CN109269433B - 一种基于光纤光栅传感带温度补偿的卡箍及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光纤光栅传感带温度自补偿的卡箍松动自监测装置及方法，其特征在于：在卡箍的长度方向设有第一孔和第二孔，在第一孔内设有测应变的光纤光栅应变传感器，在第二孔内设有光纤光栅温度传感器，所述的卡箍上端面设有垫片，所述垫片覆盖整个卡箍的上端面，通过紧固件将两卡箍卡装在一起。该发明充分利用了光纤光栅传感器抗电磁干扰，体积小，易于组网和分布式的特点，使得该发明能实现在不改变卡箍整体结构性能的前提下对强电磁环境下小公称直径短螺栓连接的块状卡箍松动进行分布式远程在线监测。

Description

一种基于光纤光栅传感带温度补偿的卡箍及监测方法

技术领域

本发明属于光纤光栅传感和机械工程领域，具体涉及一种基于光纤传感带温度自补偿的块状卡箍松动自监测装置及监测方法。

背景技术

块状卡箍常用于固定或支撑航空，石油，化工领域中的管路。以航空管路为例，由于飞机基体和航空发动机振动往往都十分剧烈，航空液压管路系统通常都会承受较大的环境振动激励。长此以往，卡箍将会发生松动甚至脱落，最后危及整个管路系统，势必会造成巨大的经济损失和人员伤亡。但是，目前缺少相应的监测技术对其健康状态进行监测。

光纤光栅作为一种新型传感器，近年来被广泛应用于结构健康状态监测领域，光纤光栅传感器与传统的电类传感器相比，具有如下优势：1.光纤光栅由于其本质防爆，抗电磁干扰，以光信号为载体可实现不带电的测量环境，非常适用于易燃易爆的石油化工，航天管路；2.光导纤维是优良的绝缘体，可在强磁场，强电场及高温环境下长期工作，同时易于复用，信息传输量大，有利于大容量分布式测量；3.质轻体积小，直径约为250μm，非常适用于狭小空间内应变和温度的测量；4.易于多传感器组网，能实现多参数分布式实时监测，且精度高，稳定性好，信号传输距离远。光纤光栅中心波长λ_B变化与应变和温度之间的关系为：

式中α_f为光纤材质的热膨胀系数，ξ为热光系数，P_e为光纤材料的弹光系数，Δλ_B为光纤光栅中心波长的漂移量，ΔT为环境温度的变化量，Δε为光纤光栅所受应变的变化量，当对温度进行补偿以后上述光纤光栅波长随应变改变的关系可对卡箍的松动问题进行定量监测。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足提供一种能有效监测卡箍松动程度的基于光纤传感带温度自补偿的块状卡箍松动自监测装置及监测方法。

本发明所采用的技术方案为：一种基于光纤光栅传感带温度补偿的卡箍，其特征在于：在卡箍的长度方向设有第一孔和第二孔，在第一孔内设有测应变的光纤光栅应变传感器，在第二孔内设有光纤光栅温度传感器，所述的卡箍上端面设有垫片，所述垫片覆盖整个卡箍的上端面，通过紧固件将两卡箍卡装在一起。

按上述技术方案，第一孔设置在卡箍的一侧，第二孔设置在卡箍的另一侧，两者相连通。

按上述技术方案，所述光纤光栅应变传感器通过热固化固定在第一孔内，通过第一套管引出，所述光纤光栅温度传感器通过导热材料固定在第二孔，通过第二套管引出。

按上述技术方案，，还包括检测站和远程监控与信息处理中心，所述检测站包括光纤光栅解调仪和上位机，远程监控与信息处理中心包括服务器和检测与诊断设备，所述光纤光栅应变传感器和光纤光栅温度传感器与光纤光栅解调仪相连，所述光纤光栅解调仪上位机相连，上位机通过无线通信与服务器相连，服务器与检测与诊断设备相连。

利用基于光纤光栅传感带温度自补偿的卡箍松动自监测装置的监测方法，其特征在于：

在光纤光栅温度传感器放入第二孔前先进行封装，封装后在温控箱中进行标定，标定方法为：将封装好的温度传感器放入恒温箱中，按传感器的标定标准进行标定。标定后的光纤光栅温度传感器再放入第二孔中；将固化在第一孔中的光纤光栅应变传感器连同卡箍进行标定，标定方法为：使用标准力矩扳手进行等梯度加扭矩，此时的标定过程利用事先标定好的光纤光栅温度传感器对温度进行解耦，然后通过扭矩与光纤光栅应变传感器的中心波长变化关系进行标定，从而利用光纤光栅波长的变化情况表征卡箍在实际使用过程中的松动程度。

按上述技术方案，作用于螺栓外加扭矩与光纤光栅应变传感器中心波长漂移之间的关系如下：

(1)作用于螺栓的外加扭矩Tr与螺栓预紧力F之间的关系为：

Tr＝k·F·d

式中：Tr为作用于螺栓的扭矩，F为螺栓的预紧力，d为螺栓的公称直径，k为扭矩系数且有：

d_m为螺纹的平均直径，ψ为螺纹升角，μ_Bolt为螺纹之间的摩擦系数，α为螺纹角，f_c为垫片与卡箍表面之间的摩擦系数，上述公式表明外加扭矩Tr和螺栓预紧力F呈线性关系。

(2)埋入卡箍的光纤光栅应变传感器波长变化与外加扭矩之间的关系为：

式中：k₁为光纤光栅应变传感器的波长变化和预紧力之间的关系在材料的线弹性范围内为常数，

为光纤光栅传感器波长变化和外加扭矩之间的关系，均为不变系数，

可通过标定实验获得，ΔTr为外加扭矩的变化量，Δλ_B为光纤光栅应变传感器的波长变化量，上式表明外加扭矩和光纤光栅应变传感器的波长漂移成线性关系。

本发明所取得的有益效果为：

1、本发明根据光纤光栅中心波长的漂移量(剔除温度影响后)与螺栓预紧力(或外加扭矩)的关系进行卡箍松动程度表征，充分利用了光纤光栅抗电磁干扰、体积小和分布式的特点，使得该发明能实现对在不破坏卡箍整体结构性能的前提下对强电磁环境下的卡箍松动进行分布式监测。

2、该方法可适用于小公称直径短螺栓连接的块状卡箍，且该发明结构简单，零件少，易于制作和安装，适用性强，成本低，维护方便，并且还可以和3D打印技术有效地结合起来，具有广阔的市场前景和应用前景。

3、该发明将两个小栅距的光纤光栅同时嵌入到卡箍内，测温的光纤光栅温度传感器采用铜质毛细管封装后用导热膏包裹埋入卡箍，能起到保护光纤光栅和增敏的作用，实现了温度自补偿的目的，因此该方法适用于环境温度变化下的卡箍松动程度的实时监测。测量应变的光纤光栅应变传感器可采用能重复使用的胶水封装在卡箍预留的孔内，这样能减少成本。

附图说明

图1为本发明的自检测装置的控制原理图。

图2为本发明中卡箍的整体装配图。

图3为本发明中卡箍的主剖视图。

图4为本发明中卡箍打孔的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1-4所示，本实施例提供了一种基于光纤光栅传感带温度补偿的卡箍，包括块状卡箍3，在卡箍3的长度方向设有第一孔6和第二孔9，第一孔6设置在卡箍3的一侧，第二孔9设置在卡箍的另一侧，两者相连通，且同轴设置。在所述第一孔6中用353ND耐高温环氧树脂胶5或采用在高温(该温度必须高于实际应用环境的温度)下热塑性较强的胶水将光纤光栅应变传感器4固定于第一孔6内，将光纤光栅温度传感器8封装在铜管内，并用耐高温、不易挥发、化学性质稳定的导热膏7涂敷在铜管与第二孔9之间。待所述传感器均安装在孔内后，传输光纤需用套管11保护且将套管11伸入沉孔10中，然后采用12EX-509胶将套管11固定在沉孔10中形成保护。卡箍3上端面设有垫片2，所述垫片覆盖整个卡箍的上端面，通过螺栓1将两卡箍3卡装在一起。如图1所示，其控制装置还包括检测站和远程监控与信息处理中心，所述检测站包括光纤光栅解调仪和上位机，远程监控与信息处理中心包括服务器和检测与诊断设备，所述光纤光栅应变传感器和光纤光栅温度传感器与光纤光栅解调仪相连，所述光纤光栅解调仪上位机相连，上位机通过无线通信与服务器相连，服务器与检测与诊断设备相连。

上述基于光纤光栅传感器温度自补偿的卡箍松动检测方法为：

距离卡箍上表面为L1距离且距连接螺栓中心线所在平面为L2距离的位置，沿着卡箍长度方向打三个孔：第一孔6、第二孔9、沉头孔10，孔的贯穿长度视情况而定。考虑到安装的工艺性，第一孔6的直径为2.0mm，第二孔9的直径为 1.8mm，沉头孔10的直径为2.2mm。

先将测温的光纤光栅温度传感器8(FBG)封装于直径为外径为1.9mm的铜质毛细管内，测温的FBG和测应变的光纤光栅应变传感器4采用专门定制的光栅串。如图3所示，待测温的光纤光栅温度传感器8封装好以后连同测应变的光纤光栅应变传感器4分别放入第二孔9和第一孔6中，由于第二孔9的直径小于铜质毛细管的直径，这时可在测应变的光纤光栅应变传感器4外侧光纤施加一定的预紧力，可在其引出光纤一端悬挂一定的砝码进行拉伸或手动拉伸给定一定的预紧力。保持光纤预拉伸的状态用5 353ND胶进行热固化。待胶水固化以后，将保护套管11套入传输光纤并将套管嵌入沉孔10，然后采用12EX-509胶将套管固定于沉孔10，起到保护传输光纤的作用。

风干后的卡箍即为基于光纤光栅传感带温度补偿的松动自监测卡箍。将封装好的光纤光栅温度传感器8放入恒温箱中，按传感器的标定标准进行标定获得其灵敏度系数。标定后的光纤光栅温度传感器8再放入第二孔中。但是，该卡箍在使用之前需要整体进行标定，标定过程如下：使用标准力矩扳手进行等梯度加扭矩，此时的标定过程利用事先标定好的光纤光栅温度传感器对温度进行解耦，然后通过扭矩与光纤光栅应变传感器4的中心波长变化关系进行标定，从而利用光纤光栅波长的变化情况表征卡箍在实际使用过程中的松动程度。

具体的，作用于螺栓外加扭矩与光纤光栅应变传感器中心波长漂移之间的关系如下：

(1)作用于螺栓的外加扭矩Tr与螺栓预紧力F之间的关系为：

Tr＝k·F·d

式中：Tr为作用于螺栓的扭矩，F为螺栓的预紧力，d为螺栓的公称直径， k为扭矩系数且有：

d_m为螺纹的平均直径，ψ为螺纹升角，μ_Bolt为螺纹之间的摩擦系数，α为螺纹角，f_c为垫片与卡箍表面之间的摩擦系数，上述公式表明外加扭矩Tr和螺栓预紧力F呈线性关系。

(2)埋入卡箍的光纤光栅应变传感器波长变化与外加扭矩之间的关系为：

式中：k₁为光纤光栅应变传感器的波长变化和预紧力之间的关系在材料的线弹性范围内为常数，

为光纤光栅传感器波长变化和外加扭矩之间的关系，均为不变系数，

可通过标定实验获得，ΔTr为外加扭矩的变化量，Δλ_B为光纤光栅应变传感器的波长变化量，上式表明外加扭矩和光纤光栅应变传感器的波长漂移成线性关系。

假设卡箍初始状态时，温度传感器所测的温度为T₀，光纤光栅应变传感器的初始波长是λ_B0，假设卡箍松动后此时温度传感器所测的温度为T₁，此时光纤光栅应变传感器的波长是λ_B,1由式(1)可知测应变的光纤光栅波长变化量为：

Δλ_B＝λ_B·(α_f+ξ)·ΔT+λ_B·(1-P_e)·Δε

则由卡箍松动引起的卡箍应变化，进一步引起的光纤光栅应变传感器的中心波长变化量为：

Δλ_Bε＝λ_B,1-λ_B0＝Δλ_B-λ_B·(α_f+ξ)·(T₁-T₀)

进一步螺栓上的外加扭矩的变化量为：

该外加扭矩的变化量的大小及表征了卡箍的松动程度。

Claims (5)

1.一种基于光纤光栅传感带温度补偿的卡箍的监测方法，其特征在于：

首先，提供一种基于光纤光栅传感带温度补偿的卡箍，在卡箍的长度方向设有第一孔和第二孔，在第一孔内设有测应变的光纤光栅应变传感器，在第二孔内设有光纤光栅温度传感器，所述的卡箍上端面设有垫片，所述垫片覆盖整个卡箍的上端面，通过紧固件将两卡箍卡装在一起；

在光纤光栅温度传感器放入第二孔前先进行封装，封装后在温控箱中进行标定，标定方法为：将封装好的温度传感器放入恒温箱中，按传感器的标定标准进行标定；标定后的光纤光栅温度传感器再放入第二孔中；将固化在第一孔中的光纤光栅应变传感器连同卡箍进行标定，标定方法为：使用标准力矩扳手进行等梯度加外加扭矩，此时的标定过程利用事先标定好的光纤光栅温度传感器对温度进行解耦，然后通过外加扭矩与光纤光栅应变传感器的中心波长变化关系进行标定，从而利用光纤光栅波长的变化情况表征卡箍在实际使用过程中的松动程度；

作用于螺栓外加扭矩与光纤光栅应变传感器中心波长漂移之间的关系如下：

(1)作用于螺栓的外加扭矩Tr与螺栓预紧力F之间的关系为：

Tr＝k·F·d (1)

式中：Tr为作用于螺栓的外加扭矩，F为螺栓的预紧力，d为螺栓的公称直径，k为扭矩系数且有：

d_m为螺纹的平均直径，ψ为螺纹升角，μ_Bolt为螺纹之间的摩擦系数，α为螺纹角，f_c为垫片与卡箍表面之间的摩擦系数，上述公式表明外加扭矩Tr和螺栓预紧力F呈线性关系；

(2)埋入卡箍的光纤光栅应变传感器波长变化与外加扭矩之间的关系为：

式中：k₁为光纤光栅应变传感器的波长变化和预紧力之间的关系在材料的线弹性范围内为常数，

为光纤光栅应变传感器波长变化和外加扭矩之间的关系，均为不变系数，

通过标定实验获得，ΔTr为外加扭矩的变化量，Δλ_B为光纤光栅应变传感器的波长变化量，上式表明外加扭矩和光纤光栅应变传感器的波长漂移成线性关系。

2.根据权利要求1所述的监测方法，其特征在于：第一孔设置在卡箍的一侧，第二孔设置在卡箍的另一侧，两者相连通。

3.根据权利要求1或2所述的监测方法，其特征在于：所述光纤光栅应变传感器通过热固化固定在第一孔内，通过第一套管引出，所述光纤光栅温度传感器通过导热材料固定在第二孔，通过第二套管引出。

4.根据权利要求1或2所述的监测方法，其特征在于：还包括检测站和远程监控与信息处理中心，所述检测站包括光纤光栅解调仪和上位机，远程监控与信息处理中心包括服务器和检测与诊断设备，所述光纤光栅应变传感器和光纤光栅温度传感器与光纤光栅解调仪相连，所述光纤光栅解调仪与上位机相连，上位机通过无线通信与服务器相连，服务器与检测与诊断设备相连。

5.根据权利要求1所述的监测方法，其特征在于：

假设卡箍初始状态时，光纤光栅温度传感器所测的温度为T₀，光纤光栅应变传感器的初始波长是λ_B0，假设卡箍松动后，光纤光栅温度传感器所测的温度为T₁，此时光纤光栅应变传感器的波长是λ_B,1由式(1)可知测应变的光纤光栅波长变化量为：

Δλ_B＝λ_B·(α_f+ξ)·ΔT+λ_B·(1-P_e)·Δε

则由卡箍松动引起的卡箍应变化，进一步引起的光纤光栅应变传感器的中心波长变化量为：

Δλ_Bε＝λ_B,1-λ_B0＝Δλ_B-λ_B·(α_f+ξ)·(T₁-T₀)

进一步螺栓上的外加扭矩的变化量为：

该外加扭矩的变化量的大小即表征了卡箍的松动程度。

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