jù)以LORA無(wú)線(xiàn)傳輸模塊發(fā)送到遠(yuǎn)程接收端，并對(duì)于超過(guò)閾值的數(shù)據(jù)在接收端處進(jìn)行報(bào)警提示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，透過(guò)的超聲波能量與螺栓壓緊力之間有較好的相關(guān)性，該裝置能較好的評(píng)估出螺栓當(dāng)前的連接狀態(tài)。

基于FM33LC046U的螺栓壓緊力監(jiān)測(cè)裝置的壓緊力傳感器總體電路框圖如下：

基于FM33LC046U的螺栓壓緊力監(jiān)測(cè)裝置的壓緊力傳感器總體電路框圖

基于FM33LC046U的螺栓壓緊力監(jiān)測(cè)裝置的壓緊力傳感器電路實(shí)物圖如下：

基于FM33LC046U的螺栓壓緊力監(jiān)測(cè)裝置的壓緊力傳感器電路實(shí)物圖

創(chuàng)新之處

該方案利用波能量法測(cè)螺栓壓緊力，能夠監(jiān)測(cè)到很小的壓緊力波動(dòng)，比應(yīng)變片測(cè)量方案更加靈敏，能夠更加及時(shí)的察覺(jué)到松動(dòng)跡象。

配合設(shè)計(jì)的電路能夠完成遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)實(shí)時(shí)在線(xiàn)檢測(cè)，并且能夠通過(guò)收集太陽(yáng)能來(lái)進(jìn)行能量循環(huán)，可以長(zhǎng)時(shí)間工作。

團(tuán)隊(duì)介紹

院校：中國(guó)計(jì)量大學(xué)

專(zhuān)業(yè)：控制工程

團(tuán)隊(duì)成員：彭明眾、高攀、蔣浩

指導(dǎo)教師：賈生堯

FM33LC0xxx系列

作為國(guó)產(chǎn)低功耗MCU的實(shí)力品牌，復(fù)旦微電子的芯片產(chǎn)品具有良好的穩(wěn)定性和抗干擾性，具備完善的底層驅(qū)動(dòng)和例程。

其中，超低功耗MCU FM33LC0xxx系列具備豐富的外設(shè)資源和多樣的封裝類(lèi)型，可應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)、智能電子產(chǎn)品、通訊模塊、消防安防、健康醫(yī)療等諸多領(lǐng)域。

FM33LC0xxx系列MCU產(chǎn)品介紹

來(lái)源：復(fù)微MCU愛(ài)好者天地

審核編輯：湯梓紅