CN105403337B - 一种带预拉伸装置的光纤光栅螺栓应力传感器 - Google Patents
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Abstract
一种带预拉伸装置的光纤光栅螺栓应力传感器，包括：螺栓、左端螺纹接头、右端螺纹接头、动头、定头、销、紧定螺钉、螺旋压缩弹簧、感知螺栓应力的光栅、感知温度的光栅，所述两个光栅刻在同一根光纤上，螺栓中心轴上开有阶梯孔，在孔径较小的部位安装感知螺栓应力的光栅，通过反向拧出预拉伸装置中的左端螺纹接头，可预拉伸感知螺栓应力的光栅，销连接可防止该光栅的扭转；在螺栓靠近外螺纹的孔径较大的部位安装感知温度的光栅，两个光栅的波长变化差值即为螺栓应力带来的波长变化。本发明通过光栅和螺栓基体之间的无胶化封装，能够提高测量的精度和动态性能，预拉伸装置可方便地调节预紧力，传感器出纤少，不受温度变化的影响，可串联。
Description
技术领域
本发明涉及结构健康监测领域，具体地说是一种带预拉伸装置的光纤光栅螺栓应力传感器。
背景技术
螺纹连接在大型机械、土木等领域应用广泛，其连接的可靠性是结构安全的重要保证，但由于这些结构往往工作在重载条件下，而且可能伴随着振动、冲击和变载等恶劣工况，螺纹之间的摩擦可能瞬时消失，此外，温度的影响也可造成材料的蠕变和不均匀变形，这些都可能导致螺纹产生自松，对结构的安全构成损害，如果不及时发现事故征兆并进行维修，将可能引发灾难性后果。因此，有必要对螺纹连接中螺栓的应力进行监测，以及时发现松动和调整螺纹连接的拧紧力。
光纤光栅具有体积小、防爆、对电绝缘、抗电磁干扰、精度高、可靠性高、环境适应性好的优点，适合用于复杂工况环境下。专利号为ZL02232164.0的中国专利“光纤智能螺栓”在螺栓轴向中心开深孔或透孔，将光纤形变传感器内嵌到所开孔中并用环氧树脂填充，该专利光栅和螺栓孔之间填充有树脂，在螺栓应变传递到光纤的过程中环氧树脂会吸收一部分能量，导致光纤光栅传感器的应变存在传递误差，容易造成应变滞后，特别是对动态测量造成较大的误差。由于光纤无预拉伸，容易因树脂固化不均匀而产生光栅啁啾现象，会进一步影响测量的准确性。申请号为201410802295.4的中国专利公开了一种基于光纤光栅传感原理的温度补偿智能螺栓，在螺栓上开通孔，应力感应光栅和螺栓孔之间通过胶体固定，容易产生应变滞后，而且开孔直径要求很小，对于长度较大的螺栓来说，深细孔加工困难。申请号为201410353570.9的中国专利公开了一种光纤光栅式结构连接螺栓受力监测传感器，将微型光栅式传感器植入螺杆两侧开置的细长凹槽内，采用结构胶封闭凹槽，该专利申请存在胶体带来的滞后效应。专利号为ZL201520131780.3的中国专利“一种智能螺栓”包括开有通孔的螺栓和穿过通孔的光纤，光纤套有毛细钢管，光纤和毛细钢管间填充环氧树脂，该结构同样存在胶体带来的应变滞后，而且难以通过一根刻有两个光栅的光纤同时实现应力测量和温度补偿。
综上看来，现有的螺纹连接受力测量装置存在光栅和螺栓基体之间普遍采用胶体封装、光纤无预拉伸、难以通过一根刻有两个光栅的光纤同时实现应力测量和温度补偿等缺点中的一个或多个，会造成应变滞后、动态测量误差大、光栅容易产生啁啾、测量不准确、增加温补光栅需要额外的光纤等问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种带预拉伸装置的光纤光栅螺栓应力传感器，能够避免光栅与螺栓基体之间的胶体带来的应变滞后。
本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种带预拉伸装置的光纤光栅螺栓应力监测传感器，包括光纤，光纤上设有感知螺栓应力的光栅和温补光栅，设置在待测螺栓内部，其特征在于：待测螺栓内部沿轴向设有阶梯通孔，其中阶梯通孔中直径较大的孔靠近螺栓外螺纹一侧，直径较小的孔靠近螺帽一侧；
本传感器还包括位于螺帽的预拉伸装置、固定于阶梯通孔中的定头和位于待测螺栓尾部的接头；其中光纤与待测螺栓轴向平行地在阶梯通孔中穿过并且使得所述的感知螺栓应力的光栅位于预拉伸装置和定头之间，温补光栅位于定头与接头之间，光纤从接头引出传输信号，光纤与定头固定连接，感知螺栓应力的光栅由预拉伸装置拉紧，温补光栅处于松弛状态。
按上述方案，与定头固定的光纤部分为去涂覆层光纤，通过粘接剂与定头固定连接。
按上述方案，所述的定头的一侧与阶梯通孔的两孔之间的端面重合，定头的另一侧与接头之间设有被压缩的弹簧。
按上述方案，所述的定头靠近接头一侧的直径小于阶梯通孔，所述的弹簧套在定头上。
按上述方案，所述的预拉紧装置包括与待测螺栓阶梯通孔螺纹连接的螺纹接头、位于螺纹接头中的活动头、用于限制活动头旋转的销、以及用于锁紧螺纹接头的锁紧装置，其中与活动头固定的光纤部分为去涂覆层光纤，通过粘接剂与活动头固定连接；螺纹接头沿轴向开有凸形通孔，凸形通孔的头部朝向待测螺栓尾部，活动头与凸形通孔相匹配，且活动头和螺纹接头可相对转动；活动头的尾部和阶梯通孔中均设有与所述的销匹配的轴向销槽；所述的锁紧装置包括设置在待测螺栓的螺帽上的与螺纹接头相互垂直的螺钉孔，以及与螺钉孔螺纹连接的锁紧螺钉。
本发明的有益效果为：采用本发明结构，光栅悬空在螺栓内部，实现了光栅的无胶化封装，避免光栅与螺栓基体之间的胶体带来的应变滞后，具有测量准确、动态测量性能好的特点，光纤预拉伸装置能够方便地调整光纤的预拉伸量。
附图说明
图1为本发明的整体纵截面剖视图；
图2为本发明的螺栓纵截面剖视图；
图3为本发明的标定结果图；
图中：1-待测螺栓、1-1-螺帽，1-2-螺栓外螺纹，1-3-直径较小的孔，1-4-直径较大的孔，2-销、3-感知螺栓应力的光栅、4-定头、5-温补光栅、6-弹簧、7-接头、8-动头、9-螺纹接头、10-锁紧螺钉。
具体实施方式
下面结合具体实例对本发明做进一步说明。
本发明提供一种带预拉伸装置的光纤光栅螺栓应力监测传感器，如图1所示，包括光纤，光纤上设有感知螺栓应力的光栅3和温补光栅5，设置在待测螺栓1内部，待测螺栓1内部沿轴向设有阶梯通孔，如图2所示，其中阶梯通孔中直径较大的孔1-4靠近螺栓外螺纹1-2一侧，直径较小的孔1-3靠近螺帽1-1一侧；
本传感器还包括位于螺帽1-1的预拉伸装置、固定于阶梯通孔中的定头4和位于待测螺栓尾部的接头7；其中光纤与待测螺栓1轴向平行地在阶梯通孔中穿过并且使得所述的感知螺栓应力的光栅3位于预拉伸装置和定头4之间，温补光栅5位于定头4与接头7之间，光纤从接头7引出传输信号，光纤与定头4固定连接，感知螺栓应力的光栅3由预拉伸装置拉紧，温补光栅5处于松弛状态。
优选的，与定头4固定的光纤部分为去涂覆层光纤，通过粘接剂（例如环氧树脂）与定头4固定连接，以消除涂覆层带来的弹性滞后和误差。
优选的，所述的定头4的一侧与阶梯通孔的两孔之间的端面重合，定头4的另一侧与接头之间设有被压缩的弹簧6。进一步优选的，定头4靠近接头7一侧的直径小于阶梯通孔，所述的弹簧6套在定头4上，两端并紧且磨平，能够保证螺旋压缩弹簧在工作时受力均匀、平稳，从而使定头4受压均匀、稳定，保证传感器在工作时定头4的左端面和螺栓1的阶梯孔的端面不会发生脱离。
优选的，所述的预拉紧装置包括与待测螺栓阶梯通孔螺纹连接的螺纹接头9、位于螺纹接头9中的活动头8、用于限制活动头旋转的销2、以及用于锁紧螺纹接头9的锁紧装置，其中螺纹接头9沿轴向开有凸形通孔，凸形通孔的头部朝向待测螺栓1尾部，活动头8与凸形通孔相匹配，且活动头8和螺纹接头9可相对转动；活动头8的尾部和阶梯通孔中均设有与所述的销2匹配的轴向销槽；所述的锁紧装置包括设置在待测螺栓的螺帽1-1上的与螺纹接头9相互垂直的螺钉孔，以及与螺钉孔螺纹连接的锁紧螺钉10。
本实施例提供的传感器，封装时，按以下步骤：
S1、在待测螺栓1上沿中心轴上开阶梯通孔，待测螺栓1两端攻螺纹，螺帽上沿径向开螺钉孔，该螺钉孔和待测螺栓1左端螺纹孔相通。
S2、沿定头4轴线开阶梯孔，小孔用于光纤定位，保证感知螺栓应力的光栅3与待测螺栓的轴线平行，将光纤上感知螺栓应力的光栅3和温补光栅5之间的无光栅部位置于定头4的阶梯孔中，往该阶梯孔中注入环氧树脂，以固定光纤，光纤与阶梯孔的固定部分需去除光纤表面的涂覆层，以消除涂覆层带来的弹性滞后和误差。
S3、定头4的外部加工为阶梯轴，在其直径较小的轴段上套有弹簧6，然后往待测螺栓1的靠近外螺纹的直径较大的孔中注入约占大孔深度2/3的导热硅脂，将接头7拧入螺栓1的右端螺纹孔中，以压紧弹簧6，弹簧6两端并紧且磨平，能够保证螺旋压缩弹簧在工作时受力均匀、平稳，从而使定头4受压均匀、稳定，保证传感器在工作时定头4的左端面和螺栓1的阶梯孔的端面不会发生脱离。
S4、温补光栅5处于松弛状态，沿接头7的轴线开阶梯孔，小孔用于光纤定位，往接头7的阶梯孔注入环氧树脂，以固定光纤。
S5、通过调节预拉伸装置，使该光纤上感知螺栓应力的光栅3处于悬空和预拉伸状态，以避免感知螺栓应力的光栅3和螺栓基体1之间的胶体带来的应变滞后，提高测量精度和动态测量性能。
进一步的，本实施例提供一种预拉伸装置，由螺纹接头9、动头8、销2、和锁紧装置，动头8的外部为阶梯轴，其直径较小的轴段上开有销槽，螺纹接头9沿轴线开有阶梯孔，将动头8放入螺纹接头9孔内，使动头8的轴肩和螺纹接头9内部的阶梯孔端面接触，动头8和螺纹接头9可相对转动，然后将销2放入动头8的销槽中；螺栓1的两端沿轴线攻有螺纹孔，并开有和销2配合的销槽，将左端螺纹接头9拧入螺栓1左端的螺纹孔，同时调整动头8的角度，使销2进入螺栓1上的销槽中；动头8上沿轴线开有阶梯孔，小孔用于光纤定位，保证感知螺栓应力的光栅3与螺栓1的轴线平行，光纤从动头8穿过，往动头8的阶梯孔中注入环氧树脂，以固定光纤，光纤与阶梯孔的固定部分需去除光纤表面的涂覆层，以消除涂覆层带来的弹性滞后和误差；螺栓1的螺帽上沿径向开有螺钉孔，锁紧螺钉10可从该螺钉孔拧入，当光纤和动头8通过环氧树脂固结后，反向拧出螺纹接头9，拉伸光纤至感知螺栓应力的光栅3的波长达预定值后，拧紧锁紧螺钉10，起到固定螺纹接头9的作用，由于销2和动头8及待测螺栓1上的销槽的配合，在反向拧出螺纹接头9的过程中，感知螺栓应力的光栅3不会产生扭转。
本发明提供的带预拉伸装置的光纤光栅螺栓应力传感器线性度可达99.96%，测量精度为5.17pm/MPa，对本实施例提供的传感器进行标定，标定结果如图3所示，选用的是M24螺栓，螺栓轴向受力测量精度可达0.078KN。
本发明通过光栅和螺栓基体之间的无胶化封装，提高了测量准确性和动态测量性能，通过预拉伸装置，可以方便地调整光纤的预拉伸量。通过一根光纤上两个光栅的波长变化差值来反映螺栓的应力，既消除了温度变化对光栅波长的影响，也减少了出纤条数，多个螺栓应力传感器可以方便的串接，然后连接到光纤光栅解调仪上，实现一个通道多点测量，节约通道数。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种带预拉伸装置的光纤光栅螺栓应力监测传感器，包括光纤，光纤上设有感知螺栓应力的光栅和温补光栅，设置在待测螺栓内部，其特征在于：待测螺栓内部沿轴向设有阶梯通孔，其中阶梯通孔中直径较大的孔靠近螺栓外螺纹一侧，直径较小的孔靠近螺帽一侧；
本传感器还包括位于螺帽的预拉伸装置、固定于阶梯通孔中的定头和位于待测螺栓尾部的接头；其中光纤与待测螺栓轴向平行地在阶梯通孔中穿过并且使得所述的感知螺栓应力的光栅位于预拉伸装置和定头之间，温补光栅位于定头与接头之间，光纤从接头引出传输信号，光纤与定头固定连接，感知螺栓应力的光栅由预拉伸装置拉紧，温补光栅处于松弛状态；
所述的定头的一侧与阶梯通孔的两孔之间的端面重合，定头的另一侧与接头之间设有被压缩的弹簧，所述的定头靠近接头一侧的直径小于阶梯通孔，所述的弹簧套在定头上；
所述的预拉紧装置包括与待测螺栓阶梯通孔螺纹连接的螺纹接头、位于螺纹接头中的活动头、用于限制活动头旋转的销、以及用于锁紧螺纹接头的锁紧装置，其中与活动头固定的光纤部分为去涂覆层光纤，通过粘接剂与活动头固定连接；螺纹接头沿轴向开有凸形通孔，凸形通孔的头部朝向待测螺栓尾部，活动头与凸形通孔相匹配，且活动头和螺纹接头可相对转动；活动头的尾部和阶梯通孔中均设有与所述的销匹配的轴向销槽；所述的锁紧装置包括设置在待测螺栓的螺帽上的与螺纹接头相互垂直的螺钉孔，以及与螺钉孔螺纹连接的锁紧螺钉。
2.根据权利要求1所述的带预拉伸装置的光纤光栅螺栓应力监测传感器，其特征在于：与定头固定的光纤部分为去涂覆层光纤，通过粘接剂与定头固定连接。
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