CN107421459A - 一种具有松动监测能力的光纤智能螺栓 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有松动监测能力的光纤智能螺栓，包括螺栓本体，在螺栓本体的顶部设有螺帽，在螺栓本体顶部同轴设有沿竖直方向设置的第一安装孔洞，所述第一安装孔洞将螺帽上下贯穿，在螺栓本体的尾部设有沿水平设置的通孔，所述通孔左右贯穿于螺栓本体，在通孔内嵌装有插销，在插销末端一体设有弹性弯曲杆，在弹性弯曲杆的末端固定有配重球，在插销内设有第二安装孔洞，在弹性弯曲杆内设有第三安装孔洞，所述第三安装孔洞将配重球贯穿；在第一安装孔洞内封装有第一光纤传感器，在第二安装孔洞内封装有第二光纤传感器，在第三安装孔洞内封装有第三光纤传感器；从而实现了一种具有松动监测能力的光纤智能螺栓。

Description

一种具有松动监测能力的光纤智能螺栓

技术领域

本发明属于光纤传感及结构健康监测技术领域，特别涉及一种具有松动监测能力的光纤智能螺栓。

背景技术

螺栓连接广泛应用于机械、化工、交通、电力、航空和土木等行业的各类设备和结构中，一方面用于连接可拆卸部件，另一方面用于传递零部件间的载荷，连接状态表现为轴向预紧。螺栓预紧力就是在拧螺栓过程中在拧紧力矩作用下的螺栓与被连接件之间产生的沿螺栓轴心线方向的预紧力，其预紧力的大小直接关系到整个设备或结构工作的可靠性和安全性。

在不同的螺栓应用环境中，由于高温、高压、高频振动、载荷冲击等各种因素的影响，往往造成螺栓松动、疲劳和锈蚀而引起的断裂及过载等引起的事故，这些事故造成了很大的经济损失和人员伤亡，因此在结构的特定位置进行实时在线的工作状态健康结构监测很有必要。

智能螺栓是最近几年刚刚发展起来的新型螺栓型式，具有典型的结构功能一体化特征，其可通过外部安装或内部埋设传感器/存储器/微处理器芯片的方式用于智能化工业产品的生产、使用和维护等各个阶段。就目前而言，智能螺栓最具备两方面的智能功能，一是对温度、载荷、压力等环境因素的感知能力，即传感器功能，主要可应用于计量或结构健康监测领域；二是数据存储和身份识别能力，即数字标签功能，主要应用于生产装配和使用维护等领域。

光纤传感器具有质量轻、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，可在结构表面安装或者埋入结构体内部，对被测结构的影响小，测量的结果是结构参数更加真实的反应，适合用于反馈复杂工况环境下结构的变化。

在智能螺栓中内置光纤传感器对结构进行健康监测是目前行业中研究的较多且技术比较成熟的一种制作方式，但就目前所能检索到的行业内的技术来看，几乎所有的智能螺栓的生产或设计方式采用的都是内部埋设的单一模式，而这种模式存在的缺陷是这样设计的智能螺栓只能起到监测螺栓工作状态的作用，也就是说只能将监测到的数据进行传输，螺栓是否松动，松动到什么程度，是否需要进行人工维修或者更换都需要工作人员进行实时观察并作出判断。

如专利申请号为 CN2014108022954的中国专利“一种基于光纤光栅传感原理的温度补偿智能螺栓”，该专利申请中螺栓开有通孔，光纤传感器贯穿通孔之间，在靠近螺栓头及螺栓尾的两端分别镀有应力光栅传感器及温度光栅传感器，光纤及螺栓孔之间用环氧树脂胶填充。其功能是可对监测到的应力数据进行温度补偿，实时监测螺栓的工作状态；但该发明的缺点在于其所述的智能螺栓只能监测螺栓的工作状态，却不能对监测到的工作状态进行判断和警示，也就是说螺栓是否需要检修需要人工判断；而在实际状况中需要监测的螺栓数量庞大，如果仅靠人工判断无疑是增加了人工成本。

专利申请号为CN2015107397562的中国专利公开了“一种带预拉伸装置的光纤光栅螺栓应力传感器”，螺帽端由预拉伸装置连接应力光栅传感器，螺杆下端放置温度光栅传感器，呈松弛状态。其功能在于实现无胶化封装，提高测量精度和动态性能，但该发明同样只侧重于加强测量螺栓应力的过程，而忽视了螺栓松动之后的警示问题。

综上所述，如何制作一种结构简单、成本低、具有实时监测功能且在螺栓松动需要检修时能够进行警示的光纤智能螺栓是目前行业内需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有松动监测能力的光纤智能螺栓，其具有实时监测功能且在螺栓松动需要检修时能够进行警示功能；

本发明为达到上述目的所采取的技术方案是：

一种具有松动监测能力的光纤智能螺栓，包括螺栓本体，在螺栓本体的顶部设有螺帽，在螺栓本体顶部同轴设有沿竖直方向设置的第一安装孔洞，所述第一安装孔洞将螺帽上下贯穿，在螺栓本体的尾部设有沿水平设置的通孔，所述通孔左右贯穿于螺栓本体，在通孔内嵌装有插销，在插销末端一体设有弹性弯曲杆，在弹性弯曲杆的末端固定有配重球，在插销内设有第二安装孔洞，在弹性弯曲杆内设有第三安装孔洞，所述第三安装孔洞将配重球贯穿；在第一安装孔洞内封装有第一光纤传感器，在第二安装孔洞内封装有第二光纤传感器，在第三安装孔洞内封装有第三光纤传感器。

优选的，所述第一光纤传感器为光纤应力传感器称为监测单元，第二光纤传感器和第三光纤传感器组成加速度光纤传感器称为警示单元，所述监测单元和警示单元分别配有相对应的光纤传感器解调装置。

优选的，所述第一光纤传感器位于第一安装孔洞之内部分套设有第一毛细钢管，第一光纤传感器位于第一安装孔洞之外部分套设有第一保护套管，第一毛细钢管与第一安装孔洞内壁之间采用胶层填充，第一保护套管与第一毛细钢管套接。

优选的，所述第二光纤传感器位于第二安装孔洞之内部分套设有第二毛细钢管，第二光纤传感器位于第二安装孔洞之外部分套设有第二保护套管，第二毛细钢管与第二安装孔洞内壁之间采用胶层填充，第二保护套管与第二毛细钢管套接。

优选的，所述第三光纤传感器位于第三安装孔洞之内部分套设有第三毛细钢管，第三光纤传感器位于第三安装孔洞之外部分套设有第三保护套管，第三毛细钢管与第三安装孔洞内壁之间采用胶层填充，第三保护套管与第三毛细钢管套接。

优选的，所述通孔为方形孔，所述插销为与通孔匹配的矩形柱，所述第二安装孔洞的开口位于插销的末端，所述第三安装孔洞的开口位于配重球的前端。

本发明所具有的有益效果为：通过在螺栓本体内设置光纤传感式的监测单元和警示单元，实现了对螺栓松动状态的高精度的实时监测，解决了目前行业内智能螺栓只能监测螺栓状态却不能预警提醒检修的问题，从而实现了一种具有松动监测能力的光纤智能螺栓。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步描述。

如图1所示，一种具有松动监测能力的光纤智能螺栓，包括螺栓本体4，在螺栓本体4的顶部设有螺帽5，在螺栓本体4顶部同轴设有沿竖直方向设置的第一安装孔洞6，所述第一安装孔洞6将螺帽5上下贯穿，在螺栓本体4的尾部设有沿水平设置的通孔，所述通孔左右贯穿于螺栓本体4，在通孔4内嵌装有插销2，在插销2末端一体设有弹性弯曲杆9，在弹性弯曲杆9的末端固定有配重球1，在插销2内设有第二安装孔洞（图中未示出），在弹性弯曲杆9内设有第三安装孔洞（图中未示出），所述第三安装孔洞将配重球1贯穿；在第一安装孔洞6内封装有第一光纤传感器8，在第二安装孔洞内封装有第二光纤传感器3，在第三安装孔洞内封装有第三光纤传感器10。

进一步，所述第一光纤传感器8为光纤应力传感器称为监测单元，第二光纤传感器3和第三光纤传感器10组成加速度光纤传感器称为警示单元，所述监测单元和警示单元分别配有相对应的光纤传感器解调装置。

为了增强在使用过程中的强度，对第一光纤传感器8、第二光纤传感器3和第三光纤传感器10进一步封装，即所述第一光纤传感器8位于第一安装孔洞6之内部分套设有第一毛细钢管7，第一光纤传感器8位于第一安装孔洞6之外部分套设有第一保护套管（图中未示出），第一毛细钢管7与第一安装孔洞6内壁之间采用胶层填充，第一保护套管与第一毛细钢管7套接。

所述第二光纤传感器3位于第二安装孔洞之内部分套设有第二毛细钢管，第二光纤传感器位于第二安装孔洞之外部分套设有第二保护套管，第二毛细钢管与第二安装孔洞内壁之间采用胶层填充，第二保护套管与第二毛细钢管套接。

所述第三光纤传感器10位于第三安装孔洞之内部分套设有第三毛细钢管，第三光纤传感器位于第三安装孔洞之外部分套设有第三保护套管，第三毛细钢管与第三安装孔洞内壁之间采用胶层填充，第三保护套管与第三毛细钢管套接。

为了保证第二光纤传感器3与第三光纤传感器10在螺栓本体4产生振动时形成准确的对比以便对反射谱进行解调，所述通孔为方形孔，所述插销2为与通孔匹配的矩形柱，所述第二安装孔洞的开口位于插销2的末端，所述第三安装孔洞的开口位于配重球1的前端。

其中，第二光纤传感器3也可安装在第三光纤传感器10之后连接的光纤传感器解调装置中，并将第二光纤传感器3放置在恒温环境内；同时第二光纤传感器3与第三光纤传感器10还可以为第一光纤传感器8起到温度补偿的作用。

当螺栓本体4发生松动时，监测单元即第一光纤传感器8、警示单元即第二光纤传感器3和第三光纤传感器10通过解调装置分别将应变-时间图、加速度-时间图同时显示在显示器上，当警示单元监测到振动频率不是太大时不需要检修，只需要工作人员注意即可，当警示单元监测到振动频率大于设定阈值时，说明松动严重，此时就触发报警系统，同时显示出现振动超阈值的螺栓编号，提示工作人员及时处理。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种具有松动监测能力的光纤智能螺栓，包括螺栓本体，在螺栓本体的顶部设有螺帽，其特征在于，在螺栓本体顶部同轴设有沿竖直方向设置的第一安装孔洞，所述第一安装孔洞将螺帽上下贯穿，在螺栓本体的尾部设有沿水平设置的通孔，所述通孔左右贯穿于螺栓本体，在通孔内嵌装有插销，在插销末端一体设有弹性弯曲杆，在弹性弯曲杆的末端固定有配重球，在插销内设有第二安装孔洞，在弹性弯曲杆内设有第三安装孔洞，所述第三安装孔洞将配重球贯穿；在第一安装孔洞内封装有第一光纤传感器，在第二安装孔洞内封装有第二光纤传感器，在第三安装孔洞内封装有第三光纤传感器。

2.根据权利要求1所述的具有松动监测能力的光纤智能螺栓，其特征在于，所述第一光纤传感器为光纤应力传感器称为监测单元，第二光纤传感器和第三光纤传感器组成加速度光纤传感器称为警示单元，所述监测单元和警示单元分别配有相对应的光纤传感器解调装置。

3.根据权利要求1所述的具有松动监测能力的光纤智能螺栓，其特征在于，所述第一光纤传感器位于第一安装孔洞之内部分套设有第一毛细钢管，第一光纤传感器位于第一安装孔洞之外部分套设有第一保护套管，第一毛细钢管与第一安装孔洞内壁之间采用胶层填充，第一保护套管与第一毛细钢管套接。

4.根据权利要求3所述的具有松动监测能力的光纤智能螺栓，其特征在于，所述第二光纤传感器位于第二安装孔洞之内部分套设有第二毛细钢管，第二光纤传感器位于第二安装孔洞之外部分套设有第二保护套管，第二毛细钢管与第二安装孔洞内壁之间采用胶层填充，第二保护套管与第二毛细钢管套接。

5.根据权利要求4所述的具有松动监测能力的光纤智能螺栓，其特征在于，所述第三光纤传感器位于第三安装孔洞之内部分套设有第三毛细钢管，第三光纤传感器位于第三安装孔洞之外部分套设有第三保护套管，第三毛细钢管与第三安装孔洞内壁之间采用胶层填充，第三保护套管与第三毛细钢管套接。

6.根据权利要求1至5任一条所述的具有松动监测能力的光纤智能螺栓，其特征在于，所述通孔为方形孔，所述插销为与通孔匹配的矩形柱，所述第二安装孔洞的开口位于插销的末端，所述第三安装孔洞的开口位于配重球的前端。