CN104567998A - 一种基于光纤光栅传感原理的温度自补偿智能螺栓 - Google Patents

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本发明涉及一种基于光纤光栅传感原理的温度补偿智能螺栓，属于光纤传感和结构健康监测领域。其包括：螺栓体5、光纤8以及刻在同一根光纤8上的第一光纤光栅传感器4和第二光纤光栅传感器7。第一光纤光栅传感器4既感知温度又感知应变，第二光纤光栅传感器7只感知温度。螺栓体5上有一个贯穿螺栓体5的轴向传感器埋植孔6。光纤8穿过传感器埋植孔6，第一光纤光栅传感器4和第二光纤光栅传感器7位于传感器埋植孔6内部；向传感器埋植孔6内注入封装胶将第一光纤光栅传感器4封装在传感器埋植孔6内；向传感器埋植孔6内注入导热硅脂将第二光纤光栅传感器7封装。本发明提出的温度补偿智能螺栓可实现螺栓工作状态下应变的实时在线监控。

Description

一种基于光纤光栅传感原理的温度自补偿智能螺栓
技术领域
本发明涉及一种基于光纤光栅传感原理的温度补偿智能螺栓，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(微米)，传感器长度一般为10mm(毫米)，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，通过对反射回的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。
光纤光栅应变传感器对温度变化同时敏感，且无法通过解调信号对应变和温度变化进行区分，在工程应用中必须同时安装光纤光栅温度传感器进行温度补偿，这增加了测试系统的复杂性。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于光纤光栅传感原理的温度补偿智能螺栓，其将同一根光纤上的两个光纤光栅传感器封装于螺栓中，实现螺栓工作状态下应变的实时在线监控。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
一种温度补偿智能螺栓，其特征在于：其包括：螺栓体(5)、光纤(8)以及刻在同一根光纤(8)上的第一光纤光栅传感器(4)和第二光纤光栅传感器(7)。
所述第一光纤光栅传感器(4)既感知温度又感知应变，第二光纤光栅传感器(7)只感知温度。第一光纤光栅传感器(4)和第二光纤光栅传感器(7)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制作而成。
螺栓体(5)上有一个贯穿螺栓体(5)的轴向传感器埋植孔(6)。光纤(8)穿过传感器埋植孔(6)，第一光纤光栅传感器(4)和第二光纤光栅传感器(7)位于传感器埋植孔(6)内部；第一光纤光栅传感器(4)位于距离螺栓螺帽近的位置，第二光纤光栅传感器(7)位于距离螺栓螺帽远的位置。向传感器埋植孔(6)内注入封装胶将第一光纤光栅传感器(4)封装在传感器埋植孔(6)内，并固化封装胶；从螺栓体(5)的尾部向传感器埋植孔(6)内注入导热硅脂将第二光纤光栅传感器(7)封装。封装胶和导热硅脂在光纤(8)与传感器埋植孔(6)孔壁之间形成胶层(3)。
所述温度补偿智能螺栓，还包括：第一光纤套管(2)和第二光纤套管(9)。第一光纤套管(2)套在光纤(8)的一端，第一光纤套管(2)的一端插入到传感器埋植孔(6)内；光纤(8)、第一光纤套管(2)以及传感器埋植孔(6)孔壁之间通过粘结胶粘接，固化后成为一个整体。同样，第二光纤套管(9)套在光纤(8)的另一端，第二光纤套管(9)的一端插入到传感器埋植孔(6)内；光纤(8)、第二光纤套管(9)以及传感器埋植孔(6)孔壁之间通过粘结胶粘接，固化后成为一个整体。
所述温度补偿智能螺栓，还包括：第一光纤接头(1)和第二光纤接头(10)。第一光纤接头(1)和第二光纤接头(10)分别安装在光纤(8)的两端。
在使用时，所述温度补偿智能螺栓安装在连接件的螺栓孔内，光纤(8)通过光纤接头或熔接的方式与外部传输光纤相连接，外部传输光纤连接到光纤光栅解调仪表的接口处；在工作过程中，通过光纤光栅解调仪表实时在线对螺栓的工作状态进行监控。
所述温度补偿智能螺栓工作时，由于螺栓的受力变形，引起第一光纤光栅传感器(4)中心波长的变化，且两者之间存在着线性关系，光纤光栅解调仪实时记录第一光纤光栅传感器(4)中心波长的数据，同时第二光纤光栅传感器(7)感受外界温度变化；通过计算可得到温度变化引起的波长变化，将温度影响剔除后可得到螺栓感受的应变变化，从而识别螺栓受力的变化，完成对螺栓工作状态的监控。
在需要监测螺栓数量多的情况下，通过所述温度补偿智能螺栓两端的光纤接头连接或者熔接的方式，将多个安装好的温度补偿智能螺栓进行串接组网在一根外部传输光纤上，用一台解调仪表实现多点同时测量，提高监测效率；光纤光栅解调仪对光纤光栅智能螺栓信号进行解调后，通过无线或有线传输，将信号进行远距离传输，实现远距离实时在线监测。
有益效果
本发明提出的一种基于光纤光栅传感原理的温度补偿智能螺栓，将两个光纤光栅传感器同时封装于螺栓内，从而实现了螺栓在外界温度变化下的应变监测，其工作原理简单，制作简便，结构灵巧，成本低，布线安装简单，可对多个螺栓进行组网，实现多点同时监测，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是本发明具体实施方式中温度补偿智能螺栓内部结构图；
1-第一光纤接头、2-第一光纤套管、3-胶层、4-第一光纤光栅传感器、5-螺栓体、6-传感器埋植孔，7-第二光纤光栅传感器、8-光纤，9-第二光纤套管、10-第二光纤接头。
具体实施方式
下面通过附图和具体实施例对本发明技术方案做详细描述。
本实施例中的温度补偿智能螺栓，其结构如图1所示，包括：第一光纤套管2、第二光纤套管9、第一光纤接头1、第二光纤接头10、螺栓体5、光纤8以及刻在同一根光纤8上的第一光纤光栅传感器4和第二光纤光栅传感器7。
第一光纤光栅传感器4既感知温度又感知应变，第二光纤光栅传感器7只感知温度。第一光纤光栅传感器4和第二光纤光栅传感器7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形成长10mm、直径125μm的光栅。
螺栓体5上有一个贯穿螺栓体5的轴向传感器埋植孔6。光纤8穿过传感器埋植孔6，第一光纤光栅传感器4和第二光纤光栅传感器7位于传感器埋植孔6内部；第一光纤光栅传感器4位于距离螺栓螺帽近的位置，第二光纤光栅传感器7位于距离螺栓螺帽远的位置。向传感器埋植孔6内注入封装胶将第一光纤光栅传感器4封装在传感器埋植孔6内，并固化封装胶；从螺栓体5的尾部向传感器埋植孔6内注入导热硅脂将第二光纤光栅传感器7封装。封装胶和导热硅脂在光纤8与传感器埋植孔6孔壁之间形成胶层3。
第一光纤套管2套在光纤8的一端，第一光纤套管2的一端插入到传感器埋植孔6内1mm处；光纤8、第一光纤套管2以及传感器埋植孔6孔壁之间通过粘结胶粘接，固化后成为一个整体。同样，第二光纤套管9套在光纤8的另一端，第二光纤套管9的一端插入到传感器埋植孔6内1mm处；光纤8、第二光纤套管9以及传感器埋植孔6孔壁之间通过粘结胶粘接，固化后成为一个整体。
第一光纤接头1和第二光纤接头10分别安装在光纤8的两端。
在使用时，温度补偿智能螺栓安装在连接件的螺栓孔内，光纤8通过光纤接头或熔接的方式与外部传输光纤相连接，外部传输光纤连接到光纤光栅解调仪表的接口处；在工作过程中，通过光纤光栅解调仪表实时在线对螺栓的工作状态进行监控。
温度补偿智能螺栓工作时，由于螺栓的受力变形，引起第一光纤光栅传感器4中心波长的变化，且两者之间存在着线性关系，光纤光栅解调仪实时记录第一光纤光栅传感器4中心波长的数据，同时第二光纤光栅传感器7感受外界温度变化；通过计算可得到温度变化引起的波长变化，将温度影响剔除后可得到螺栓感受的应变变化，从而识别螺栓受力的变化，完成对螺栓工作状态的监控。
在需要监测螺栓数量多的情况下，通过所述温度补偿智能螺栓两端的光纤接头连接或者熔接的方式，将多个安装好的温度补偿智能螺栓进行串接组网在一根外部传输光纤上，用一台解调仪表实现多点同时测量，提高监测效率；光纤光栅解调仪对光纤光栅智能螺栓信号进行解调后，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。

Claims (7)

1.一种温度补偿智能螺栓，其特征在于：其包括：螺栓体(5)、光纤(8)以及刻在同一根光纤(8)上的第一光纤光栅传感器(4)和第二光纤光栅传感器(7)；
所述第一光纤光栅传感器(4)既感知温度又感知应变，第二光纤光栅传感器(7)只感知温度；螺栓体(5)上有一个贯穿螺栓体(5)的轴向传感器埋植孔(6)；光纤(8)穿过传感器埋植孔(6)，第一光纤光栅传感器(4)和第二光纤光栅传感器(7)位于传感器埋植孔(6)内部；第一光纤光栅传感器(4)位于距离螺栓螺帽近的位置，第二光纤光栅传感器(7)位于距离螺栓螺帽远的位置；向传感器埋植孔(6)内注入封装胶将第一光纤光栅传感器(4)封装在传感器埋植孔(6)内，并固化封装胶；从螺栓体(5)的尾部向传感器埋植孔(6)内注入导热硅脂将第二光纤光栅传感器(7)封装；封装胶和导热硅脂在光纤(8)与传感器埋植孔(6)孔壁之间形成胶层(3)。
2.如权利要求1所述的一种温度补偿智能螺栓，其特征在于：第一光纤光栅传感器(4)和第二光纤光栅传感器(7)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制作而成。
3.如权利要求1或2所述的一种温度补偿智能螺栓，其特征在于：还包括：第一光纤套管(2)和第二光纤套管(9)；第一光纤套管(2)套在光纤(8)的一端，第一光纤套管(2)的一端插入到传感器埋植孔(6)内；光纤(8)、第一光纤套管(2)以及传感器埋植孔(6)孔壁之间通过粘结胶粘接，固化后成为一个整体；同样，第二光纤套管(9)套在光纤(8)的另一端，第二光纤套管(9)的一端插入到传感器埋植孔(6)内；光纤(8)、第二光纤套管(9)以及传感器埋植孔(6)孔壁之间通过粘结胶粘接，固化后成为一个整体。
4.如权利要求1或2所述的一种温度补偿智能螺栓，其特征在于：还包括：第一光纤接头(1)和第二光纤接头(10)；第一光纤接头(1)和第二光纤接头(10)分别安装在光纤(8)的两端。
5.如权利要求1或2所述的一种温度补偿智能螺栓，其特征在于：在使用时，所述温度补偿智能螺栓安装在连接件的螺栓孔内，光纤(8)通过光纤接头或熔接的方式与外部传输光纤相连接，外部传输光纤连接到光纤光栅解调仪表的接口处；在工作过程中，通过光纤光栅解调仪表实时在线对螺栓的工作状态进行监控。
6.如权利要求1或2所述的一种温度补偿智能螺栓，其特征在于：所述温度补偿智能螺栓工作时，由于螺栓的受力变形，引起第一光纤光栅传感器(4)中心波长的变化，且两者之间存在着线性关系，光纤光栅解调仪实时记录第一光纤光栅传感器(4)中心波长的数据，同时第二光纤光栅传感器(7)感受外界温度变化；通过计算可得到温度变化引起的波长变化，将温度影响剔除后可得到螺栓感受的应变变化，从而识别螺栓受力的变化，完成对螺栓工作状态的监控。
7.如权利要求1或2所述的一种温度补偿智能螺栓，其特征在于：在需要监测螺栓数量多的情况下，通过所述温度补偿智能螺栓两端的光纤接头连接或者熔接的方式，将多个安装好的温度补偿智能螺栓进行串接组网在一根外部传输光纤上，用一台解调仪表实现多点同时测量，提高监测效率；光纤光栅解调仪对光纤光栅智能螺栓信号进行解调后，通过无线或有线传输，将信号进行远距离传输，实现远距离实时在线监测。
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