CN112834102A - 光纤力传感装置及监测螺栓或螺母松动的系统、方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤力传感装置及监测螺栓或螺母松动的系统、方法，该光纤力传感装置包括光纤和两个光纤连接部；光纤上固定有两个光纤连接部，位于两个光纤连接部之间的光纤的长度被设置成大于两个光纤连接部之间的直线距离；两个光纤连接器之间的光纤上设有形变感应段，形变感应段在光纤连接部受到外部作用力时产生形变；该系统包括上述的光纤力传感装置。本发明的光纤力传感装置可用于监控风力发电机的固定螺栓或螺母的松动情况，螺栓或螺母松动时会将光纤拉伸，当光纤拉伸后通过其形变感应段的光信号的变化可以判断该螺栓或螺母已松动或螺栓发生断裂，需要进行维修，提高了风力发电机巡检维护的科学性与可靠性，降低了维护成本。

Description

光纤力传感装置及监测螺栓或螺母松动的系统、方法

本申请要求申请日为2019年11月22日的中国专利申请CN201911161693.1的优先权。本申请引用上述中国专利申请的全文。

技术领域

本发明涉及一种光纤力传感装置及监测螺栓或螺母松动的系统、方法。

背景技术

目前风力发电行业在全世界达到大力推广，由于设置地点多为海上或沿海偏远山区等，日常维护极为不便。而且大型风力发电机固定用螺栓极多(一台大型风力发电机上固定螺栓多达500个以上)，由于环境特别恶劣，风力发电机上的固定螺栓或螺母极易产生松动，而螺栓或螺母的松动将会导致风力发电机损坏甚至倒塌。风力发电机组正常运行期间，高强螺栓的巡检周期一般为半年至一年，巡检周期间隔较长，螺栓或螺母出现松动或螺栓断裂的情况不能够及时发现。而且每次巡检耗费大量的时间、人力、物力，尤其对于海上风电机组，深入海岸线以内数公里，机组巡检不方便，巡检费用较高等问题比较突出。

现有技术中，公开号为CN110220682A的中国专利公开了一种用于监测螺栓松动的监测装置和监测方法，其采用窄带宽脉冲激光器作为光源，通过时分复用技术，在一根光纤上串接多个光栅实现多颗螺栓的松动检测。在这种监测方法中，若光纤由于使用环境等原因断开，则需要对监测装置进行整体更换，这无疑增加了人力成本和物力成本。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术的监测装置中使用一根光纤串接多个光栅检测螺栓是否松动存在光纤断开导致需要整体更换的缺陷，提供一种光纤力传感装置及监测螺栓或螺母松动的系统、方法。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：

一种光纤力传感装置，包括光纤和两个光纤连接部；

所述光纤上固定有两个所述光纤连接部，位于两个所述光纤连接部之间的所述光纤的长度被设置成大于两个所述光纤连接部之间的直线距离；

两个所述光纤连接器之间的所述光纤上设有形变感应段，所述形变感应段在所述光纤连接部受到外部作用力时产生形变。

在本方案中，通过在光纤上通过两个光纤连接部固定并在两个光纤连接部之间预留长度作为形变感应段进行定性定量，光纤被拉伸或压缩后，形变感应段受到一定作用力后产生形变产生相应的形变，会使内部通过的光信号发生改变，即可得到相应的力信号。

较佳地，所述形变感应段上设有光纤光栅。

在本方案中，使用光纤光栅作为光纤的形变感应段，是因为光纤光栅具有体积小、波长选择性好、不受非线性效应影响、极化不敏感、带宽范围大、附加损耗小、器件微型化、耦合性好、可与其他光纤器件融成一体等特性，而且光纤光栅制作工艺比较成熟，易于与光纤系统连接、便于使用和维护、成本低，因此它具有良好的实用性。

较佳地，所述形变感应段被设置成弯曲段。

在本方案中，形变感应段被设置成弯曲段，使光纤被拉伸时预留余量，避免光纤微小的变化产生形变信号，影响使用效果。

较佳地，所述形变感应段被设置成螺旋形结构、弧形结构或波浪形结构。

较佳地，两个所述光纤连接部之间的所述光纤外设有保护套，所述保护套的中部设有空腔，所述空腔用于容纳两个所述光纤连接部之间部分的所述光纤。

在本方案中，设置保护套可以将两个光纤连接部之间的光纤形变感应段进行保护，避免外界环境对形变感应段产生影响，造成光纤力传感装置的输出信号结果不准确。

较佳地，所述保护套内灌有胶水。

在本方案中，保护套内的光纤被拉伸后，由于保护套内灌有胶水，即使光纤未被拉直，也能使得光纤上的形变感应段产生相应的形变，会使内部通过的光信号发生改变，即可得到相应的力信号。

较佳地，所述保护套由弹性材料制成。

一种用于监测螺栓或螺母松动的监测系统，包含如上所述的光纤力传感装置；

所述光纤力传感装置的一个所述光纤连接部固定在螺栓或螺母上，所述光纤力传感装置的另一个所述光纤连接部固定在所述螺栓或螺母的安装件上；

所述光纤力传感装置的所述光纤的一端连接在信号监测装置上，所述信号监测装置用于接收所述光纤力传感装置内返回的光信号，并根据解析的结果对所述螺栓或螺母松动情况进行定性和/或定量判断。

在本方案中，将该光纤力传感装置用在监测螺栓或螺母松动的监测系统中，可用于监控风力发电机的固定螺栓或螺母的松动情况，螺栓或螺母松动时会将光纤拉伸或压缩，当光纤拉伸或压缩后通过其形变感应段的的光在返回后光信号会发生变化，可以判断该螺栓或螺母已松动或螺栓发生断裂，需要进行维修，提高了风力发电机巡检维护的科学性与可靠性，降低了维护成本。

较佳地，所述光纤力传感装置中的所述光纤在所述螺栓或螺母沿松动方向转动时趋向于拉紧状态或放松状态。

在本方案中，为了使光纤力传感装置中光纤上形变感应段被拉伸或压缩产生形变信号，需要光纤力传感装置在安装时，使得光纤在螺栓或螺母沿松动方向转动时趋向于拉紧状态或放松状态。

较佳地，所述信号监测装置上设有警报单元，所述警报单元在所述光纤断裂后使所述信号监测装置无法接收到相应所述光信号时发出警报；或者所述警报单元在所述信号监测装置接收到的光信号的变化超过阈值时发出警报。

在本方案中，设置警报单元是为了提醒监控人员，螺栓或螺母的松动已达到警戒状态，需要进行快速及时的维修，避免造成损失。

一种利用上述的用于监测螺栓或螺母松动的监测系统进行监控的方法，其特点在于，所述方法包括以下步骤：

S1、所述光纤力传感装置内输入激光并返回光信号，所述信号监测装置监测接收所述光纤力传感装置返回的所述光信号，并通过所述光信号的波长确定所述光纤力传感装置的编号，其中，所述信号监测装置中预设有返回的所述光信号的波长与所述光纤力传感装置的编号的对应关系；

S2、所述信号监测装置解析所述光纤力传感装置返回的所述光信号，根据解析的结果对与所述光纤力传感装置对应的所述螺栓或螺母松动情况进行定性和/或定量判断，其中，所述信号监测装置中预设有所述光纤力传感装置的编号与所述螺栓或螺母的对应关系。

在本方案中，利用监控系统进行监控的过程中，由于需要监控的螺栓或螺母有很多个，在每个螺栓或螺母的对应位置安装光纤力传感装置，因此光纤力传感装置会安装若干个，为了便于快速知道是哪个螺栓或螺母发生松动，需要对每个光纤力传感装置和对应的螺栓或螺母进行对应编号，通过在光纤力传感装置内输入激光，螺栓或螺母发生松动会使光纤力传感装置内的光纤发生形变，光纤上的光纤光栅会使该光纤力传感装置识别的特定波长的光在返回时的中心波长发生偏移，通过观察在信号监测装置上显示的不同波长的光信号的中心波长偏移的变化，即通过采用波分复用技术可以快速得到是哪个光纤力传感装置内的光纤发生形变，进而得到是螺栓或螺母发生松动，以便于快速维修。

在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。

本发明的积极进步效果在于：本发明的光纤力传感装置可用于监控风力发电机的固定螺栓或螺母的松动情况，螺栓或螺母松动时会将光纤拉伸，当光纤拉伸后通过其形变感应段的光信号的变化可以判断该螺栓或螺母已松动或螺栓发生断裂，需要进行维修，提高了风力发电机巡检维护的科学性与可靠性，降低了维护成本。

附图说明

图1为本发明较佳实施例中光纤力传感装置的结构示意图。

图2为本发明较佳实施例中光纤力传感装置的内部结构示意图。

附图标记说明：

光纤 1

形变感应段 101

光纤连接部 2

保护套 3

具体实施方式

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

如图1-2所示，本发明的一种光纤力传感装置，包括光纤1和两个光纤连接部2；在光纤1上固定有两个光纤连接部2，位于两个光纤连接部2之间的光纤1的长度被设置成大于两个光纤连接部2之间的直线距离；两个光纤连接部2之间的光纤1上设有形变感应段101，形变感应段101在光纤连接部2受到外部作用力时产生形变。

通过在光纤1上通过两个光纤连接部2固定并在两个光纤连接部2之间预留长度作为形变感应段101进行定性和/或定量，当光纤1被拉伸后，形变感应段101受到一定拉力后产生形变产生相应的形变，会使内部通过的光信号发生改变，即可得到相应的拉力信号，当光纤1被压缩后，形变感应段101受到一定压力后产生形变产生相应的形变，会使内部通过的光信号发生改变，即可得到相应的压力信号。

在本实施例中，形变感应段101上设有光纤光栅。使用光纤光栅作为光纤1的形变感应段101，是因为光纤光栅具有体积小、波长选择性好、不受非线性效应影响、极化不敏感、带宽范围大、附加损耗小、器件微型化、耦合性好、可与其他光纤器件融成一体等特性，而且光纤光栅制作工艺比较成熟，易于与光纤系统连接、便于使用和维护、成本低，因此它具有良好的实用性。

为了使光纤1被拉伸时预留余量，避免光纤1微小的变化产生形变信号，影响使用效果，形变感应段101被设置成弯曲段。其中，形变感应段101可被设置成螺旋形结构、弧形结构或波浪形结构等。

在本实施例中，两个光纤连接部2之间的光纤1外设有保护套3，保护套3的中部设有空腔，空腔用于容纳两个光纤连接部2之间部分的光纤1。设置保护套3可以将两个光纤连接部2之间的光纤1的形变感应段101进行保护，避免外界环境对形变感应段101产生影响，造成光纤力传感装置的输出信号结果不准确。其中，保护套3由弹性材料制成。在其它可实施方式中，保护套3也可用塑料、金属等材料制成，只要能对光纤1的形变感应段101进行保护即可。在具体实施的一个例子中，对保护套3内进行灌胶处理，胶水需要灌满保护套3，从而使得在光纤1被拉伸但是未被拉直的情况下，形变感应段101也能产生相应的形变，从而产生监测信号。胶水采用具有弹性的软胶，例如硅胶等，以确保可以随保护套一起具有一定拉伸长度。

本发明的一种用于监测螺栓或螺母松动的监测系统，其包含如上的光纤力传感装置；光纤力传感装置的一个光纤连接部2固定在螺栓或螺母上，光纤力传感装置的另一个光纤连接部2固定在螺栓或螺母的安装件上；光纤力传感装置的光纤1的一端连接在信号监测装置上，信号监测装置用于接收光纤力传感装置内返回的光信号，并根据解析的结果对所述螺栓或螺母松动情况进行定性和/或定量判断。

下面以螺栓或螺母松动时，对光纤力传感装置产生拉力导致其中的形变感应段101被拉伸来具体说明定性或定量判断的过程：例如基于解析的结果是否有信号进行定性判断，当解析的结果显示没有返回的信号时表示光纤力传感装置被拉断，即表示螺栓松动了，还可以基于解析结果是否表示返回的光信号有变化进行定性判断，当有变化时表示光纤力传感装置受到了外力作用力，即表示螺栓松动了；又例如基于解析的结果进行定量判断，具体可以通过解析出返回的光信号的偏移量可以得知螺栓的具体松动的角度，还可以通过解析的结果显示没有返回的信号时表示光纤力传感装置被拉断，由于光纤力传感装置中预留有可变形的量，如果拉断表示螺栓的松动达到了一定角度。

下面以螺栓或螺母松动时，对光纤力传感装置产生压力导致其中的形变感应段101被压缩来具体说明定性或定量判断的过程：例如基于解析结果是否表示返回的光信号有变化进行定性判断，当有变化时表示光纤力传感装置受到了外力作用力，即表示螺栓松动了；又例如基于解析的结果进行定量判断，具体可以通过解析出返回的光信号的偏移量可以得知螺栓的具体松动的角度。

通过将该光纤力传感装置用在监测螺栓或螺母松动的监测系统中，可用于监控风力发电机的固定螺栓或螺母的松动情况，优选地需要光纤1拉力传感装置在安装时，使得光纤1在螺栓或螺母沿松动方向转动时趋向于拉紧状态，这样螺栓或螺母松动时会将光纤1拉伸，当光纤1拉伸后通过其形变感应段101的光在返回后光信号会发生变化，可以判断该螺栓或螺母已松动或螺栓发生断裂，需要进行维修，提高了风力发电机巡检维护的科学性与可靠性，降低了维护成本。

为了使光纤力传感装置中光纤1上形变感应段101被拉伸产生形变信号，需要光纤1拉力传感装置在安装时，使得光纤1在螺栓或螺母沿松动方向转动时趋向于拉紧状态。当螺栓或螺母松动使得光纤力传感器中的形变感应段101被压缩产生形变信号而言，则需要光纤1拉力传感装置在安装时，使得光纤1在螺栓或螺母沿松动方向转动时趋向于放松状态。

在本监测系统的信号监测装置上设有警报单元，警报单元在光纤1断裂后使信号监测装置无法接收到相应所述光信号时发出警报；或者警报单元在信号监测装置接收到的光信号的变化超过阈值时发出警报。设置警报单元是为了提醒监控人员，螺栓或螺母的松动已达到警戒状态，需要进行快速及时的维修，避免造成损失。

本发明还公开了一种利用上述的用于监测螺栓或螺母松动的监测系统进行监控的方法，该方法包括以下步骤：

S1、光纤力传感装置内输入激光并返回光信号，信号监测装置监测接收光纤力传感装置返回的光信号，并通过光信号的波长确定光纤力传感装置的编号，其中，信号监测装置中预设有返回的光信号的波长与光纤力传感装置的编号的对应关系；

S2、信号监测装置解析光纤力传感装置返回的光信号，根据解析的结果对与光纤力传感装置对应的螺栓或螺母松动情况进行定性和/或定量判断，其中，信号监测装置中预设有光纤力传感装置的编号与螺栓或螺母的对应关系。

步骤S2中所述判断具体可以进行定性或定量的判断，下面以螺栓或螺母松动时，对光纤力传感装置产生压力导致其中的形变感应段101被拉伸来具体说明定性或定量判断的过程：例如基于解析的结果是否有信号进行定性判断，当解析的结果显示没有返回的信号时表示光纤力传感装置被拉断，即表示螺栓松动了，还可以基于解析结果是否表示返回的光信号有变化进行定性判断，当有变化时表示光纤力传感装置受到了外力作用力，即表示螺栓松动了；又例如基于解析的结果进行定量判断，具体可以通过解析出返回的光信号的偏移量可以得知螺栓的具体松动的角度，还可以通过解析的结果显示没有返回的信号时表示光纤力传感装置被拉断，由于光纤力传感装置中预留有可变形的量，如果拉断表示螺栓的松动达到了一定角度。

下面以螺栓或螺母松动时，对光纤力传感装置产生压力导致其中的形变感应段101被压缩来具体说明定性或定量判断的过程：例如基于解析结果是否表示返回的光信号有变化进行定性判断，当有变化时表示光纤力传感装置受到了外力作用力，即表示螺栓松动了；又例如基于解析的结果进行定量判断，具体可以通过解析出返回的光信号的偏移量可以得知螺栓的具体松动的角度。在利用监控系统进行监控的过程中，由于需要监控的螺栓有很多个，通常对应的螺栓会安装一个光纤力传感装置，为了便于快速知道是哪个螺栓发生松动，需要对每个光纤力传感装置和螺栓进行编号，如螺栓编号为L1、L2到Ln，对应的光纤力传感装置编号为T1、T2到Tn。

向光纤力传感装置内发射激光时，可向所有光纤力传感装置同时发送波长随时间不断变化的激光，每个光纤力传感装置同一时间会接收到同一个波长的光，但是由于每个光纤力传感装置的光纤光栅的敏感波长不同，每个光纤力传感装置仅会反射一种波长的光，例如一个光纤力传感装置仅对332nm波长的光敏感，如果接收到343nm波长的光时，这个光纤力传感装置是不会有反应的。这里假设编号为T1的光纤形变传感器可以反射中心波长为332nm的光，编号为T2的光纤形变传感器可以反射中心波长为352nm的光，当信号监测装置接收到的光的中心波长为332nm时，可以确定是编号为T1的光纤力传感装置反射回来的光。

在本实施例中，为了节省设备成本，采用扫频激光器向所有光纤力传感装置同时发送波长随时间不断变化的激光。

螺栓发生松动会使对应的光纤力传感装置内的光纤1发生形变，光纤1上的光纤光栅会使该波长的光信号在返回时的中心波长发生偏移，通过观察在信号监测装置上显示的不同波长的光信号的中心波长偏移的变化，即通过采用波分复用技术可以快速得到是哪个螺栓发生松动，以便于快速维修。

具体地，当某一光纤力传感装置受到拉力变形时，其反射回来的光信号的中心波长会发生偏移，但是每个光纤力传感装置反射的光信号的中心波长的偏移量是有限的，本实施例中确保每个光纤力传感装置反射的光信号的中心波长在发生最大偏移时，也不会相重合。因此根据信号监测装置接收到的返回的光信号的中心波长发生偏移时，也能确定反射该波长光的光纤力传感装置的编号；比如信号监测装置接收到的光的中心波长为334nm，该波长334nm在编号为T2的光纤力传感装置反射的光的中心波长的最大偏移范围，因此可以确认是编号为T2的光纤力传感装置发生了形变。维修人员可以只检查编号为与T2对应的编号为L2的螺栓，并对其进行维修，不用一个一个去确认，极大的提高了检修效率。

在本实施例中，信号监测装置内集成有激光发射器、解调器，激光发射器用于发射激光，解调器用于对光纤1内返回的光信号进行解调并根据反射光谱的变化来判断作用于光纤光栅上的外部量的变化。信号监测装置用于预存光纤力传感装置与螺栓的对应编号，以及光纤力传感装置的编号与其敏感波长的对应关系。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种光纤力传感装置，其特征在于，包括光纤和两个光纤连接部；

所述光纤上固定有两个所述光纤连接部，位于两个所述光纤连接部之间的所述光纤的长度被设置成大于两个所述光纤连接部之间的直线距离；

两个所述光纤连接器之间的所述光纤上设有形变感应段，所述形变感应段在所述光纤连接部受到外部作用力时产生形变。

2.如权利要求1所述的光纤力传感装置，其特征在于，所述形变感应段上设有光纤光栅。

3.如权利要求1所述的光纤力传感装置，其特征在于，所述形变感应段被设置成弯曲段。

4.如权利要求3所述的光纤力传感装置，其特征在于，所述形变感应段被设置成螺旋形结构、弧形结构或波浪形结构。

5.如权利要求1-4任意一项所述的光纤力传感装置，其特征在于，两个所述光纤连接部之间的所述光纤外设有保护套，所述保护套的中部设有空腔，所述空腔用于容纳两个所述光纤连接部之间部分的所述光纤。

6.如权利要求5所述的光纤力传感装置，其特征在于，所述保护套内灌有胶水，和/或，所述保护套由弹性材料制成。

7.一种用于监测螺栓或螺母松动的监测系统，其特征在于，包含如权利要求1-6中任意一项所述的光纤力传感装置；

所述光纤力传感装置的一个所述光纤连接部固定在螺栓或螺母上，所述光纤力传感装置的另一个所述光纤连接部固定在所述螺栓或螺母的安装件上；

所述光纤力传感装置的所述光纤的一端连接在信号监测装置上，所述信号监测装置用于接收和解析所述光纤力传感装置内返回的光信号，并根据解析的结果对所述螺栓或螺母松动情况进行定性和/或定量判断。

8.如权利要求7所述的用于监测螺栓或螺母松动的监测系统，其特征在于，所述光纤力传感装置中的所述光纤在所述螺栓或螺母沿松动方向转动时趋向于拉紧状态或放松状态。

9.如权利要求7所述的用于监测螺栓或螺母松动的监测系统，其特征在于，所述信号监测装置上设有警报单元，所述警报单元在所述光纤断裂后使所述信号监测装置无法接收到相应所述光信号时发出警报；或者所述警报单元在所述信号监测装置接收到的所述光信号的变化超过阈值时发出警报。

10.一种利用权利要求7-9任意一项所述的用于监测螺栓或螺母松动的监测系统进行监控的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1、所述光纤力传感装置内输入激光并返回光信号，所述信号监测装置监测接收所述光纤力传感装置返回的所述光信号，并通过所述光信号的波长确定所述光纤力传感装置的编号，其中，所述信号监测装置中预设有返回的所述光信号的波长与所述光纤力传感装置的编号的对应关系；

S2、所述信号监测装置解析所述光纤力传感装置返回的所述光信号，根据解析的结果对与所述光纤力传感装置对应的所述螺栓或螺母松动情况进行定性和/或定量判断，其中，所述信号监测装置中预设有所述光纤力传感装置的编号与所述螺栓或螺母的对应关系。

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