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摘要：针对电力工程中出现螺栓松动的现状，通过设计压电传感器、STM 单片机、专用滤波电路、4G 通信模块等为核心电路，实现了对电力工程关键受力点螺母压力的监测，反映螺母松动状态。螺栓松动后的报警信息可直接在服务器端、运维客户端查看。技术方案实用性强，具有良好的推广应用前景。

关键词：螺栓松动；变电站；压电传感器；在线监测

0 引言

电力工程铁塔、设备等不同物件广泛采用螺栓连接的方式，螺栓紧固程度决定了连接的可靠程度，工程建设过程中使用的脚手架、地锚、塔吊等机械设备结构件，也广泛使用螺栓连接。若出现螺栓松动，轻则工作受阻，重则发生安全事故。鉴于行业现有技术不足，现场迫切需要一项低成本螺栓松动监测技术，实现对关键受力部位的螺栓松动在线监测、预警。

防止螺栓松动的常用措施有：外加机械防松装置、特殊结构螺栓、焊接等方式，但这些措施均存在使用复杂、成本高昂、无法重复利用的弊端；近年电子式螺栓松紧度监测装置兴起，技术手段普遍采用检测螺母压力的技术方式实现，存在成本高、使用复杂等特点。

1.系统总体设计方案

系统技术原理是通过传感器测量螺母上的压力值，将螺母松紧度与压力值形成对应关系，通过在线监测螺母压力值变化，实现监测螺栓松动的目的。该系统总体技术架构如图1所示。主要由传感器、信号采集器、螺栓松动在线监测服务器、客户终端构成。其中传感器、信号采集器放置于工程现场，采用有线信号连接；信号采集器将数据处理后，通过4G模块将测量数据上传在线监测服务器，通过服务器监测每一个螺栓的松动情况。

当螺栓产生松动时，即传感器内部材料参数及内部电路的变化超过螺栓设定的扭矩值时，采集器将螺栓松动的电信号转换成数字信号，并通过无线发送到处理终端。处理终端循环接收各采集终端发送的数据，通过移动无线网络将螺栓状态信息及时发送到维护人员的手机上，运维单位可登录“专用监控软件”的APP进行相应处理。

2.传感器设计

2.1压电传感器原理

压电材料能够在一定的外力作用下电阻率产生变化，可通过识别电阻率的变化展开螺栓松动识别与监测研究。

压阻效应目前广泛应用在各种传感器的制作中[1-6]，特别是在可穿戴设备[5]上用于人体监测以及机器人的等的监测，在工程结构领域[3]也有较多应用。研究表明，压阻材料能够有效对工程结构的受力状态进行可靠的监测。

2.2螺栓松动压电式传感器设计方案

系统传感器主要由金属顶部、绝缘片、监测片、垫片及金属底部构成。其中，金属顶、底部不仅承载防划伤，还起密封保护作用。绝缘片和垫片均由绝缘材料制成，使监测电路与金属顶、底部互不导通（本例垫圈厚度为3mm，依据GB/T3103.3-2000可适用于M30及M36螺栓）。其工作原理是根据不同拧紧力矩的要求，通过调整内部监测片和垫片的结构和材料参数以实现内部电路的信号状态变化，从而表征螺栓的连接状态。该技术可按照拧紧力矩的大小提供一系列规格产品满足不同型号螺栓（对应不同拧紧力矩）连接状态的监测需求。

3.电路硬件设计

硬件电路主要包括STM单片机与4G通讯系统、信号调理电路2部分。

3.1单片机系统

单片机采用stm8低功耗系列，保障在电池供电情况下实现超低功耗，当系统接入外接电源时，单片机退出低功耗转为标准模式，该模式可以提供更高频率的监测。系统最下系统如图4所示。系统设置缓启动及外置看门狗电路如图5所示，保障系统在受到突发干扰情况下能够有效复位。考虑系统在掉电情况下数据存储需要，设置外置外部可反复擦写的eeprom芯片，如图5。

2.2信号调理电路

电力工程现场电磁环境复杂，观感器激励信号微弱，易受到杂散信号干扰。根据传感器激励信号需要，信号调理电路部分主要包括电荷转换电路、MAX266开关电容带通滤波器和过载指示电路几部分组成。 信号调理电路如图6所示。

电荷放大器的集成运放部分采用电容负反馈，电路如图7所示。电路在直流工作时运放开环工作，造成零漂很大，工作很不稳定。未解决直流回路的不稳定性，在反馈电容Cf 的两端并联反馈电阻 Rf ，形成直流负反馈。

通过试验，电荷转换电路可能出现的问题包括：在不加输入信号的情况下，输入端有较大的50 Hz的信号输出，产生这一状况的原因可能是因为50 Hz交流通过杂散电容，耦合到输入端引起的。解决的方法是对输入端进行屏蔽。

开关电容滤波器是由MOS开关、MOS电容和MOS运算放大器构成的集成滤波器电路[7]，在集成度、速度、相对精度控制和微功耗等方面都有独特的优势。本文设计的带通滤波电路采用MAX266开关电容带通滤波器。

过载指示电路的作用是监测电荷放大器的工作状态。具体功能要求为：当输入信号产生的输出信号的电压大于阈值时，过载指示灯亮，电路状态过载。本设计采用运放LM393，图9为实际电路图。

4 结论

系统通过压电传感器电压变化检测螺栓的松动，实现在电力工程中螺栓松动的在线监测，对防范螺栓松动造成的潜在事故具有重要的作用。该技术方案监测精度高、结构简单、环境适应性强、施工方便，可有效降低运维成本，减少安全风险，经济和社会效益明显。

参考文献

[1] 滕林. 全量程超高压力薄膜传感器研究[D]. 成都：电子科技大学，2005.

[2] 陆学斌. 多晶硅纳米薄膜压阻特性及其压力传感器应用研究[D]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学，2010.43-56.

[3] 孙悟颉. 高精度实时桥梁支座健康监测系统的设计与实现[D]. 济南：山东大学，2019.78-81.

[4] 王有岩. 压电/压阻双模式柔性压力传感器动/静态力学信息检测[D]. 杭州： 浙江工业大学，2019.5-24.

基金项目：国网山东建设公司监控地勘钻孔位置与数量的实用化工具等2项群众性创新项目资助。