螺栓姿态监测装置、方法及计算机可读存储介质与流程

1.本发明涉及螺栓姿态监测领域，具体涉及一种螺栓姿态监测装置、方法及计算机可读存储介质。


背景技术：

2.螺栓作为一种连接件，在生产的各个领域都使用大型紧固件螺栓来承载负荷设备，如水轮发电机、风力发电、航空航天、船舶等。设备运行中螺栓的预紧状态直径影响设备安全。为避免关键部位螺栓松动、断裂造成灾难性后果，对大型设备的关键部位高负载螺栓连接进行在线监测至关重要。
3.在已知专利中，对螺栓松动的检测方法有很多，如带敏感元件的垫片、检测预紧力的变化、划线标记、计算机视觉图像分析检测技术等。这些检测螺栓松动的方法其操作往往比较复杂、成本制约、效率低，不便于实际生产中大量应用。
4.因此需要一种可以在不改变原来螺栓的结构和安装方式的前提下，实现螺栓松动或断裂检测的螺栓姿态监测装置、方法及计算机可读存储介质。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种螺栓姿态监测装置。以期解决背景技术中存在的技术问题。
6.为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
7.一种螺栓姿态监测装置，包括：
8.数据采集模块，所述数据采集模块基于传感器实现，用于采集被测螺栓的姿态数据和所述被测螺栓对应的螺母的姿态数据；
9.数据处理模块，与所述数据采集模块通信连接，包括：
10.信号处理单元，与所述数据采集模块通信连接，用于将所述姿态数据进行数据预处理，生成电压信号；
11.模数转换单元，与所述信号处理单元通信连接，用于对所述电压信号进行模数转换，得到数字信号；
12.控制单元，与所述模数转换单元通信连接，用于基于所述数字信号生成预警指令。
13.在一些实施例中，所述数据处理模块还包括：电源模块，用于向所述装置提供电能。
14.所述数据采集模块还包括电源线和信号线。
15.在一些实施例中，所述数据采集模块包括三轴陀螺仪、三轴加速计、三轴磁场传感器中至少一种。
16.在一些实施例中，所述预处理包括放大、调整、滤波中至少一种。
17.同时，本发明还公开了一种螺栓姿态监测方法，基于上述的螺栓姿态监测装置实现，所述方法包括：
18.按照预设方式将数据采集模块安装在被测螺栓及所述被测螺栓对应的螺母上，以采集姿态数据；
19.基于信号处理单元对所述姿态数据进行数据预处理，生成电压信号；
20.基于模数转换单元对所述电压信号进行模数转换，得到数字信号；
21.基于控制单元对所述数字信号进行处理，并判断是否满足预设条件；
22.响应于满足，基于所述控制单元生成预警信号。
23.在一些实施例中，所述姿态数据包括：所述被测螺栓和所述螺母在x、y、z轴方向的实测角度、实测加速度，以及所述被测螺栓和所述螺母的x、y、z轴方向的角度零位标记和加速度零位标记，其中，所述z轴方向为所述被测螺栓和/或所述螺母的轴向方向。
24.在一些实施例中，所述基于控制单元对所述数字信号进行处理包括：
25.基于所述被测螺栓和所述螺母的所述角度零位标记和加速度零位标记、以及所述实测角度、实测加速度，确定所述被测螺栓在x、y、z轴方向的转动角度以及加速度变化值，以及所述螺母在x、y、z轴方向的转动角度以及加速度变化值。
26.在一些实施例中，所述预设条件包括以下至少一种：
27.第一预设条件：所述被测螺栓在z轴方向的转动角度大于第一阈值或所述螺母在z轴方向的转动角度大于第二阈值，且被测螺栓在x轴方向的转动角度小于第三阈值、被测螺栓在y轴方向的转动角度小于第四阈值、所述螺母在x轴方向的转动角度小于第五阈值、所述螺母在y轴方向的转动角度小于第六阈值；
28.第二预设条件：被测螺栓在z轴方向的转动角度小于第七阈值、被测螺栓在x轴方向的转动角度小于第三阈值、被测螺栓在y轴方向的转动角度小于第四阈值、所述螺母在z轴方向的转动角度小于第八阈值、所述螺母在x轴方向的转动角度小于第五阈值、所述螺母在y轴方向的转动角度小于第六阈值，且被测螺栓在x、y、z轴方向的加速度变化值满足动态变化、所述螺母在x、y、z轴方向的加速度变化值满足动态变化。
29.在一些实施例中，基于控制单元对所述数字信号进行处理，并判断是否满足预设条件包括：
30.基于预测模型对所述数字信号的处理，确定所述被测螺栓发生松动和/或断裂的概率；
31.判断所述测螺栓发生松动和/或断裂的概率是否大于对应的概率阈值。
32.同时，本发明还公开了一种计算机可读存储介质，所述存储介质存储计算机指令，当所述计算机指令被处理器执行时实现上述的螺栓姿态监测方法。
33.有益效果
34.本发明与现有技术相比，其显著优点是：
35.首先，通过本发明的技术方案可以实时检测螺栓松动的角度，并在螺栓未完全松动且还存有一定预紧力时及时发出预警信号，提前消除设备隐患，避免事故发生；同时，通过本发明的技术方案可以实时检测螺栓紧固情况，当螺栓出现断裂时及时发出报警信号；其次，通过本发明的技术方案可以检测到螺栓很小的角度变化和振动加速度的变化，具有较高的检测；且本发明的技术方案还可以实现螺栓紧固情况的自动预测及自动检测，以提升检测的效率及准确度。
附图说明
36.图1是本实施例涉及螺栓姿态监测装置示意图；
37.图2是本实施例涉及的螺栓姿态监测方法的流程示意图；
38.图3是本实施例涉及的预测模型的示意图。
39.图4为本实施例涉及螺栓姿态监测设备示意图
具体实施方式
40.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
41.相反，本技术涵盖任何由权利要求定义的在本技术的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本技术有更好的了解，在下文对本技术的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本技术。
42.以下将结合图1-3对本技术实施例所涉及的一种螺栓姿态监测装置进行详细说明。值得注意的是，以下实施例仅仅用于解释本技术，并不构成对本技术的限定。
43.实施例1
44.如图1所示，本发明还公开了一种螺栓姿态监测装置100，包括：
45.数据采集模块110，所述数据采集模块基于传感器实现，用于采集被测螺栓的姿态数据和所述被测螺栓对应的螺母的姿态数据。
46.在一些实施例中，所述数据采集模块包括三轴陀螺仪、三轴加速计、三轴磁场传感器中至少一种。例如，可以在数据采集模块集成上述3种或多种传感器，集成的多个传感器的数据采集模块可以通过总线方式输出多种传感器的传感信号。
47.基于三轴陀螺仪、三轴加速计、三轴磁场传感器的测量精度较高的性能，本螺栓姿态监测装置能检测到螺栓和螺母的微小角度的变化，从而可以检测到螺栓轻微的松动或螺栓预紧力的很小的变化。且在数据采集模块集成上述3种或多种传感器，具有传感器尺寸较小，传感器便于安装部署如粘贴于被测螺栓的端部的优点。
48.数据处理模块120，与所述数据采集模块通信连接，数据处理模块120包括：
49.信号处理单元121，与所述数据采集模块通信连接，用于将所述姿态数据进行数据预处理，生成电压信号。
50.在一些实施例中，所述预处理包括放大、调整、滤波中至少一种。
51.模数转换单元122，与所述信号处理单元通信连接，用于对所述电压信号进行模数转换，得到数字信号。
52.在一些实施例中，模数转换单元122可以为信号处理单元121输出的电压信号进行模数转换，转换成为控制单元123可以识别的数字信号。
53.控制单元123，与所述模数转换单元通信连接，用于基于所述数字信号生成预警指令。
54.在一些实施例中，控制单元123可以由计算机设备等装置实现。
55.在一些实施例中，所述数据处理模块还包括：电源模块(图中未示出)，用于向所述
装置提供电能。
56.在一些实施例中，所述数据采集模块还包括电源线和信号线，数据采集模块可以基于电源线与电源模块连接，基于信号线和数据处理模块120的信号处理单元121连接。
57.如图2所示，本发明还公开了一种螺栓姿态监测方法，基于上述的螺栓姿态监测装置实现，所述方法200包括：
58.步骤210，按照预设方式将数据采集模块安装在被测螺栓及所述被测螺栓对应的螺母上，以采集姿态数据。
59.例如，可以通过在被测螺栓上端面固定集成了传感器的数据采集模块，从传感器中引出电源线和信号线，连接数据处理模块。
60.在一些实施例中，所述姿态数据包括：所述被测螺栓和所述螺母在x、y、z轴方向的实测角度、实测加速度，以及所述被测螺栓和所述螺母的x、y、z轴方向的角度零位标记和加速度零位标记，其中，所述z轴方向为所述被测螺栓和/或所述螺母的轴向方向。
61.步骤220，基于信号处理单元对所述姿态数据进行数据预处理，生成电压信号。
62.例如，信号处理单元可以对姿态数据进行放大、调整、滤波等处理，生成电压信号。
63.步骤230，基于模数转换单元对所述电压信号进行模数转换，得到数字信号。
64.步骤240，基于控制单元对所述数字信号进行处理，并判断是否满足预设条件。
65.在一些实施例中，所述基于控制单元对所述数字信号进行处理包括：
66.基于所述被测螺栓和所述螺母的所述角度零位标记和加速度零位标记、以及所述实测角度、实测加速度，确定所述被测螺栓在x、y、z轴方向的转动角度以及加速度变化值，以及所述螺母在x、y、z轴方向的转动角度以及加速度变化值。
67.在一些实施例中，所述预设条件包括以下至少一种：
68.第一预设条件：所述被测螺栓在z轴方向的转动角度大于第一阈值或所述螺母在z轴方向的转动角度大于第二阈值，且被测螺栓在x轴方向的转动角度小于第三阈值、被测螺栓在y轴方向的转动角度小于第四阈值、所述螺母在x轴方向的转动角度小于第五阈值、所述螺母在y轴方向的转动角度小于第六阈值。
69.在一些实施例中，若满足第一预设条件，则说明被测螺栓出现了松动。
70.第二预设条件：被测螺栓在z轴方向的转动角度小于第七阈值、被测螺栓在x轴方向的转动角度小于第三阈值、被测螺栓在y轴方向的转动角度小于第四阈值、所述螺母在z轴方向的转动角度小于第八阈值、所述螺母在x轴方向的转动角度小于第五阈值、所述螺母在y轴方向的转动角度小于第六阈值，且被测螺栓在x、y、z轴方向的加速度变化值满足动态变化、所述螺母在x、y、z轴方向的加速度变化值满足动态变化。
71.其中，第一阈值至第八阈值均可以基于实际情况进行设定，若要提高检测精度，则可以提升减小各个阈值的取值。动态变化可以理解为被测螺栓在x、y、z轴方向的加速度变化值或螺母在x、y、z轴方向的加速度变化值随着振动变化而变化，在一些实施例中，若满足第二预设条件，则说明被测螺栓出现了断裂。
72.在一些实施例中，基于控制单元对所述数字信号进行处理，并判断是否满足预设条件包括：
73.基于预测模型对所述数字信号的处理，确定所述被测螺栓发生松动和/或断裂的概率；判断所述测螺栓发生松动和/或断裂的概率是否大于对应的概率阈值。
74.例如，若预测模型确定被测螺栓发生松动和/或断裂的概率大于对应的概率阈值，则认为满足预设条件。预测模型为机器学习模型，具体说明参见图3的相应内容。
75.步骤250，响应于满足，基于所述控制单元生成预警信号。
76.例如，若基于步骤240判断所述被测螺栓在z轴方向的转动角度大于第一阈值或所述螺母在z轴方向的转动角度大于第二阈值，且被测螺栓在x轴方向的转动角度小于第三阈值、被测螺栓在y轴方向的转动角度小于第四阈值、所述螺母在x轴方向的转动角度小于第五阈值、所述螺母在y轴方向的转动角度小于第六阈值；
77.或，被测螺栓在z轴方向的转动角度小于第七阈值、被测螺栓在x轴方向的转动角度小于第三阈值、被测螺栓在y轴方向的转动角度小于第四阈值、所述螺母在z轴方向的转动角度小于第八阈值、所述螺母在x轴方向的转动角度小于第五阈值、所述螺母在y轴方向的转动角度小于第六阈值，且被测螺栓在x、y、z轴方向的加速度变化值满足动态变化、所述螺母在x、y、z轴方向的加速度变化值满足动态变化；
78.或，被测螺栓发生松动和/或断裂的概率大于对应的概率阈值；
79.则需要生成预警信号。预警信号可以为声光信号、语音提醒等，可以基于语音播报、短信或电话提示等方式实现。
80.如图3所示为本实施了公开的预测模型的示意图。
81.在一些实施例中，预测模型可以为机器学习模型，例如，神经网络模型或其他智能学习网络构建的模型。
82.在一些实施例中，预测模型320的输入为数据采集模块的信号经信号处理单元、模数转换单元分别处理后得到的数字信号310。预测模型的输出为被测螺栓发生松动和/或断裂的概率330。
83.在一些实施例中，预测模型可以基于大量的第一训练数据340(包括带有第一标签的第一训练样本)训练得到。第一训练样本可以是历史采集的样本螺栓及所述样本螺栓对应的样本螺母上的姿态数据，经信号处理单元、模数转换单元分别处理后得到的样本数字信号，第一标签可以是该样本对应的样本螺栓或样本螺母是否发生松动和/或断裂，如发生了则取值为1，未发生则取值为0。
84.在一些实施例中，预测模型的训练包括：将第一训练样本输入初始预测模型350，得到该第一训练样本对应的预测概率。训练过程中，预测模型可以基于标签和输出结果，构建损失函数。同时，基于损失函数对预测模型的参数进行更新，直至预设条件被满足，训练完成。其中，预设条件可以包括损失函数小于阈值、收敛，或者训练周期达到阈值等中的一种或多种。
85.如图4所示为本实施公开的一种螺栓姿态监测设备示意图的示意图。如图4所示，该螺栓姿态监测设备包括安装板1，螺栓2，螺母3，姿态传感器4，电源线/信号线5，采集检测装置6.
86.该螺栓姿态监测设备的使用方式包括：
87.首先，通过安装板的连接孔穿入螺栓，通过螺母与螺栓、安装板之间的相互作用力使安装板固定不松动。
88.然后，对螺栓和螺母端面清理安装姿态传感器4，如第一传感器401和第二传感器402；并设定螺栓的轴向方向为传感器z轴，螺母的轴向方向为传感器z轴。
89.然后，用电源线和信号线连接采集检测装置，测量出螺栓和螺母的x、y、z方向的角度、加速度，并对螺栓和螺母的x、y、z方向的角度零位标记为β
x0
、β
y0
、β
z0
；x、y、z方向加速度进行零位标记γ
x0
、γ
y0
、γ
z0
。
90.然后，设定螺栓和螺母的相对转动角度的阈值β0，加速度为γ0，启动数据采用检测装置实时测量螺栓和螺母x、y、z方向角度和加速度。
91.接着，检测到螺栓的x、y、z方向转动角度为β
x
、βy、βz，加速度为γ
x
、γy、γz；则可以计算出测量到的螺栓转动角度值为：β
x变
＝β
x-β
x0
，β
y变
＝β
y-β
y0
，β
z变
＝β
z-β
z0
；螺栓的加速度变化值为：γ
x变
＝γ
x
、γ
y变
＝γy、γ
z变
＝γy。
92.接着，检测到螺母的x、y、z方向转动角度为β
x螺母
、β
y螺母
、β
z螺母
，加速度为γ
x螺母
、γ
y螺母
、γ
z螺母
；则可以计算出测量到的螺母转动角度为：β
x螺母变
＝β
x螺母-β
x0
，β
y螺母变
＝β
y螺母-β
y0
，β
z螺母变
＝β
z-β
z0
；螺母的加速度变化值为：γ
x螺母变
＝γ
x
、γ
y螺母变
＝γy、γ
z螺母变
＝γy。
93.最后，若检测到螺栓变化值β
z变
》β0或者β
z螺母变
》β
0，
而β
x变
、β
y变
、β
x螺母变
、β
y螺母变
值变化较小，测可以判断螺栓出现松动；若β
x变
、β
y变
、β
z变
、β
x螺母变
、β
y螺母变
、β
z螺母变
的变化较小而γ
x变
、γ
y变
、γ
z变
、γ
x螺母变
、γ
y螺母变
、γ
z螺母变
的值出现随着振动变化而变化则可以判断螺栓、可能出现断裂情况
94.综上可知，本方案可以在不改变原来螺栓的结构和安装方式，在螺栓和螺母端面安装两套基于姿态传器检测系统，以检测基础和螺栓、螺栓和螺母之间的的角度和加速度的变化，实现螺栓松动或断裂检测。
95.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种螺栓姿态监测装置，其特征在于，包括：数据采集模块，所述数据采集模块基于传感器实现，用于采集被测螺栓的姿态数据和所述被测螺栓对应的螺母的姿态数据；数据处理模块，与所述数据采集模块通信连接，包括：信号处理单元，与所述数据采集模块通信连接，用于将所述姿态数据进行数据预处理，生成电压信号；模数转换单元，与所述信号处理单元通信连接，用于对所述电压信号进行模数转换，得到数字信号；控制单元，与所述模数转换单元通信连接，用于基于所述数字信号生成预警指令。2.根据权利要求1所述的螺栓姿态监测装置，其特征在于，所述数据处理模块还包括：电源模块，用于向所述装置提供电能。所述数据采集模块还包括电源线和信号线。3.根据权利要求1所述的螺栓姿态监测装置，其特征在于，所述数据采集模块包括三轴陀螺仪、三轴加速计、三轴磁场传感器中至少一种。4.根据权利要求1所述的螺栓姿态监测装置，其特征在于，所述预处理包括放大、调整、滤波中至少一种。5.一种螺栓姿态监测方法，基于如权利要求1所述的螺栓姿态监测装置实现，其特征在于，所述方法包括：按照预设方式将数据采集模块安装在被测螺栓及所述被测螺栓对应的螺母上，以采集姿态数据；基于信号处理单元对所述姿态数据进行数据预处理，生成电压信号；基于模数转换单元对所述电压信号进行模数转换，得到数字信号；基于控制单元对所述数字信号进行处理，并判断是否满足预设条件；响应于满足，基于所述控制单元生成预警信号。6.根据权利要求5所述的螺栓姿态监测方法，其特征在于，所述姿态数据包括：所述被测螺栓和所述螺母在x、y、z轴方向的实测角度、实测加速度，以及所述被测螺栓和所述螺母的x、y、z轴方向的角度零位标记和加速度零位标记，其中，所述z轴方向为所述被测螺栓和/或所述螺母的轴向方向。7.根据权利要求6所述的螺栓姿态监测方法，其特征在于，所述基于控制单元对所述数字信号进行处理包括：基于所述被测螺栓和所述螺母的所述角度零位标记和加速度零位标记、以及所述实测角度、实测加速度，确定所述被测螺栓在x、y、z轴方向的转动角度以及加速度变化值，以及所述螺母在x、y、z轴方向的转动角度以及加速度变化值。8.根据权利要求7所述的螺栓姿态监测方法，其特征在于，所述预设条件包括以下至少一种：第一预设条件：所述被测螺栓在z轴方向的转动角度大于第一阈值或所述螺母在z轴方向的转动角度大于第二阈值，且被测螺栓在x轴方向的转动角度小于第三阈值、被测螺栓在y轴方向的转动角度小于第四阈值、所述螺母在x轴方向的转动角度小于第五阈值、所述螺母在y轴方向的转动角度小于第六阈值；
第二预设条件：被测螺栓在z轴方向的转动角度小于第七阈值、被测螺栓在x轴方向的转动角度小于第三阈值、被测螺栓在y轴方向的转动角度小于第四阈值、所述螺母在z轴方向的转动角度小于第八阈值、所述螺母在x轴方向的转动角度小于第五阈值、所述螺母在y轴方向的转动角度小于第六阈值，且被测螺栓在x、y、z轴方向的加速度变化值满足动态变化、所述螺母在x、y、z轴方向的加速度变化值满足动态变化。9.根据权利要求6所述的螺栓姿态监测方法，其特征在于，基于控制单元对所述数字信号进行处理，并判断是否满足预设条件包括：基于预测模型对所述数字信号的处理，确定所述被测螺栓发生松动和/或断裂的概率；判断所述测螺栓发生松动和/或断裂的概率是否大于对应的概率阈值。10.一种计算机可读存储介质，所述存储介质存储计算机指令，当所述计算机指令被处理器执行时实现如权利要求5-9中任意一项所述的螺栓姿态监测方法。

技术总结
本发明提供了一种螺栓姿态监测装置，包括：数据采集模块，所述数据采集模块基于传感器实现，用于采集被测螺栓的姿态数据和所述被测螺栓对应的螺母的姿态数据；数据处理模块，与所述数据采集模块通信连接，包括：信号处理单元，与所述数据采集模块通信连接，用于将所述姿态数据进行数据预处理，生成电压信号；模数转换单元，与所述信号处理单元通信连接，用于对所述电压信号进行模数转换，得到数字信号；控制单元，与所述模数转换单元通信连接，用于基于所述数字信号生成预警指令。本发明的方案可以实现在不改变原来螺栓的结构和安装方式的前提下，实现螺栓松动或断裂检测。实现螺栓松动或断裂检测。实现螺栓松动或断裂检测。


技术研发人员：张谷雄 苏纪成 田仁斌 张承俊
受保护的技术使用者：三峡金沙江川云水电开发有限公司
技术研发日：2023.04.28
技术公布日：2023/8/24