【行业资讯】基于无源无线的螺栓松动监测智能垫圈

在物联网技术的推动下，一种新的思路正在兴起：那就是将无源测量技术和无线技术相融合，形成新型的无源无线测量系统。这种系统无需电源管理模块和频繁更换电池，在恶劣且复杂的环境下仍能高效工作，为螺栓松动监测提供了极具潜力的解决方案。

最近，我们在学术文献中发现了这样一项来自中北大学研究团队的亮眼成果。他们提出了一种长得像“三叶草”的无源无线智能垫圈。

1. 无源无线 + “三叶草”结构

研究团队提出了一种全新的无源无线智能垫圈，基于NFC近场通信技术，集成传感检测、信号采集、数据传输等功能。最关键的是，他们设计了一款“三叶草”型天线与垫圈结构，专门解决金属环境下涡流效应对通信的干扰问题。

2. 原理揭秘：像“无线充电”一样工作

系统由控制终端和智能垫圈两部分组成，整个过程无需电池，无需接触，真正实现“无源无线”监测。

图1 三叶草无源无线螺栓预紧力测量系统的工作原理

3. 创新设计：“三叶草”为何更胜一筹？

传统NFC天线在金属环境中会受到严重干扰，通常采用添加铁氧体的方式，但铁氧体成本高、易损坏、对温度敏感。研究团队另辟蹊径，从天线结构入手：

图2 三叶草智能垫圈模型

4. 验证：数据证明，这招真的有效！

研究团队进行了详尽的仿真和实物测试，用数据证明了“三叶草”的优越性。

仿真对比：在HFSS仿真软件中，他们将“三叶草天线+三叶草垫圈”与“传统圆形天线+圆形垫圈”等不同组合进行了对比，结果发现，‍“三叶草”组合周围产生的磁场强度最大，通信效果最好。

图3 不同组合下天线的磁场分布

实物测试：他们按照设计制作了实际的PCB天线，并验证了天线性能良好，在13.56 MHz附近的驻波比仅为1.1068。

静态标定：他们对智能垫圈在5 kN到80 kN的载荷下进行了标定，结果显示其线性度高达0.9814%，重复性为4.0412%，说明这个垫圈能非常精准和稳定地反映预紧力的变化。

图4 无源无线螺栓结构健康监测系统标定

通信距离对比：

在金属屏蔽环境中，传统“圆形天线+圆形垫圈”组合的稳定通信距离仅有2.4 cm。而采用“三叶草天线+三叶草垫圈”（且天线与垫圈不重合）时，稳定通信距离直接跃升至4.2 cm。对比之下：

感应距离增强了60%

稳定通信距离增强了75%

这个结果有力地证明了，“三叶草”结构的设计是合理且有效的。它能产生更强的空间磁场，受到的金属垫圈影响更小。

图5 三叶草天线不同情况匹配后响应距离的比较

5. 展望：一个更简单、更小、更持久的选择

*以上内容基于《传感技术学报》2026年第1期《基于无源无线的螺栓松动监测智能垫圈》（唐宇琦等）的研究成果整理。