CN110954259A - 一种基于光纤微弯损耗的垫片传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于光纤微弯损耗的垫片传感器，包括上壳和下壳，上壳和下壳的中心位置分别开设有大小一致的用于放置螺栓螺杆的圆孔，上下壳之间安装有环形的弹性元件，上下壳分别设置有相互对应的第一微弯结构和第二微弯结构，第一微弯结构与第二微弯结构之间安装有光纤，当弹性元件受压变形时，第一微弯结构与第二微弯结构之间的间距发生变化，使得光纤发生变形，根据光纤传输功率的变化，以得到螺栓预紧力的大小。与现有技术相比，本发明基于光纤微弯损耗效应对压力进行测量，光功率仅在光纤内部传递，具有良好的抗温度、湿度及电磁干扰性能，测量结果线性度好、漂移滞后现象弱，具有较高的测量精度，并且传感器内部结构简单、成本低。
Description
技术领域
本发明涉及压力传感器技术领域，尤其是涉及一种基于光纤微弯损耗的垫片传感器。
背景技术
在土木建筑以及机械安装领域，通常需要对结构件连接进行紧固安装。以目前普遍使用的螺栓为例，在对结构件实施连接紧固作业时，需要进行预紧操作，尤其对于重要的连接场合来说，必须精确地控制预紧力。但在实际应用中，由于振动、连接件表面腐蚀以及热胀冷缩等因素的影响，螺栓连接的预紧力很可能会发生改变，导致无法满足预期的预紧力要求，因此需要实时地对螺栓连接预紧力进行检测，以便能及时进行维护。
目前市面上的螺栓预紧力检测主要采用应变式压力传感器、电容式压力传感器、压阻式压力传感器以及光栅式压力传感器等，上述压力传感器在使用时容易受温湿度或电磁环境的干扰，产生零点漂移、线性度差等现象，最终导致检测结果不准确、测量精度低，为此，只能额外通过维持温湿度或屏蔽电磁的措施来减小环境干扰，这无疑会大大增加传感器的结构复杂性以及制造成本。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于光纤微弯损耗的垫片传感器，利用光纤微弯损耗效应，以实现抵抗温湿度及电磁干扰的目的，从而提高测量的准确性。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种基于光纤微弯损耗的垫片传感器，包括上壳和下壳，所述上壳和下壳的中心位置分别开设有大小一致的圆孔，所述圆孔的直径大于或等于螺栓螺杆的直径，且小于螺栓头部的直径，所述上壳与下壳之间安装有环形的弹性元件，所述上壳设置有第一微弯结构，所述下壳设置有与第一微弯结构相对应的第二微弯结构，所述第一微弯结构与第二微弯结构之间安装有光纤，当弹性元件受压变形时，第一微弯结构与第二微弯结构之间的间距发生变化，使得光纤发生变形、光纤传输功率发生变化，根据光纤传输功率的变化，以得到螺栓预紧力的大小。
进一步地，所述上壳开设有第一环形凹槽，所述下壳开设有与第一环形凹槽相对应的第二环形凹槽，所述弹性元件安装在第一环形凹槽与第二环形凹槽之间。
进一步地，所述第一环形凹槽与第二环形凹槽的宽度大于弹性元件的径向厚度，以保证弹性元件受压变形的空间余量。
进一步地，所述第一微弯结构与第二微弯结构均为圆弧过渡齿形结构。
进一步地，所述下壳的圆周外表面开设有用于接入光纤的方孔，所述方孔内安装有用于连接光纤的光纤接头。
进一步地，所述光纤接头开设有两个用于固定光纤位置的通孔，所述光纤接头内设置有用于对光纤进行预紧处理的弹簧，以保证光纤发生变形时的变形余量。
进一步地，所述上壳的外缘处开设有沉头孔，所述下壳的外缘处开设有与沉头孔对应的螺纹孔，所述沉头孔与螺纹孔内安装有用于固定上壳与下壳相对位置的调节螺钉。
进一步地，所述调节螺钉为方便安装和拆卸的内六角调节螺钉。
进一步地，所述弹性元件为弹性合金，所述光纤为阶跃型折射率光纤或渐变型折射率光纤。
进一步地，所述上壳与外壳之间设有内侧弹性密封圈和外侧弹性密封圈，以对传感器进行密封，并提供拧紧调节螺钉时的变形空间、能够与弹性元件同步进行压缩与恢复。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
一、本发明基于光纤微弯损耗效应，利用弹性元件、微弯变形结构和光纤，通过测量光纤变形后光功率的变化，即可求得螺栓预紧力的大小，以实现对螺栓紧固件预紧力的检测，此外，由于光功率仅在光纤内部传递，因此能够保证传感器具有良好的抗温度、湿度、电磁干扰等性能，使得测量结果的线性度好、漂移滞后现象弱，从而提高检测结果的测量精度。
二、本发明的传感器内部结构中无电源，具有良好的安全性，仅利用光纤传输功率，其结构简单、成本低廉，有利于后期的线路维护及远程布线监测。
附图说明
图1为本发明垫片传感器的外部结构示意图；
图2为本发明垫片传感器的内部结构剖视图；
图3为本发明垫片传感器上壳的结构示意图；
图4为本发明垫片传感器下壳的结构示意图；
图5为本发明调节螺钉处的结构剖视图；
图6为本发明微弯结构示意图；
图7为本发明垫片传感器的工作连接示意图；
图8为本发明垫片传感器的工作原理示意图；
图中标记说明：1、上壳，11、第一环形凹槽，12、第一微弯结构，2、下壳，21、第二环形凹槽，22、第二微弯结构，3、弹性元件，4、光纤接头，5、光纤，61、内侧弹性密封圈，62、外侧弹性密封圈，71、沉头孔，72、螺纹孔，73、调节螺钉，81、螺栓，82、连接件，83、螺母。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
如图1～图4所示，一种基于光纤微弯损耗的垫片传感器，包括上壳1、下壳2、弹性元件3、光纤5、光纤接头4、调节螺钉73以及内侧弹性密封圈61和外侧弹性密封圈62，内侧弹性密封圈61与外侧弹性密封圈62用于对传感器进行密封，且具有良好的弹性，能够与弹性元件3同步进行压缩与恢复。
具体的，上壳1内设置有第一微弯结构12，并在第一微弯结构12处设有用于容纳光纤5的凹槽，上壳1还开设有第一环形凹槽11，用于容纳弹性元件3；
下壳2内设置有与第一微弯结构12相对应的第二微弯结构22，并在第二微弯结构22处设有用于容纳光纤5的凹槽，下壳2还开设有与第一环形凹槽11相对应的第二环形凹槽21，用于容纳弹性元件3；
第一环形凹槽11与第二环形凹槽21的宽度尺寸大于弹性元件3径向厚度尺寸，从而为弹性元件3的压缩变形留出空间余量；
上壳1与下壳2的对应位置处分别开有沉头孔71和螺纹孔72，通过调节螺钉73对上下壳相对位置进行固定，调节螺钉73为内六角形式，以便于安装与拆卸。
本实施例中，弹性元件3采用弹性合金材料，当工作应力处于弹性合金材料弹性极限内时，能够自由地进行压缩与恢复；光纤接头4开有两个通孔，用于固定光纤5位置，同时方便后续接入光纤5、进行埋线处理，光纤接头4内部设有弹簧，用于对光纤5进行预紧处理，并且可在光纤5变形时提供变形余量。
如图6所示，第一微弯结构12和第二微弯结构22均为圆弧过渡齿形结构，第一微弯结构12与第二微弯结构22能够相互咬合对应。
本发明的工作过程是当传感器受到压力作用后，弹性元件3被压缩，导致上壳1与下壳2之间的间隙缩小，通过第一微弯结构12和第二微弯结构22使光纤5传输功率发生变化，测量变化后的光功率即可求得压力大小。如图7所示，将组装完成后的垫片传感器置于螺栓81头部与被连接件82之间，当螺栓81拧紧之后，垫片传感器将受到压力，弹性元件3受力发生压缩变形，使得第一微弯结构12与第二微弯结构22之间的间距缩小，从而对光纤5进行挤压，由于光纤微弯损耗效应，输出的光功率与输入的光功率将存在一定的差值，根据光纤微弯损耗效应：
其中，A为输入与输出光功率的差值，N为微弯个数，＜h2＞为微弯凸起高度平方的统计值，E为涂层的杨氏模量，Ef为光纤的杨氏模量，a为纤芯半径，b为光纤半径，Δ为相对折射率差，由此便可以计算得到弹性元件3的变形量，再根据弹性元件3的属性，通过应力应变关系即可得到螺栓预紧力的大小。
具体的工作原理示意如图8所示，将本发明的垫片传感器的输入端与光源连接，其输出端与光功率计连接，以测量垫片传感器受压之后光纤中的实际光功率大小，同时，光源和光功率计分别与数理处理单元连接，由数据处理单元根据输入光源功率和输出的实际光功率，基于光纤微弯损耗效应，计算得到压力值大小，即为螺栓预紧力的大小。
Claims (10)
1.一种基于光纤微弯损耗的垫片传感器，其特征在于，包括上壳(1)和下壳(2)，所述上壳(1)和下壳(2)的中心位置分别开设有大小一致的圆孔，所述圆孔的直径大于或等于螺栓(81)螺杆的直径，且小于螺栓(81)头部的直径，所述上壳(1)与下壳(2)之间安装有环形的弹性元件(3)，所述上壳(1)设置有第一微弯结构(21)，所述下壳(2)设置有与第一微弯结构(21)相对应的第二微弯结构(22)，所述第一微弯结构(21)与第二微弯结构(22)之间安装有光纤(5)，当弹性元件(3)受压变形时，第一微弯结构(21)与第二微弯结构(22)之间的间距发生变化，使得光纤(5)发生变形、光纤传输功率发生变化，根据光纤传输功率的变化，以得到螺栓(81)预紧力的大小。
2.根据权利要求1所述的一种基于光纤微弯损耗的垫片传感器，其特征在于，所述上壳(1)开设有第一环形凹槽(11)，所述下壳(2)开设有与第一环形凹槽(11)相对应的第二环形凹槽(21)，所述弹性元件(3)安装在第一环形凹槽(11)与第二环形凹槽(21)之间。
3.根据权利要求2所述的一种基于光纤微弯损耗的垫片传感器，其特征在于，所述第一环形凹槽(11)与第二环形凹槽(21)的宽度大于弹性元件(3)的径向厚度，以保证弹性元件(3)受压变形的空间余量。
4.根据权利要求1所述的一种基于光纤微弯损耗的垫片传感器，其特征在于，所述第一微弯结构(21)与第二微弯结构(22)均为圆弧过渡齿形结构。
5.根据权利要求1所述的一种基于光纤微弯损耗的垫片传感器，其特征在于，所述下壳(2)的圆周外表面开设有用于接入光纤(5)的方孔，所述方孔内安装有用于连接光纤(5)的光纤接头(4)。
6.根据权利要求5所述的一种基于光纤微弯损耗的垫片传感器，其特征在于，所述光纤接头(4)开设有两个用于固定光纤(5)位置的通孔，所述光纤接头(4)内设置有用于对光纤(5)进行预紧处理的弹簧，以保证光纤(5)发生变形时的变形余量。
7.根据权利要求1所述的一种基于光纤微弯损耗的垫片传感器，其特征在于，所述上壳(1)的外缘处开设有沉头孔(71)，所述下壳(2)的外缘处开设有与沉头孔(71)对应的螺纹孔(72)，所述沉头孔(71)与螺纹孔(72)内安装有调节螺钉(73)，通过拧紧调节螺钉(73)，以固定上壳(1)与下壳(2)的相对位置。
8.根据权利要求7所述的一种基于光纤微弯损耗的垫片传感器，其特征在于，所述调节螺钉(73)为方便安装和拆卸的内六角调节螺钉。
9.根据权利要求7所述的一种基于光纤微弯损耗的垫片传感器，其特征在于，所述上壳(1)与下壳(2)之间设有内侧弹性密封圈(61)和外侧弹性密封圈(62)，以对传感器进行密封，并提供拧紧调节螺钉(73)时的变形空间。
10.根据权利要求1所述的一种基于光纤微弯损耗的垫片传感器，其特征在于，所述弹性元件(3)为弹性合金，所述光纤(5)为阶跃型折射率光纤或渐变型折射率光纤。
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