在工程建設中，因螺栓連接松動造成巨大危害的實例屢見不鮮，因此對螺栓連接健康狀態(tài)的檢測工作變得至關重要。目前有多種關于螺栓連接狀態(tài)的檢測方法，如扭矩扳手法、貼片光彈法、聲彈性法、電阻應變片法等，這些檢測方法大多基于視覺，需要工作人員現(xiàn)場觀察，十分耗時耗力。

本設計為一種能夠進行遠程實時監(jiān)測螺栓連接狀態(tài)的在線監(jiān)測裝置，該裝置的主要原理為主動壓電陶瓷片產(chǎn)生超聲波透過螺栓連接界面時，螺栓連接界面實際接觸面積與正壓力相關，在一定范圍內(nèi)正壓力越大，實際接觸面積就越大，因此可以通過測量透過的波能量大小來映射出螺栓當前的壓緊力，對螺栓連接的狀態(tài)進行評價。

方案由中國計量大學的學生團隊基于復旦微超低功耗MCU FM33LC046U設計，該方案獲得了“復微杯”2020年全國大學生電子設計大賽硬件賽道三等獎。

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，控制電路部分以復旦微電子FM33LC046U單片機為核心，由電源模塊、激勵信號發(fā)生模塊、放大模塊等多個功能模塊構成。

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

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

基于FM33LC046U的螺栓壓緊力監(jiān)測裝置的工作電路原理圖

監(jiān)測工作流程

電路工作過程中，首先由FM33LC046U單片機控制激勵信號發(fā)生模塊產(chǎn)生一定范圍內(nèi)任意頻率的正弦激勵信號，驅(qū)動上結構鋼件處的壓電陶瓷片進行工作，使其產(chǎn)生能夠沿著結構鋼件軸向傳播的超聲縱波。

超聲縱波在經(jīng)過上下結構鋼件的連接處時會發(fā)生信號衰減，并由下結構鋼件處的壓電陶瓷片進行接收，下結構鋼件處的壓電陶瓷片再將衰減后的信號交由信號接收模塊進行濾波、放大，并取得有效值，最后輸入到FM33LC046U單片機內(nèi)置AD進行信號采樣。

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

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

整個裝置在工作時，會將接收壓電陶瓷片測量到的有關連接狀態(tài)的電信號在內(nèi)置的電路板上進行分析，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無線傳輸模塊發(fā)送到遠程接收端，并對于超過閾值的數(shù)據(jù)在接收端處進行報警提示。實驗結果顯示，透過的超聲波能量與螺栓壓緊力之間有較好的相關性，該裝置能較好的評估出螺栓當前的連接狀態(tài)。

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

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

創(chuàng)新之處

該方案利用波能量法測螺栓壓緊力，能夠監(jiān)測到很小的壓緊力波動，比應變片測量方案更加靈敏，能夠更加及時的察覺到松動跡象。

配合設計的電路能夠完成遠程無線實時在線檢測，并且能夠通過收集太陽能來進行能量循環(huán)，可以長時間工作。

團隊介紹

院校：中國計量大學

專業(yè)：控制工程

團隊成員：彭明眾、高攀、蔣浩

指導教師：賈生堯

FM33LC0xxx系列

作為國產(chǎn)低功耗MCU的實力品牌，復旦微電子的芯片產(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)動和例程。

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

FM33LC0xxx系列MCU產(chǎn)品介紹

來源：復微MCU愛好者天地

審核編輯：湯梓紅