CN110987254B - 一种螺栓载荷无线监测系统及监测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种螺栓载荷无线监测系统及监测方法，该系统包括光纤光栅传感器、解调系统和用户数据处理系统，该系统具备分布式测量、集成化无线传输的特点，可以对部件上多个螺栓的载荷变化情况进行实时测量，并通过无线通信方式进行监测信息上传和控制指令下发，实现远距离智能化监控，解决螺栓载荷实时定量测量问题；本发明提出的被测螺栓的轴力信息和剪力信息计算方法，结合光纤光栅传感器的设置位置，可以进行地面的实时解算，并可以准确全面获取被测螺栓的轴力和剪力信息；解决了航天测量领域螺栓载荷实时定量测量问题，也可以推广应用于其他国防、工业领域对螺栓载荷进行测量的场合，具有较强的实用性。

Description

一种螺栓载荷无线监测系统及监测方法
技术领域
本发明涉及一种螺栓载荷无线监测系统及监测方法，具体属于航天测量技术领域。
背景技术
航天器结构中大量使用螺栓用于固定各部件，这些螺栓对整个航天器的结构起着非常重要的作用，当结构发生形变时，固定各部件的螺栓所承载的载荷将首先发生变化，而且在外界复杂环境力、热因素影响下，螺栓载荷变化规律极为复杂。此外，特殊场合下对螺栓载荷还有特种测量要求，比如测量螺栓在瞬时大载荷工况下的轴力、剪力，或者通过长期监测螺栓预紧力变化情况对大型结构长期运行的健壮性进行分析和预测。在传统工业中，螺栓这类机械零件通常仅作为结构件存在，不具备测量功能，例如火箭上目前使用的大量螺栓仅靠拧紧力矩、防松保险等手段进行安装保证，对螺栓载荷在运行中的发展变化情况缺乏实时监测手段。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种螺栓载荷无线监测系统，采用分布式测量、集成化无线传输的设计思路，实现对一个或多个螺栓的载荷变化情况进行远距离智能化监测；解决了航天测量领域螺栓载荷实时定量测量问题，具有较强的实用性。
本发明的另外一个目的在于提供一种螺栓载荷无线监测方法。
本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：
一种螺栓载荷无线监测系统，包括光纤光栅传感器、解调系统和用户数据处理系统，其中：
光纤光栅传感器：设置在被测螺栓内部，用于敏感螺栓的结构形变，并将表征螺栓结构形变的光纤光栅传感器的波长变化信息发送给解调系统；
解调系统：接收光纤光栅传感器输出的光纤光栅传感器的波长变化信息，将所述光纤光栅传感器的波长变化信息由光信号转换为电信号，再将所述电信号解算为光纤光栅传感器的波长变化信息数字信号，并发送给用户数据处理系统；
用户数据处理系统：接收解调系统输出的光纤光栅传感器的波长变化信息数字信号，根据所述波长变化信息数字信号解算出被测螺栓的轴力信息和剪力信息，并进行存储和显示。
在上述螺栓载荷无线监测系统中，所述光纤光栅传感器分别设置在被测螺栓根部剪切面处和被测螺栓光杆部分，分别用于剪力检测和轴力检测。
在上述螺栓载荷无线监测系统中，所述用户数据处理系统根据光纤光栅传感器的波长变化信息数字信号，解算出被测螺栓的轴力信息和剪力信息的具体方法如下：
Figure BDA0002288082820000021
其中：P为被测螺栓的轴力信息，Q为被测螺栓的剪力信息，Δλ1为螺栓根部剪切面处设置的光纤光栅传感器的波长变化信息；Δλ2为螺栓光杆部分设置的光纤光栅传感器的波长变化信息；A1为螺栓根部剪切面处设置的光纤光栅传感器的轴力系数；A2为螺栓光杆部分设置的光纤光栅传感器的轴力系数；S1为螺栓根部剪切面处设置的光纤光栅传感器的剪力系数、S2为螺栓光杆部分设置的光纤光栅传感器的剪力系数。
在上述螺栓载荷无线监测系统中，所述光纤光栅传感器设置在被测螺栓内部开设的条形孔内，所述孔的直径小于或等于1.5mm。
在上述螺栓载荷无线监测系统中，所述条形孔位于被测螺栓的中心位置，为非贯通孔，条形孔的轴线与被测螺栓的轴线重合。
在上述螺栓载荷无线监测系统中，所述光纤光栅传感器放置于被测螺栓内部开设的条形孔内，采用胶粘或者焊接的方式对条形孔进行封堵。
在上述螺栓载荷无线监测系统中，所述光纤光栅传感器为1-3个；所述解调系统对一个或多个被测螺栓进行信号处理。
在上述螺栓载荷无线监测系统中，还包括所述光纤光栅传感器用于监测被测螺栓的温度。
在上述螺栓载荷无线监测系统中，所述解调系统包括解调模块、数据处理模块、无线数传模块A、无线控传模块A和电源模块，其中：
解调模块：接收光纤光栅传感器输出的光纤光栅传感器的波长变化信息，将所述光纤光栅传感器的波长变化信息由光信号转换为电信号，并发送给数据处理模块；
数据处理模块：接收解调模块输出的电信号形式的光纤光栅传感器的波长变化信息，将所述电信号解算为光纤光栅传感器的波长变化信息数字信号，并发送给无线数传模块A；
无线数传模块A：接收数据处理模块输出的光纤光栅传感器的波长变化信息数字信号，当接收到无线控传模块A发送的数据传输指令后，将所述波长变化信息数字信号发送给用户数据处理系统；
无线控传模块A：接收用户数据处理系统发送的数据传输指令，控制无线数传模块A进行波长变化信息数字信号的发送；
电源模块：用于为解调模块、数据处理模块、无线数传模块A、无线控传模块A进行供电。
在上述螺栓载荷无线监测系统中，所述用户数据处理系统包括无线控传模块B、无线数传模块B、数据存储模块、数据解算模块、监控显示模块和电源模块，其中：
无线控传模块B：将数据传输指令发送给无线控传模块A；
无线数传模块B：接收无线数传模块A输出的光纤光栅传感器的波长变化信息数字信号，并发送给数据解算模块；
数据解算模块：接收无线数传模块B输出的光纤光栅传感器的波长变化信息数字信号，根据所述光纤光栅传感器的波长变化信息数字信号解算出被测螺栓的轴力信息和剪力信息，发送给数据存储模块和监控显示模块；
数据存储模块：接收数据解算模块输出的被测螺栓的轴力信息和剪力信息，进行存储；
监控显示模块：接收数据解算模块输出的被测螺栓的轴力信息和剪力信息，进行显示；
电源模块：用于为无线控传模块B、无线数传模块B、数据存储模块、数据解算模块、监控显示模块进行供电。
在上述螺栓载荷无线监测系统中，所述数据解算模块接收无线数传模块B输出的光纤光栅传感器的波长变化信息数字信号，根据所述光纤光栅传感器的波长变化信息数字信号解算出被测螺栓的轴力信息和剪力信息的具体方法如下：
Figure BDA0002288082820000041
其中：P为被测螺栓的轴力信息，Q为被测螺栓的剪力信息，Δλ1为螺栓根部剪切面处设置的光纤光栅传感器的波长变化信息；Δλ2为螺栓光杆部分设置的光纤光栅传感器的波长变化信息；A1为螺栓根部剪切面处设置的光纤光栅传感器的轴力系数；A2为螺栓光杆部分设置的光纤光栅传感器的轴力系数；S1为螺栓根部剪切面处设置的光纤光栅传感器的剪力系数、S2为螺栓光杆部分设置的光纤光栅传感器的剪力系数。
一种螺栓载荷无线监测方法，包括如下步骤：
(1)、将光纤光栅传感器设置在被测螺栓内部，用于敏感螺栓的结构形变，并将表征螺栓结构形变的光纤光栅传感器的波长变化信息发送给解调系统；
(2)、解调系统接收光纤光栅传感器输出的光纤光栅传感器的波长变化信息，将所述光纤光栅传感器的波长变化信息由光信号转换为电信号，再将所述电信号解算为光纤光栅传感器的波长变化信息数字信号，并发送给用户数据处理系统；
(3)、用户数据处理系统接收解调系统输出的光纤光栅传感器的波长变化信息数字信号，根据所述波长变化信息数字信号解算出被测螺栓的轴力信息和剪力信息，并进行存储和显示。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)、本发明设计了一种新型的螺栓载荷无线监测系统，包括光纤光栅传感器、解调系统和用户数据处理系统，该系统具备分布式测量、集成化无线传输的特点，可以对部件上多个螺栓的载荷变化情况进行实时测量，并通过无线通信方式进行监测信息上传和控制指令下发，实现远距离智能化监控，解决螺栓载荷实时定量测量问题。
(2)、本发明提供的一种新型的螺栓载荷无线监测系统，从监测系统架构、载荷测量原理、传感器设置方式、无线数传与监控方式等方面进行优化设计，完成对螺栓载荷的分布式测量、集成化无线监控，可用于对多个螺栓的载荷变化情况进行远距离智能化监测。
(3)、本发明提出的被测螺栓的轴力信息和剪力信息计算方法，结合光纤光栅传感器的设置位置，可以进行地面的实时解算，并可以准确全面获取被测螺栓的轴力和剪力信息。
(4)、本发明解决了航天测量领域螺栓载荷实时定量测量问题，也可以推广应用于其他国防、工业领域对螺栓载荷进行测量的场合，具有较强的实用性。
附图说明
图1为本发明螺栓载荷无线监测系统结构框图；
图2为本发明光纤光栅传感器嵌入式安装示意图；
图3为本发明解调系统原理图；
图4为本发明用户数据处理系统原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的描述：
如图1所示为本发明螺栓载荷无线监测系统结构框图，本发明螺栓载荷无线监测系统包括光纤光栅传感器、解调系统和用户数据处理系统。
光纤光栅传感器设置在被测螺栓内部，用于敏感螺栓的结构形变，并将表征螺栓结构形变的光纤光栅传感器的波长变化信息发送给解调系统。光纤光栅传感器分别设置在被测螺栓根部剪切面处和被测螺栓光杆部分，分别用于剪力检测和轴力检测。本发明一可选实施例中，光纤光栅传感器为1-3个；解调系统可以对一个或者多个被测螺栓进行信号处理。
光纤光栅传感器设置在被测螺栓内部开设的条形孔内，优选孔的直径小于或等于1.5mm，优选条形孔位于被测螺栓的中心位置，为非贯通孔，条形孔的轴线与被测螺栓的轴线重合。光纤光栅传感器放置于被测螺栓内部开设的条形孔内，采用胶粘或者焊接的方式对条形孔进行封堵。
本发明一可选实施例中，为了同时能够检测轴力和剪力，在被测螺栓内部埋入两个光纤光栅传感器，具体结构示意见图2。其中，1#传感器埋于螺栓根部剪切面处，主要用于剪力检测；2#传感器埋于螺栓光杆部分，主要用于轴力检测。当螺栓受力变形时，光纤光栅传感器的反射波形将随之发生改变，通过解析传感器中心波长的变化量，即可解算出螺栓的受力情况。
由于1#、2#传感器的安装位置不同，它们对轴力P和剪力Q的敏感系数也各不相同，预先分别标定好各自的轴力系数A1、A2和剪力系数S1、S2后，同时检测出1#和2#传感器的波长变化量Δλ1和Δλ2，采用如下方法，计算出被测螺栓的轴力P和剪力Q，
Figure BDA0002288082820000061
其中：P为被测螺栓的轴力信息，Q为被测螺栓的剪力信息，Δλ1为螺栓根部剪切面处设置的光纤光栅传感器波长的变化信息；Δλ2为螺栓光杆部分设置的光纤光栅传感器的波长变化信息；A1为螺栓根部剪切面处设置的光纤光栅传感器的轴力系数；A2为螺栓光杆部分设置的光纤光栅传感器的轴力系数；S1为螺栓根部剪切面处设置的光纤光栅传感器的剪力系数、S2为螺栓光杆部分设置的光纤光栅传感器的剪力系数。
也可安装温度传感器(光纤光栅传感器中的一种)用于测量螺栓的温度，可以解算时考虑进去，用于对应变解算结果进行补偿。
如图3所示为本发明解调系统原理图，解调系统包括解调模块、数据处理模块、无线数传模块A、无线控传模块A和电源模块。
解调模块接收光纤光栅传感器输出的光纤光栅传感器的波长变化信息，将所述光纤光栅传感器的波长变化信息由光信号转换为电信号，并发送给数据处理模块。
数据处理模块接收解调模块输出的电信号形式的光纤光栅传感器的波长变化信息，将所述电信号解算为光纤光栅传感器的波长变化信息数字信号，并发送给无线数传模块A。
无线数传模块A接收数据处理模块输出的光纤光栅传感器的波长变化信息数字信号，当接收到无线控传模块A发送的数据传输指令后，将所述波长变化信息数字信号发送给用户数据处理系统。
无线控传模块A接收用户数据处理系统发送的数据传输指令，控制无线数传模块A进行波长变化信息数字信号的发送。
电源模块用于为解调模块、数据处理模块、无线数传模块A、无线控传模块A进行供电。
如图3所示，以四只螺栓复用一台解调系统为例，四只螺栓共包含四路光信号，每只螺栓上的1#和2#光纤光栅传感器复用一条光通路。光纤光栅传感器输出的光信号首先进入光栅解调模块完成光电信号转换，电信号再经数据处理模块进行综合处理，解算为波长变化信息数字信号，然后通过无线数传模块A发送给用户数据处理终端。无线控传模块A用于配合实现系统控制功能。
如图4所示为本发明用户数据处理系统原理图，用户数据处理系统包括无线控传模块B、无线数传模块B、数据存储模块、数据解算模块、监控显示模块和电源模块。
无线控传模块B将数据传输指令发送给无线控传模块A。
无线数传模块B接收无线数传模块A输出的光纤光栅传感器的波长变化信息数字信号，并发送给数据解算模块。
数据解算模块接收无线数传模块B输出的光纤光栅传感器的波长变化信息数字信号，根据波长变化信息数字信号解算出被测螺栓的轴力信息和剪力信息，发送给数据存储模块和监控显示模块。
数据存储模块接收数据解算模块输出的被测螺栓的轴力信息和剪力信息，进行存储。
监控显示模块接收数据解算模块输出的被测螺栓的轴力信息和剪力信息，进行显示。
电源模块用于为无线控传模块B、无线数传模块B、数据存储模块、数据解算模块、监控显示模块进行供电。
用户数据处理系统可以采用便携式电脑、内置WIFI模块、可插拔式控制器以及显示控制软件的形式。具备用户管理、参数配置、监测显示、数据存储与查询等功能。
本发明一种螺栓载荷无线监测方法，具体包括如下步骤：
(1)、将光纤光栅传感器设置在被测螺栓内部，用于敏感螺栓的结构形变，并将表征螺栓结构形变的光纤光栅传感器的波长变化信息发送给解调系统；
(2)、解调系统接收光纤光栅传感器输出的光纤光栅传感器的波长变化信息，将所述光纤光栅传感器的波长变化信息由光信号转换为电信号，再将所述电信号解算为波长变化信息数字信号，并发送给用户数据处理系统；
(3)、用户数据处理系统接收解调系统输出的数字信号形式的光纤光栅传感器的波长变化信息，根据所述光纤光栅传感器的波长变化信息解算出被测螺栓的轴力信息和剪力信息，并进行存储和显示。
实施例1
一、被测螺栓规格及传感器性能
1、被测螺栓规格
a)螺栓直径：≥8mm；
b)光纤安装孔径：≤Φ1.5mm；
c)监测对象：轴力、剪力、温度；
d)报警阈值：可设置。
2、光纤光栅传感器性能
a)轴力测量范围：0～5000με；
b)轴力测量精度：<±2％F.S；
c)剪力测量范围：0～5000με；
d)剪力测量精度：<±5％F.S；
e)温度测量范围：-20℃～+60℃；
f)温度测量精度：<±0.5℃。
二、解调系统及用户数据处理系统性能
1、解调系统性能
a)采样路数：≥4；
b)采样频率：≥1Hz(可调)；
c)直流供电：15V±1.5V；
d)功耗电流：≤2A(工作)；
e)外形尺寸：不大于200mm×150mm×70mm；
f)重量：≤1kg；
g)光连接器：FC/APC；
h)工作温度：-20℃～+60℃。
2、解调系统及用户数据处理系统有线数据通信性能
支持100BASE-T以太网端口，速率100Mbps，传输模式全双工/半双工自适应，遵循网络标准IEEE 802.3u。
3、解调系统及用户数据处理系统无线数据通信性能
a)无线数据通信采取加密措施；
b)无线通信距离：≥30m；
c)数据传输频段：2.4GHz；
d)控制通道频段：915MHz；
e)数据传输速率：稳定传输速率达到1Mbps以上；
f)组网时间：小于20s；
g)丢包率：工作状态时，丢包率小于10-5；
h)误码率：工作状态时，误码率小于10-5。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (7)

1.一种螺栓载荷无线监测系统，其特征在于：包括光纤光栅传感器、解调系统和用户数据处理系统，其中：
光纤光栅传感器：设置在被测螺栓内部，用于敏感螺栓的结构形变，并将表征螺栓结构形变的光纤光栅传感器的波长变化信息通过光纤发送给解调系统；
解调系统：接收光纤光栅传感器输出的光纤光栅传感器的波长变化信息，将所述光纤光栅传感器的波长变化信息由光信号转换为电信号，再将所述电信号解算为光纤光栅传感器的波长变化信息数字信号，并发送给用户数据处理系统；
用户数据处理系统：接收解调系统输出的光纤光栅传感器的波长变化信息数字信号，根据所述波长变化信息数字信号解算出被测螺栓的轴力信息和剪力信息，并进行存储和显示；
所述光纤光栅传感器分别设置在被测螺栓根部剪切面处和被测螺栓光杆部分，分别用于剪力检测和轴力检测；
所述用户数据处理系统根据光纤光栅传感器的波长变化信息数字信号，解算出被测螺栓的轴力信息和剪力信息的具体方法如下：
Figure FDA0003548199230000011
其中：P为被测螺栓的轴力信息，Q为被测螺栓的剪力信息，Δλ1为螺栓根部剪切面处设置的光纤光栅传感器的波长变化信息；Δλ2为螺栓光杆部分设置的光纤光栅传感器的波长变化信息；A1为螺栓根部剪切面处设置的光纤光栅传感器的轴力系数；A2为螺栓光杆部分设置的光纤光栅传感器的轴力系数；S1为螺栓根部剪切面处设置的光纤光栅传感器的剪力系数、S2为螺栓光杆部分设置的光纤光栅传感器的剪力系数；
还包括所述光纤光栅传感器用于监测被测螺栓的温度；
用于剪力检测和轴力检测的光纤光栅传感器位于同一根光纤上，光纤光栅传感器设置在被测螺栓内部开设的条形孔内，条形孔位于被测螺栓的中心位置，为非贯通孔，条形孔的轴线与被测螺栓的轴线重合，光纤光栅传感器放置于被测螺栓内部开设的条形孔内且其轴线与被测螺栓的轴线重合，采用胶粘或者焊接的方式对条形孔进行封堵。
2.根据权利要求1所述的螺栓载荷无线监测系统，其特征在于：所述光纤光栅传感器设置在被测螺栓内部开设的条形孔内，所述孔的直径小于或等于1.5mm。
3.根据权利要求1所述的螺栓载荷无线监测系统，其特征在于：所述光纤光栅传感器为2或3个；所述解调系统对一个或多个被测螺栓进行信号处理。
4.根据权利要求1所述的螺栓载荷无线监测系统，其特征在于：所述解调系统包括解调模块、数据处理模块、无线数传模块A、无线控传模块A和电源模块，其中：
解调模块：接收光纤光栅传感器输出的光纤光栅传感器的波长变化信息，将所述光纤光栅传感器的波长变化信息由光信号转换为电信号，并发送给数据处理模块；
数据处理模块：接收解调模块输出的电信号形式的光纤光栅传感器的波长变化信息，将所述电信号解算为光纤光栅传感器的波长变化信息数字信号，并发送给无线数传模块A；
无线数传模块A：接收数据处理模块输出的光纤光栅传感器的波长变化信息数字信号，当接收到无线控传模块A发送的数据传输指令后，将所述波长变化信息数字信号发送给用户数据处理系统；
无线控传模块A：接收用户数据处理系统发送的数据传输指令，控制无线数传模块A进行波长变化信息数字信号的发送；
电源模块：用于为解调模块、数据处理模块、无线数传模块A、无线控传模块A进行供电。
5.根据权利要求4所述的螺栓载荷无线监测系统，其特征在于：所述用户数据处理系统包括无线控传模块B、无线数传模块B、数据存储模块、数据解算模块、监控显示模块和电源模块，其中：
无线控传模块B：将数据传输指令发送给无线控传模块A；
无线数传模块B：接收无线数传模块A输出的光纤光栅传感器的波长变化信息数字信号，并发送给数据解算模块；
数据解算模块：接收无线数传模块B输出的光纤光栅传感器的波长变化信息数字信号，根据所述光纤光栅传感器的波长变化信息数字信号解算出被测螺栓的轴力信息和剪力信息，发送给数据存储模块和监控显示模块；
数据存储模块：接收数据解算模块输出的被测螺栓的轴力信息和剪力信息，进行存储；
监控显示模块：接收数据解算模块输出的被测螺栓的轴力信息和剪力信息，进行显示；
电源模块：用于为无线控传模块B、无线数传模块B、数据存储模块、数据解算模块、监控显示模块进行供电。
6.根据权利要求4所述的螺栓载荷无线监测系统，其特征在于：数据解算模块接收无线数传模块B输出的光纤光栅传感器的波长变化信息数字信号，根据所述光纤光栅传感器的波长变化信息数字信号解算出被测螺栓的轴力信息和剪力信息的具体方法如下：
Figure FDA0003548199230000031
其中：P为被测螺栓的轴力信息，Q为被测螺栓的剪力信息，Δλ1为螺栓根部剪切面处设置的光纤光栅传感器的波长变化信息；Δλ2为螺栓光杆部分设置的光纤光栅传感器的波长变化信息；A1为螺栓根部剪切面处设置的光纤光栅传感器的轴力系数；A2为螺栓光杆部分设置的光纤光栅传感器的轴力系数；S1为螺栓根部剪切面处设置的光纤光栅传感器的剪力系数、S2为螺栓光杆部分设置的光纤光栅传感器的剪力系数。
7.一种螺栓载荷无线监测方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)、将光纤光栅传感器设置在被测螺栓内部，用于敏感螺栓的结构形变，并将表征螺栓结构形变的光纤光栅传感器的波长变化信息发送给解调系统；
(2)、解调系统接收光纤光栅传感器输出的光纤光栅传感器的波长变化信息，将所述光纤光栅传感器的波长变化信息由光信号转换为电信号，再将所述电信号解算为光纤光栅传感器的波长变化信息数字信号，并发送给用户数据处理系统；
(3)、用户数据处理系统接收解调系统输出的光纤光栅传感器的波长变化信息数字信号，根据所述波长变化信息数字信号解算出被测螺栓的轴力信息和剪力信息，并进行存储和显示；
所述光纤光栅传感器分别设置在被测螺栓根部剪切面处和被测螺栓光杆部分，分别用于剪力检测和轴力检测；
所述用户数据处理系统根据光纤光栅传感器的波长变化信息数字信号，解算出被测螺栓的轴力信息和剪力信息的具体方法如下：
Figure FDA0003548199230000041
其中：P为被测螺栓的轴力信息，Q为被测螺栓的剪力信息，Δλ1为螺栓根部剪切面处设置的光纤光栅传感器的波长变化信息；Δλ2为螺栓光杆部分设置的光纤光栅传感器的波长变化信息；A1为螺栓根部剪切面处设置的光纤光栅传感器的轴力系数；A2为螺栓光杆部分设置的光纤光栅传感器的轴力系数；S1为螺栓根部剪切面处设置的光纤光栅传感器的剪力系数、S2为螺栓光杆部分设置的光纤光栅传感器的剪力系数；
还包括所述光纤光栅传感器用于监测被测螺栓的温度。
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