在工程建设中，因螺栓连接松动造成巨大危害的实例屡见不鲜，因此对螺栓连接健康状态的检测工作变得至关重要。目前有多种关于螺栓连接状态的检测方法，如扭矩扳手法、贴片光弹法、声弹性法、电阻应变片法等，这些检测方法大多基于视觉，需要工作人员现场观察，十分耗时耗力。

本设计为一种能够进行远程实时监测螺栓连接状态的在线监测装置，该装置的主要原理为主动压电陶瓷片产生超声波透过螺栓连接界面时，螺栓连接界面实际接触面积与正压力相关，在一定范围内正压力越大，实际接触面积就越大，因此可以通过测量透过的波能量大小来映射出螺栓当前的压紧力，对螺栓连接的状态进行评价。

方案由中国计量大学的学生团队基于复旦微超低功耗MCU FM33LC046U设计，该方案获得了“复微杯”2020年全国大学生电子设计大赛硬件赛道三等奖。

主控芯片电路

装置主要分为传感器和控制电路两部分，其中，控制电路部分以复旦微电子FM33LC046U单片机为核心，由电源模块、激励信号发生模块、放大模块等多个功能模块构成。

复旦微FM33LC046U超低功耗MCU基于ARM Cortex-M0内核，最高主频64MHz，支持256KB FLASH程序存储器和24KB RAM，集成LCD驱动、带温补的RTC、SAR ADC、OPA、AES，以及UART、I2C、SPI、7816等通用外设接口。

基于FM33LC046U的螺栓压紧力监测装置的工作电路原理图如下：

监测工作流程

电路工作过程中，首先由FM33LC046U单片机控制激励信号发生模块产生一定范围内任意频率的正弦激励信号，驱动上结构钢件处的压电陶瓷片进行工作，使其产生能够沿着结构钢件轴向传播的超声纵波。

超声纵波在经过上下结构钢件的连接处时会发生信号衰减，并由下结构钢件处的压电陶瓷片进行接收，下结构钢件处的压电陶瓷片再将衰减后的信号交由信号接收模块进行滤波、放大，并取得有效值，最后输入到FM33LC046U单片机内置AD进行信号采样。

基于FM33LC046U的螺栓压紧力监测装置的传感器输出信号处理模块工作框图如下：

整个装置在工作时，会将接收压电陶瓷片测量到的有关连接状态的电信号在内置的电路板上进行分析，再将分析后得到的能够表征螺栓连接状态的数据以LORA无线传输模块发送到远程接收端，并对于超过阈值的数据在接收端处进行报警提示。实验结果显示，透过的超声波能量与螺栓压紧力之间有较好的相关性，该装置能较好的评估出螺栓当前的连接状态。

基于FM33LC046U的螺栓压紧力监测装置的压紧力传感器总体电路框图如下：

基于FM33LC046U的螺栓压紧力监测装置的压紧力传感器电路实物图如下：

创新之处

该方案利用波能量法测螺栓压紧力，能够监测到很小的压紧力波动，比应变片测量方案更加灵敏，能够更加及时的察觉到松动迹象。

配合设计的电路能够完成远程无线实时在线检测，并且能够通过收集太阳能来进行能量循环，可以长时间工作。

团队介绍

院校：中国计量大学

专业：控制工程

团队成员：彭明众、高攀、蒋浩

指导教师：贾生尧

FM33LC0xxx系列

作为国产低功耗MCU的实力品牌，复旦微电子的芯片产品具有良好的稳定性和抗干扰性，具备完善的底层驱动和例程。

其中，超低功耗MCU FM33LC0xxx系列具备丰富的外设资源和多样的封装类型，可应用于物联网、智能电子产品、通讯模块、消防安防、健康医疗等诸多领域。