智能螺栓及应用该螺栓监测工程结构倾斜状态的系统技术方案

本实用新型专利技术涉及智能螺栓及应用该螺栓监测工程结构倾斜状态的系统，该智能螺栓包括标准螺栓本体和传感器节点模块；传感器节点模块通过嵌套的方式固定在螺栓的顶部；在传感器节点模块内部封装一块IC电路，该IC电路上集成有微机电双轴倾角传感器、无线局域网通信模块、无线充电接收模块和微控制单元模块；微机电双轴倾角传感器、无线局域网通信模块、无线充电接收模块均与微控制单元模块连接，无线充电接收模块与外部电力设备连接，无线局域网通信模块与外部局域信号采集基站连接。该智能螺栓引入微机电倾角传感器技术和基于物联网技术的局域自组网络通信方式，能够在保证螺栓满足规范要求的前提下，通过无线传输提高其在实际工程中的易用性。

【技术实现步骤摘要】
智能螺栓及应用该螺栓监测工程结构倾斜状态的系统
本技术属于工程安全监测
，具体涉及一种智能螺栓及应用该螺栓监测工程结构倾斜状态的系统。
技术介绍
随着我国现代化建设以及国际合作的进一步深入，大量的基础设施工程亟需投入建设，例如水利水电设施、房屋、桥梁等。在这些工程结构的施工过程以及运营阶段，为了确保工程对象的安全性，保障人员的生命财产和周围环境，需要对其进行必要的稳定性健康监测。倾斜状态就是其中重要的监测要素之一。目前，工程中所使用的倾斜监测手段主要为安装的盒式倾斜仪，其监测原理为伺服倾角传感器。盒式倾斜仪由于具有一定的体积，且通过太阳能板提供电能，因此在安装过程中需要占据一定的空间，另外该测斜仪通过电缆进行数据传输，不利于在复杂工程环境中布设。对于大型的工程结构，为了保证监测的覆盖范围，需要布设大量的传感器节点，进一步给监测频率和数据传输提出了更高的挑战，可以采用智能螺栓作为节点进行监测，但现有的智能螺栓大多都是在螺栓内部嵌入光纤传感器或光传感器，这种在内部嵌入传感器的方式会破坏螺栓本身的强度，实际使用中螺栓的规格和强度是有明确的规范要求的，既要在螺栓的腔体内部植入部件，又要满足相关规范要求，难度非常大；此外，现有的智能螺栓多是通过引出线缆来传输数据，忽略了在实际工程中的易用性。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本技术拟解决的技术问题是，提供一种智能螺栓及应用该螺栓监测工程结构倾斜状态的系统。该智能螺栓通过引入微机电(MEMS)倾角传感器技术和基于物联网技术的局域自组网络通信方式，能够在保证螺栓满足规范要求的前提下，能更加方便制作，通过无线传输提高其在实际工程中的易用性。该方法实现了工程结构的健康自诊断，监测系统布设更加简便；结合物联网无线通信方式，实现了多节点高频率大容量的数据同步采集和实时远程传输，从而更加有助于工程人员对工程结构稳定性和安全性的全生命周期的把控，及时对工程施工过程进行有效的指导和调整，具有重要的理论意义和重大的应用价值。为了实现上述目的，本技术的技术方案是：一种智能螺栓，其特征在于该智能螺栓包括标准螺栓本体和传感器节点模块；传感器节点模块通过嵌套的方式固定在螺栓的顶部；在传感器节点模块内部封装一块IC电路，该IC电路上集成有微机电双轴倾角传感器、无线局域网通信模块、无线充电接收模块和微控制单元模块；微机电双轴倾角传感器、无线局域网通信模块、无线充电接收模块均与微控制单元模块连接，无线充电接收模块与外部电力设备连接，无线局域网通信模块与外部局域信号采集基站连接；所述微控制单元模块具有管理整个IC电路的电量、接受处理远程控制指令、激活和休眠模块、管理监测数据的功能。一种应用上述的螺栓监测工程结构倾斜状态的系统，其特征在于，该系统包括：多个智能螺栓、局域信号采集基站、远程服务器和终端设备；每个智能螺栓作为一个监测节点，智能螺栓通过无线局域网通信模块连接局域信号采集基站，局域信号采集基站通过移动通信网络与远程服务器连接，终端设备与远程服务器连接；远程服务器用于与现场的局域信号采集基站进行数据的传输、存储上传的监测数据、并对监测数据进行处理分析；终端设备用于显示远程服务器处理分析后的监测结果，同时能发送控制指令，并管理系统；所述局域信号采集基站与智能螺栓监测节点的无线频率相匹配，采集各节点的监测数据并实时上传至远程服务器，同时用于接收终端设备发送的指令，再对相应的智能螺栓节点发送控制信号。一种应用上述的螺栓监测工程结构倾斜状态的方法，包括以下步骤：步骤一，在工程结构设计过程中，首先确定需要进行倾斜监测的两个相互垂直的方向，然后在这两个方向上进行智能螺栓的布设设计，相邻智能螺栓的横向、纵向两个方向上的距离都不大于1m；同时根据局域自组网信号传输的有效范围确定局域信号采集基站的安装位置，并提前进行对应智能螺栓监测节点的信号匹配；步骤二，在工程结构施工过程中，在步骤一设计的智能螺栓和局域信号采集基站的布设点上相应固定安装智能螺栓和局域信号采集基站，其中局域信号采集基站安装完成后即可打开，根据工程结构的跨度要求智能螺栓和局域信号采集基站分散布设，多节点监测，确保覆盖结构整体；步骤三，当施工完成之后，通过终端设备向局域信号采集基站发送激活指令和监测频率设置，然后由局域信号采集基站对各智能螺栓监测节点实现激活指令和监测频率设置，进而完成对工程结构倾斜状态的整体监测。本技术的有益效果为：本技术智能螺栓在不对螺栓自身结构特征带来影响的前提下，通过将独立的传感器节点模块嵌套于标准螺栓本体的顶部，且采用无线的数据传输和电力传输技术，极大的优化了监测系统的布设，使监测节点与工程结构融为一体，实现对工程结构稳定性的监控，起到安全诊断功能，保证了工程易用性。传感器节点模块内部封装的微机电(MEMS)倾角传感器具有高精度、温度自补偿、抗电磁辐射干扰等优势。本技术系统利用螺栓这一工程结构中必要的构件来集成传感器，从而实现嵌入式的、无线的结构健康自监测的目的，采用基于物联网技术的局域自组网数据采集方式，实现了多节点高频率的数据同步采集，以及监测数据的实时远程传输，基于螺栓的布设密度，可以实现高密度监测，使得该系统能够覆盖全部工程结构的监测工作。本技术智能螺栓通过在结构使用的螺栓顶部附着一个集成微机电(MEMS)传感器的传感器节点模块来实现双轴方向上的倾角测量功能，同时该传感器节点模块的IC电路上还集成有无线局域网通信模块、无线充电接收模块和微控制单元模块模块，分别用于实现多节点物联网数据采集、模块供能和模块控制管理等功能。本技术方法实现了工程结构健康的智慧监测，与传统监测解决方案(传统监测方案布设的是独立的盒式倾角传感器，基于目前采用的技术，它的体积较大，不适合密集布设，较为分散)相比，监测节点覆盖范围更广，系统布设更加简易，测量精度更高。附图说明图1为本技术智能螺栓的结构示意图；图2为本技术应用该螺栓监测工程结构倾斜状态的系统的结构示意图；图3为本技术应用该螺栓监测工程结构倾斜状态的系统的监测原理示意图；图中，标准螺栓本体1、传感器节点模块2，智能螺栓3、局域信号采集基站4、远程服务器5、终端设备6。具体实施方式下面结合实施例及附图进一步解释本技术，但并不以此作为对本申请保护范围的限定。本技术智能螺栓，具有双轴倾角测量功能，如图1所示，该智能螺栓包括标准螺栓本体1和传感器节点模块2；传感器节点模块2通过嵌套的方式固定在螺栓的顶部；在传感器节点模块内部封装一块IC电路，该IC电路上集成有微机电(MEMS)双轴倾角传感器、无线局域网通信模块、无线充电接收模块和微控制单元模块；其中，微机电(MEMS)双轴倾角传感器是实现高精度倾斜监测的核心模块，微机电双轴倾角传感器、无线局域网通信模块、无线充电接收模块均与微控制单元模块连接，无线充电接收模块与外部电力设备连接，无线局域网通信模块与外部局域信号采集基站连接。所述传感器节点模块外形尺寸设计根据螺栓的型号可以选择为圆柱形，传感器节点模块的下端设有与标准螺栓本体1的顶部相配合的凹槽，该凹槽能和标准螺栓本体嵌套在一起，并通过胶接方式固定。传感器节点模块的外部封装材料为具有高强度的非金属材料，该非金属材料强度高本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种智能螺栓，其特征在于该智能螺栓包括标准螺栓本体和传感器节点模块；传感器节点模块通过嵌套的方式固定在螺栓的顶部；在传感器节点模块内部封装一块IC电路，该IC电路上集成有微机电双轴倾角传感器、无线局域网通信模块、无线充电接收模块和微控制单元模块；微机电双轴倾角传感器、无线局域网通信模块、无线充电接收模块均与微控制单元模块连接，无线充电接收模块与外部电力设备连接，无线局域网通信模块与外部局域信号采集基站连接。

【技术特征摘要】
1.一种智能螺栓，其特征在于该智能螺栓包括标准螺栓本体和传感器节点模块；传感器节点模块通过嵌套的方式固定在螺栓的顶部；在传感器节点模块内部封装一块IC电路，该IC电路上集成有微机电双轴倾角传感器、无线局域网通信模块、无线充电接收模块和微控制单元模块；微机电双轴倾角传感器、无线局域网通信模块、无线充电接收模块均与微控制单元模块连接，无线充电接收模块与外部电力设备连接，无线局域网通信模块与外部局域信号采集基站连接。2.根据权利要求1所述的智能螺栓，其特征在于所述传感器节点模块的下端设有与标准螺栓本体的顶部相配合的凹槽，该凹槽能和标准螺栓本体嵌套在一起，并通过胶接方式固定；传感器节点模块的外部封装材料为非金属材料。3.根据权利要求2所述的智能螺栓，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：马国伟，董威，孙子正，闫晓，张一鸣，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：新型
国别省市：天津,12