CN103277387A - 一种用于光纤光栅传感器的智能螺栓 - Google Patents
一种用于光纤光栅传感器的智能螺栓 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种用于光纤光栅传感器的智能螺栓，是将光纤光栅传感器封装于螺栓中，可用于实时在线监测螺栓在工作状态下的拉伸，属于光纤传感和结构健康监测领域。该智能螺栓包括传输光纤、保护套管、胶层和螺栓体，传输光纤的中间部分带有光纤光栅传感器；螺栓体的顶端带有螺栓帽；螺栓体带有沉孔定义为传感器埋植孔，螺栓体的底端不通，顶端为通孔。本发明的智能螺栓工作原理简单，制作简便，结构灵巧，成本低，实现分布式测量容易，有效预防大型结构件因为螺栓脱落或断裂等原因引起的事故。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于光纤光栅传感器的智能螺栓，是将光纤光栅传感器封装于螺栓中，可用于实时在线监测螺栓在工作状态下的拉伸，属于光纤传感和结构健康监测领域。
背景技术
螺栓是各种大型装备和工程结构中最重要的连接件，在工程领域中大量应用，由螺栓松动、疲劳和锈蚀引起的断裂及过载等引起的事故常有报道，这些事故造成了很大的经济损失和人员伤亡；由于其特殊的工作状态及结构特点，实现实时在线的工作状态监控非常困难。
光纤布拉格光栅简称光纤光栅，是一种波长调制型光纤传感器，直径约125μm，传感器长度一般为10mm，具有结构纤细、重量轻、抗电磁干扰、波分复用等优点；光纤光栅是在普通单模光纤上用光学刻写的方式形成的，在工作时，光纤光栅解调仪表发出的宽带光经过此传感器时，光纤光栅会反射回某一个中心波长的窄带光，当光纤光栅感受的应变变化时，反射回的窄带光的中心波长会发生偏移，通过对这个窄带光的解调可以得到被测应变值；目前已经越来越广泛地应用于大型结构健康监测和智能材料等领域。
基于光纤光栅传感原理的智能螺栓充分利用了光纤光栅传感器的纤细结构特点，对螺栓的正常工作状态不产生影响，其传感信号通过传输光纤与解调仪表连接，其布线安装简单，可对多组螺栓进行组网，实现分布式测量，对解调后的信号进行无线传输，实现对螺栓远距离实时在线的工作状态监控。
目前，检索到一篇实用新型专利“光纤智能螺栓”，它是基于白光干涉传感原理进行监测的，其基本原理是反射光与参考光相干产生干涉条纹，通过干涉条纹的变化来反映应变信息，此传感原理对光传输损耗较敏感，是光能量型传感器；此专利中光纤白光干涉形变传感器制作较复杂，陶瓷芯与光纤的连接固定及对准对光信号的损耗影响非常大，光能量的损耗直接影响了传感器的测量精度；白光干涉传感器一般较长，一般测量十几厘米以上范围内的应变，无法实现单点的应变测量；白光干涉传感器的多路复用实现较困难，需要根据情况对传感系统光路进行改造。
光纤光栅传感是基于光波长变化感受应变信息的，相比较白光干涉原理来说，其对光信号能量不敏感，使用光纤光栅传感器封装智能螺栓工艺更简单，可保证封装后传感器灵敏系数的一致性和可靠性；可以有效实现对螺栓应力集中的部位进行定点监测，提高了监测的效率；由于光纤光栅传感是波长调制型，每个光纤光栅传感器的中心波长不同，可以将多个传感器进行串接，其多路复用实现简单，螺栓在结构中被大量应用，需要监测的螺栓数量很多，基于光纤光栅传感原理的智能螺栓可以在结构中实现分布式测量，提高了测量效率。
发明内容
本发明的目的是为了提出一种用于光纤光栅传感器的智能螺栓，将光纤光栅传感器封装于螺栓中，能够实现螺栓工作状态下应变的实时在线监控，且该螺栓性能可靠，工程应用推广容易，分布式测量实现更简单，具有更好的应用前景。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
本发明的一种用于光纤光栅传感器的智能螺栓，该智能螺栓包括传输光纤、保护套管、胶层和螺栓体，传输光纤的中间部分带有光纤光栅传感器；
螺栓体的顶端带有螺栓帽；
螺栓体带有沉孔定义为传感器埋植孔，螺栓体的底端不通，顶端为通孔；
传输光纤通过传感器埋植孔嵌入到螺栓体内，且光纤光栅传感器也嵌入到螺栓体内；
传输光纤和传感器埋植孔之间的间隙填充胶层，为了保护传输光纤出口，在位于螺栓体外面的传输光纤的外面加装保护套管，外了固定保护套管，将保护套管的1-2mm部分内嵌于传感器埋植孔内，利用胶层的粘接将保护套管固定于传感器埋植孔内，在胶层完全固化后，保护套管能够与螺栓体牢固结合在一起，传输光纤的一端有光纤接头。
将上述的智能螺栓中螺栓体带螺纹的一端安装在连接件的螺栓孔内，智能螺栓带传输光纤的一端通过光纤接头与光纤光栅解调仪相连接，在工作过程中，通过光纤光栅解调仪可以实时在线对智能螺栓的工作状态进行监控。
有益效果
光纤光栅传感器的敏感部位是光纤布拉格光栅，是在普通单模光纤上通过激光刻制的方法，其直径约125μm，在光纤上形成长约10mm的光栅(栅长可定制)。在封装时，将光栅部分放入螺栓体的埋植孔内，在孔内注入粘接胶，在注胶时要确保光栅位于孔的中心，且粘接胶在孔内完全填充无空隙；在螺栓的出口处套接光纤保护套管，光纤保护套管的端面深入螺栓埋植孔内约1mm，螺栓埋植孔内的胶将光纤套管牢固地封装在里面。
在使用时，螺栓拧固在连接件上，光纤传感器通过接头连接到光纤光栅解调仪上，螺栓工作时，由于螺栓的受力变形，引起光纤光栅传感器中心波长的变化，且两者之间存在着线性关系，光纤光栅解调仪将实时记录中心波长的数据；通过监测螺栓应变的变化情况，可以识别螺栓受力的变化，从而完成对螺栓工作状态的监控。
在需要监测螺栓数量较多的情况下，可以将光纤光栅智能螺栓通过光纤接头进行串接组网，实现分布式测量，提高测量效率；光纤光栅解调仪对光纤光栅智能螺栓信号进行解调后，可通过无线传输，将信号进行远距离传输，实现远距离实时在线监测。
本发明将光纤光栅传感器封装于螺栓内，形成基于光纤光栅传感原理的智能螺栓，从而实现了螺栓在工作状态下的应变监测，其工作原理简单，制作简便，结构灵巧，成本低，实现分布式测量容易，有效预防大型结构件因为螺栓脱落或断裂等原因引起的事故。
附图说明
图1为本发明的智能螺栓的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
实施例
一种用于光纤光栅传感器的智能螺栓，该智能螺栓包括传输光纤1、保护套管2、胶层3和螺栓体4，传输光纤1的中间部分带有光纤光栅传感器5；
所述的螺栓体4的材料为钛合金；
保护套管2的材料为玻璃纤维；
所述的胶层3所使用的胶为环氧胶；
所述的传输光纤1的涂覆层为聚酰亚胺；
螺栓体4的顶端带有螺栓帽7；
螺栓体4带有沉孔定义为传感器埋植孔6，螺栓体4的底端不通，顶端为通孔；
传输光纤1通过传感器埋植孔6嵌入到螺栓体4内，且光纤光栅传感器5也嵌入到螺栓体4内；
传输光纤1和传感器埋植孔6之间的间隙填充胶层3，为了保护传输光纤1出口，在位于螺栓体4外面的传输光纤1的外面加装保护套管2，外了固定保护套管2，将保护套管2的1mm部分内嵌于传感器埋植孔6内，利用胶层3的粘接将保护套管2固定于传感器埋植孔6内，在胶层3完全固化后，保护套管2能够与螺栓体4牢固结合在一起，传输光纤1的一端有光纤接头8。
将上述的智能螺栓中螺栓体带螺纹的一端安装在飞机的螺栓孔内，智能螺栓带传输光纤1的一端通过光纤接头8与光纤光栅解调仪10相连接，在工作过程中，通过光纤光栅解调仪10可以实时在线对智能螺栓的工作状态进行监控，通过拧紧智能螺栓，光纤光栅解调仪10测定的智能螺栓的拉力值为40kN。
Claims (5)
1.一种用于光纤光栅传感器的智能螺栓，其特征在于：该智能螺栓包括传输光纤(1)、保护套管(2)、胶层3和螺栓体(4)；
传输光纤(1)的中间部分带有光纤光栅传感器(5)；
螺栓体(4)的顶端带有螺栓帽(7)；
螺栓体(4)带有沉孔定义为传感器埋植孔(6)；
传输光纤(1)通过传感器埋植孔(6)嵌入到螺栓体(4)内，且光纤光栅传感器(5)也嵌入到螺栓体(4)内；
传输光纤(1)和传感器埋植孔(6)之间的间隙填充胶层3，在位于螺栓体(4)外面的传输光纤(1)的外面加装保护套管(2)，保护套管(2)的1-2mm部分内嵌于传感器埋植孔(6)内，利用胶层3的粘接将保护套管(2)固定于传感器埋植孔(6)内，在胶层3完全固化后，保护套管(2)能够与螺栓体(4)牢固结合在一起，传输光纤(1)的一端有光纤接头(8)。
2.根据权利要求1所述的一种用于光纤光栅传感器的智能螺栓，其特征在于：所述的螺栓体(4)的材料为钛合金。
3.根据权利要求1所述的一种用于光纤光栅传感器的智能螺栓，其特征在于：保护套管(2)的材料为玻璃纤维。
4.根据权利要求1所述的一种用于光纤光栅传感器的智能螺栓，其特征在于：所述的胶层(3)所使用的胶为环氧胶。
5.根据权利要求1所述的一种用于光纤光栅传感器的智能螺栓，其特征在于：所述的传输光纤(1)的涂覆层为聚酰亚胺。
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