[发明专利]基于重叠扇环形贴片天线的螺栓松动传感器及监测系统

权利要求书

1.一种基于重叠扇环形贴片天线的螺栓松动监测系统，其特征在于，包括RFID标签(1)、阅读器(4)和设置模块，其中：

用于监测螺栓及螺帽旋转的RFID标签(1)，包括组件一和组件二，其中：

组件一由中部六边形开孔介质板(5)和第一扇环形贴片(6)构成，第一扇环形贴片(6)打印在六边形开孔介质板(5)的突出部分的下表面；

组件二由第二扇环形贴片(7)、微带馈电线(8)、芯片(9)、环形介质板(10)和地平面(11)构成；第二扇环形贴片(7)和微带馈电线(8)相连，并打印在环形介质板(10)的上表面；芯片(9)连接于微带馈电线(8)的末端并固定在环形介质板(10)上；地平面(11)打印在环形介质板(10)下表面；

第二扇环形贴片(7)的径向宽度与第一扇环形贴片(6)相同；

当第一扇环形贴片(6)与第二扇环形贴片(7)处于重叠状态时，第一扇环形贴片(6)的环向长度与第二扇环形贴片(7)的环向长度之和减去二者重叠部分的长度即为天线的谐振长度；当第一扇环形贴片(6)与第二扇环形贴片(7)不再重叠时，天线的谐振长度为第二扇环形贴片(7)的长度；

组件一与待测螺栓(2)的螺帽相连，组件二与被连接件(3)相连，使用中螺帽的转动会引起组件一与组件二之间相对转动，从而引起第一扇环形贴片(6)与第二扇环形贴片(7)重叠长度的变化，进而引起天线谐振长度的变化，导致天线的谐振频率发生改变；RFID标签(1)将待测螺栓(2)的螺帽旋转角度的信息转化为电磁波信号；

RFID标签(1)与阅读器(4)之间的距离在通信读取范围内；

系统控制阅读器(4)以周期性可变的不同频率电磁波发射，当发射的频率电磁波匹配RFID标签(1)目前的工作谐振频率则被激活，RFID标签(1)通过天线发生应答信号，与阅读器(4)建立通信；

阅读器(4)负责无线读取RFID标签(1)的信息并进行数据处理；

设置模块作为人机交互模块，系统通过设置模块负责输入预警开始松动时和完全失去预紧力状态时螺帽所发生旋转的角度边界阈值；

根据螺栓的规格、力学参数和螺距，确定出螺栓从预设预紧力状态变化到完全失去预紧力状态时螺帽所旋转的角度，设置模块给系统输入；在安装标签(1)时，同时根据选定某任意的内圆弧和外圆弧初始相对面积；

当被测对象螺栓松动时，第一扇环形贴片(6)与第二扇环形贴片(7)重叠长度的发生变化，天线谐振长度发生变化，从而天线谐振频率发生变化，经过理论分析和具体试验，确定出天线谐振频率漂移量和螺帽旋转角度的影响关系式；天线谐振频率变化Δf_R与待测螺栓的螺帽旋转角度Δθ之间的关系可用如下公式表示：

式中c是真空中光速，ε是环形介质板(10)的相对介电常数，L₂是第一扇环形贴片(6)的中线的环向长度，L₄是第二扇环形贴片(7)的中线的环向长度，L₀为两贴片中线的初始环向重叠长度，R为第一扇环形贴片(6)和第二扇环形贴片(7)中线的半径；通过确定谐振频率的漂移量，可以计算出待测螺栓的螺帽旋转角度。

2.如权利要求1所述系统，特征是，阅读器(4)包括无线收发模块、调制解调模块、控制模块、数字处理模块；通过无线收发模块、调制解调模块，RFID阅读器可以检测RFID标签的谐振频率漂移，经调制解调模块解调后提供给控制模块、数字处理模块，数字处理模块根据设置模块中的对应关系计算出因螺栓松动两组件所发生的相对转角，即螺帽旋转角度，进而判断螺栓状态。

3.如权利要求2所述系统，特征是，

其中,控制模块，用于控制系统的RFID阅读器以不同的频率向RFID标签发射调制过的电磁波信号，当RFID标签接收到的信号功率达到阈值时，RFID标签中的芯片即可被激活；激活标签所需要的阅读器最小发射功率P_min(f)与阅读器所发射信号频率f有关，当阅读器以RFID标签中扇环形贴片天线谐振频率发射信号时f_R，激活标签所需的最小发射功率P_min(f_R)最小。

4.如权利要求2所述系统，特征是，

其中，数字处理模块通过寻找使最小发射功率达到最小值的发射频率，即可确定出RFID标签中天线的谐振频率；当天线两个重叠长度的发生变化，天线电容发生变化，其谐振频率漂移，通过数字处理模块根据公式(1)可以确定谐振频率漂移量，从而得出发生的转角值和螺帽旋转角度，根据螺帽旋转角度判断螺栓状态，从而实现螺栓松动的无源无线监测。