CN114396968B - 基于fbg曲率传感器的螺栓松动监测系统及其监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于FBG曲率传感器的螺栓松动监测系统包括FBG曲率传感器，所述FBG曲率传感器的两端分别通过固定部件交错固定在两个相邻的被测第一螺栓、第二螺栓上；所述固定部件包括套设在第一螺栓、第二螺栓的螺帽或螺母上的套箍，所述FBG曲率传感器通过固定片和螺钉固定在所述套箍的外侧；所述FBG曲率传感器包括弹性基体，所述弹性基体的两侧轴向对称的固定设置有第一FBG光纤光栅和第二FBG光纤光栅，所述FBG曲率传感器通过光纤与信号监测装置连接。本发明可实现多螺栓连接状态实时监测，降低了钢结构桥梁螺栓检测的人力和物力成本并保障钢结构桥梁的安全运营。
Description
技术领域
本发明涉及传感技术领域，更具体地说，涉及一种基于FBG曲率传感器的螺栓松动监测系统及方法。
背景技术
螺栓连接在施工简便性、连接可靠性、整体性以及可拆卸方面有着良好的性能和优势，是钢结构桥梁重要的连接方式。在实际使用工程中，桥梁结构在自身和外部循环横向或剪切荷载作用下会使螺栓产生松动，螺栓松动后会失去连接能力，螺栓群能承受的滑移荷载会减小，导致连接处力学性能的下降，对桥梁的安全造成威胁。
目前，对于桥梁结构最常用的螺栓连接状态检测方法为人工检测。虽然螺栓松动可以通过人工检测方法(例如目视检测法、敲击回声法)扭矩扳手直接手工测量和控制，但人工检测不适用于螺栓隐藏在结构内部，检查人员不能直接进入的情况，并且存在耗费时间长、受人员主观经验影响大的缺点。而且，由于钢结构桥梁的空间跨径大、螺栓数目繁多，更使得传统人工检测方法的检测难度、成本、风险性增大。
为实时监测螺栓预紧状态，市面上涌现了不同类型的螺栓连接状态监测方法。目前主流的监测方法有：基于振动的方法、基于超声波的方法、基于机电阻抗的方法和基于图像处理的方法等。不过，基于振动、超声波及机电阻抗的方法，抗干扰性能较差，容易受到恶劣环境的影响，且损伤特征提取过程需要用户干预，而基于图像处理的方法需要现场检查和螺栓头或螺母初始状态数据库，难以实现实时监测。因此，限制了上述方法在钢结构桥梁等大跨径结构螺栓连接状态监测中的应用。
FBG是在光纤中引入周期性的折射率调制而形成的光波导器件，通过检测写入光纤内部的光栅反射或透射布拉格波长光谱，实现被测结构的应力和温度等参量的绝对测量。它具有灵敏度高，精度高，重量轻，体积小，耐腐蚀，成本低，光路可弯曲，不受电磁干扰，便于实现远距离、长期监测等优点，而且多个光纤光栅可以采用一根光缆传输，便于组成传感系统，可实现准分布式测量。目前用于螺栓连接状态监测的FBG传感器，主要有金属封装FBG传感器、智能螺母、智能螺栓，其传感原理均为螺栓预紧力的变化会导致周围区域的应力应变场发生变化，光纤光栅受到外部环境的应力应变影响时，其中心波长会发生漂移，将光纤光栅埋入螺栓连接结合部，根据中心波长的变化判断应力应变状态，进而实现螺栓结构连接状态的监测。但是金属封装FBG传感器精度低，需在螺栓的两侧都可以接触到的情况下使用。FBG智能需要在螺栓轴向开孔，结构的改变会影响螺栓结构的强度。FBG智能垫圈改变了原螺栓副结构和装配关系，应变传递规律有待进一步研究。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，提供一种基于光纤光栅曲率传感器的螺栓松动的监测系统及监测方法，本发明的监测系统成本低、施工便捷，不改变螺栓结构和装配关系，具有温度自补偿功能，能够实现螺栓组连接状态的高精度实时监测。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种基于FBG曲率传感器的螺栓松动监测系统，包括FBG曲率传感器，所述FBG曲率传感器的两端分别通过固定部件交错固定在两个相邻的被测第一螺栓、第二螺栓的螺帽或螺母上；
所述固定部件包括套设在第一螺栓、第二螺栓的螺帽或螺母外部的套箍，所述FBG曲率传感器通过固定片和螺钉固定在所述套箍的外侧；
所述FBG曲率传感器包括弹性基体，所述弹性基体的两侧轴向对称的固定设置有第一FBG光纤光栅和第二FBG光纤光栅，所述FBG曲率传感器通过光纤与信号监测装置连接；
所述信号监测装置为监测系统提供光源，接收和解析所述FBG曲率传感器反射的特定中心波长的光信号，解调出FBG曲率传感器的中心波长偏移量，并根据解析的结果对所述FBG曲率传感器对应的所述被测第一螺栓、第二螺栓的松动情况进行定性或定量判断。
按所述方案，所述第一FBG光纤光栅、第二FBG光纤光栅通过环氧树脂AB胶将沿轴向对称粘贴在所述弹性基体的两侧，所述第一FBG光纤光栅、第二FBG光纤光栅具有相同的温度敏感系数。
按所述方案，所述弹性基体呈薄片状，所述弹性基体材料为薄片钢或PVC片。
按所述方案，所述套箍包括一个侧面开口的正六棱柱形的套箍本体，所述开口通过螺栓组件连接，与所述开口正对的侧面设置有通过螺钉连接的固定片。
按所述方案，所述套箍的尺寸与被测的所述被测第一螺栓、第二螺栓的螺帽或螺母的尺寸相适配，所述套箍的侧棱高度小于待测的所述被测第一螺栓、第二螺栓的螺帽或螺母的侧棱高度。
按所述方案，所述套箍本体采用不锈钢材质，所述固定片采用防滑材料。
本发明还提供了一种利用所述的FBG曲率传感器的螺栓松动监测系统的监测方法，包括以下步骤：
S1、将所述FBG曲率传感器通过套箍固定到两个相邻的被测第一螺栓、第二螺栓的螺帽或螺母上，安装后所述FBG曲率传感器处于平直状态，波长为λ1的第一FBG光纤光栅和波长为λ2的第二FBG光纤光栅对称位于所述FBG曲率传感器的中心位置；
S2、所述信号监测装置向所述FBG曲率传感器发射激光，并实时监测接收所述FBG曲率传感器中第一FBG光纤光栅和第二FBG光纤光栅反射的光信号，通过所述光信号的中心波长确定所述FBG曲率传感器的编号，并根据解析的结果对与所述FBG曲率传感器对应的螺栓松动情况进行定性或定量判断。
按所述方案，所述步骤S2中判断是否松动的方法为：
当被测第一螺栓、第二螺栓未发生松动时，与之相连的所述FBG曲率传感器处于平直状态，所述FBG的反射光谱中心波长只受环境温度影响，温度导致的两个FBG中心波长偏移量Δλ0相等，因而FBG曲率传感器3的中心波长偏移差值Δλ几乎为0；
当某处被测第一螺栓发生松动时，被测第一螺栓的转动导致与之相连的FBG曲率传感器发生凸弯曲，致使位于所述FBG曲率传感器弯曲凸面的第一FBG光纤光栅中心波长发生正偏移，位于弯曲凹面的第二FBG光纤光栅中心波长发生负偏移，因而弯曲导致的中心波长偏移量Δλi数值相等，方向相反，因而所述FBG曲率传感器的中心波长偏移差值Δλ＝2Δλi，符号为正，所述FBG曲率传感器的中心波长偏移差值随着被测第一螺栓的松动角度的增大而增加；
当某处被测第二螺栓发生松动时，被测第一螺栓的转动导致与之相连的FBG曲率传感器发生凹弯曲，致使位于所述FBG曲率传感器弯曲凸面的第一FBG光纤光栅中心波长发生负偏移Δλi，位于弯曲凹面的第二FBG光纤光栅中心波长发生正偏移Δλi，FBG曲率传感器的中心波长偏移差值Δλ＝-2Δλi，符号为负，所述FBG曲率传感器的中心波长偏移差值随着被测第二螺栓的松动角度的增大而增加；
当所述中心波长偏移量差值为0，被测第一螺栓、第二螺栓未发生松动时；当所述中心波长偏移量差值为正，被测第一螺栓发生了松动；当中心波长偏移量差值为负，被测第二螺栓发生了松动。
实施本发明的基于FBG曲率传感器的螺栓松动监测系统，具有以下有益效果：
1、本发明利用FBG传感器监测螺栓松动过程中松转角的变化，可避免环境温度对FBG传感性能的影响，灵敏度高，可实现螺栓早期松动状态的监测；
2、本发明的监测装置结构简单，占用环境空间小，不改变原螺栓副结构和装配关系，且安装、拆解便捷，可长期重复利用；
3、本发明的监测装置可实现准分布式、连续性监测螺栓组的连接状态，能有效规避目前定期检修模式不能及时发现和处理钢结构桥梁多螺栓连接的松动，检测难度大、成本高等问题。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明基于FBG曲率传感器的螺栓松动监测系统的结构示意图；
图2是本发明基于FBG曲率传感器的螺栓松动监测系统局部结构示意图；
图3是FBG曲率传感器正视图；
图4是FBG曲率传感器侧视图；
图5是被测第一螺栓松动结构示意图；
图6是被测第二螺栓松动结构示意图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
如图1-6所示，本发明的基于FBG曲率传感器的螺栓松动监测系统包括FBG曲率传感器3，FBG曲率传感器3包括弹性基体31。弹性基体31的两侧轴向对称的固定设置有第一FBG光纤光栅32和第二FBG光纤光栅33，FBG曲率传感器3通过光纤4与信号监测装置连接。FBG曲率传感器3的两端分别通过固定部件交错固定在两个相邻的被测第一螺栓1、第二螺栓5上。固定部件包括套设在螺栓的螺帽或螺母外部的套箍2，FBG曲率传感器3通过固定片23和螺钉22固定在套箍2的外侧。信号监测装置为监测系统提供光源，接收和解析FBG曲率传感器3反射的特定中心波长的光信号，解调出FBG曲率传感器3的中心波长偏移量，并根据解析的结果对FBG曲率传感器3对应的被测第一螺栓1、第二螺栓5的松动情况进行定性或定量判断。
第一FBG光纤光栅32、第二FBG光纤光栅33通过环氧树脂AB胶沿轴向对称粘贴在弹性基体31的两侧。弹性基体31呈薄片状，弹性基体31的材料为薄片钢或PVC片，弹性基体31的长度根据待监测螺栓对的间距确定，宽度适合于安装到套箍2上。第一FBG光纤光栅32、第二FBG光纤光栅33具有相同的温度敏感系数，第一FBG光纤光栅32、第二FBG光纤光栅33粘贴前已去除栅区涂层，初始中心波长分别为λ1、λ2。
套箍2包括一个侧面开口的正六棱柱形的套箍本体2，开口通过螺栓组件24连接，与开口正对的侧面设置有通过螺钉21连接的固定片23和调节螺钉21，使两螺栓之间的FBG曲率传感器3处于平直状态，并且第一FBG光纤光栅32和第二FBG光纤光栅33位于传感器的中间位置。套箍2的尺寸与被测的被测第一螺栓1、第二螺栓5的尺寸相适配，套箍2的侧棱高度小于待测的被测第一螺栓1、第二螺栓5的侧棱高度。套箍本体2采用不锈钢本材质，固定片23采用防滑材料。套箍2分别安装在被测第一螺栓1、第二螺栓5上的螺帽上，旋拧螺栓组件24调节套箍2收缩，使套箍本体2对螺栓进行夹紧紧固，在螺栓发生松动过程中随螺栓一起转动。
本发明还提供了一种利用FBG曲率传感器的螺栓松动监测系统的监测方法，包括以下步骤：
S1、将FBG曲率传感器3通过套箍2固定到相邻的两个被测第一螺栓1、第二螺栓5的螺帽上，安装后FBG曲率传感器3处于平直状态，波长为λ1的第一FBG光纤光栅32和波长为λ2的第二FBG光纤光栅33对称位于FBG曲率传感器3的中心位置；
S2、信号监测装置向FBG曲率传感器3发射激光，并实时监测接收FBG曲率传感器3中第一FBG光纤光栅32和第二FBG光纤光栅33反射的光信号，通过光信号的中心波长确定FBG曲率传感器3的编号，并根据解析的结果对与FBG曲率传感器33对应的螺栓松动情况进行定性或定量判断。
其中，步骤S2具体内容为：
当被测第一螺栓1、第二螺栓5未发生松动时，与之相连的FBG曲率传感器3处于平直状态，FBG的反射光谱中心波长只受环境温度影响，温度导致的两个FBG中心波长偏移量Δλ0相等，因而FBG曲率传感器33的中心波长偏移差值Δλ几乎为0；
当某处被测第一螺栓1发生松动时，被测第一螺栓1的转动导致与之相连的FBG曲率传感器3发生凸弯曲，致使位于FBG曲率传感器3弯曲凸面的第一FBG光纤光栅32中心波长发生正偏移，位于弯曲凹面的第二FBG光纤光栅33中心波长发生负偏移，因而弯曲导致的中心波长偏移量Δλi数值相等，方向相反，因而FBG曲率传感器3的中心波长偏移差值Δλ＝2Δλi，符号为正，FBG曲率传感器3的中心波长偏移差值随着被测第一螺栓1的松动角度的增大而增加；
当某处被测第二螺栓5发生松动时，被测第二螺栓5的转动导致与之相连的FBG曲率传感器3发生凹弯曲，致使位于FBG曲率传感器3弯曲凸面的第一FBG光纤光栅32中心波长发生负偏移Δλi，位于弯曲凹面的第二FBG光纤光栅33中心波长发生正偏移Δλi，FBG曲率传感器3的中心波长偏移差值Δλ＝-2Δλi，符号为负，FBG曲率传感器3的中心波长偏移差值随着被测第二螺栓5的松动角度的增大而增加。
当中心波长偏移量差值为0，被测第一螺栓1、第二螺栓5未发生松动时；当中心波长偏移量差值为正，被测第一螺栓1发生了松动；当中心波长偏移量差值为负，被测第二螺栓5发生了松动。
本发明进行螺栓松动监测的基本原理是通过固定装置将螺栓松动角度变化转化为FBG曲率传感器3的曲率半径变化，通过监测FBG曲率传感器3反射光谱中心波长偏移，实现螺栓或螺母的松动监测。信号监测装置中预设有光信号的中心波长与FBG曲率传感器3编号的第一对应关系，以及FBG曲率传感器3编号与螺栓或螺母编号的第二对应关系。
当被测第一螺栓1、第二螺栓5未发生松动的情况下，FBG曲率传感器3处于平直状态，FBG的反射光谱中心波长只受环境温度影响，由于FBG曲率传感器3上的第一FBG光纤光栅32和第二FBG光纤光栅33具有相同温度敏感系数，温度导致的两个FBG中心波长偏移量Δλ0相等，因而FBG曲率传感器33的中心波长偏移差值Δλ几乎为0。
当某处被测第一螺栓1发生松动时，被测第一螺栓1转动导致与其相连的FBG曲率传感器3发生凸弯曲，致使位于FBG曲率传感器3弯曲凸面的第一FBG光纤光栅32中心波长发生正偏移，位于弯曲凹面的第二FBG光纤光栅33中心波长发生负偏移，由于第一FBG光纤光栅32和第二FBG光纤光栅33对称地位于弹性基体31中性层的两侧，因而弯曲导致的中心波长偏移量Δλi数值相等，方向相反，因而FBG曲率传感器3的中心波长偏移差值Δλ＝2Δλi，符号为正。并且FBG曲率传感器3的中心波长偏移差值随着被测第一螺栓1松动角度的增大而增加。
当某处被测第二螺栓5发生松动时，被测第二螺栓5转动导致与其相连的FBG曲率传感器3发生凹弯曲，致使位于FBG曲率传感器3弯曲凸面的第一FBG光纤光栅32中心波长发生负偏移Δλi，位于弯曲凹面的第二FBG光纤光栅33中心波长发生正偏移Δλi，FBG曲率传感器3的中心波长偏移差值Δλ＝-2Δλi，符号为负。
因此，通过监测反射光信号中FBG曲率传感器3中对应第一FBG光纤光栅32和第二FBG光纤光栅33中心波长偏移量差值变化，当中心波长偏移量差值为正，即可定性的判断被测第一螺栓1发生了松动，相反，当中心波长偏移量差值为负，可定性的判断被测第二螺栓5发生了松动。
由于钢结构桥梁等大跨径结构中，多螺栓连接具有均布、等间距的特点，因而根据FBG曲率传感器3曲率变化与被测第一螺栓1和被测第二螺栓5几何位置关系、螺栓松动角度变化的关系，构建螺栓松转角度与螺栓松动导致的FBG曲率传感器3中心波长偏移差值之间的函数关系模型，即可实现螺栓组松动程度的定量监测。
本发明的优先实施例中可在光纤上串联多个FBG曲率传感器组成多螺栓连接状态监测传感网络，可实现对多螺栓的松动的实时监测，能有效确定发生松动螺栓的位置与松动程度。本发明具有操作简便、测量准确度高、不改变螺栓连接状态、无电磁干扰、造价低廉等优点，具有良好的应用前景。
Claims (4)
1.一种基于FBG曲率传感器的螺栓松动监测系统，其特征在于，包括FBG曲率传感器，所述FBG曲率传感器的两端分别通过固定部件交错固定在两个相邻的被测第一螺栓、第二螺栓上；
所述固定部件包括套设在第一螺栓、第二螺栓的螺帽或螺母外部的套箍，所述FBG曲率传感器通过固定片和螺钉固定在所述套箍的外侧；
所述FBG曲率传感器包括弹性基体，所述弹性基体的两侧轴向对称的固定设置有第一FBG光纤光栅和第二FBG光纤光栅，所述FBG曲率传感器通过光纤与信号监测装置连接；
所述信号监测装置为监测系统提供光源，接收和解析所述FBG曲率传感器反射的特定中心波长的光信号，解调出FBG曲率传感器的中心波长偏移量，并根据解析的结果对所述FBG曲率传感器对应的所述被测第一螺栓、第二螺栓的松动情况进行定性或定量判断；
FBG曲率传感器的螺栓松动监测系统的监测方法包括以下步骤：
S1、将所述FBG曲率传感器通过套箍固定到两个相邻的被测第一螺栓、第二螺栓的螺帽或螺母上，安装后所述FBG曲率传感器处于平直状态，波长为λ1的第一FBG光纤光栅和波长为λ2的第二FBG光纤光栅对称位于所述FBG曲率传感器的中心位置；
S2、所述信号监测装置向所述FBG曲率传感器发射激光，并实时监测接收所述FBG曲率传感器中第一FBG光纤光栅和第二FBG光纤光栅反射的光信号，通过所述光信号的中心波长确定所述FBG曲率传感器的编号，并根据解析的结果对与所述FBG曲率传感器对应的螺栓松动情况进行定性或定量判断；
所述步骤S2中判断是否松动的方法为：
当被测第一螺栓、第二螺栓未发生松动时，与之相连的所述FBG曲率传感器处于平直状态，所述FBG的反射光谱中心波长只受环境温度影响，温度导致的两个FBG中心波长偏移量Δλ0相等，因而FBG曲率传感器3的中心波长偏移差值Δλ几乎为0；
当某处被测第一螺栓发生松动时，被测第一螺栓的转动导致与之相连的FBG曲率传感器发生凸弯曲，致使位于所述FBG曲率传感器弯曲凸面的第一FBG光纤光栅中心波长发生正偏移，位于弯曲凹面的第二FBG光纤光栅中心波长发生负偏移，因而弯曲导致的中心波长偏移量Δλi数值相等，方向相反，因而所述FBG曲率传感器的中心波长偏移差值Δλ＝2Δλi，符号为正，所述FBG曲率传感器的中心波长偏移差值随着被测第一螺栓的松动角度的增大而增加；
当某处被测第二螺栓发生松动时，被测第二螺栓的转动导致与之相连的FBG曲率传感器发生凹弯曲，致使位于所述FBG曲率传感器弯曲凸面的第一FBG光纤光栅中心波长发生负偏移Δλi，位于弯曲凹面的第二FBG光纤光栅中心波长发生正偏移Δλi，FBG曲率传感器的中心波长偏移差值Δλ＝-2Δλi，符号为负，所述FBG曲率传感器的中心波长偏移差值随着被测第二螺栓的松动角度的增大而增加；
当所述中心波长偏移量差值为0，被测第一螺栓、第二螺栓未发生松动时；当所述中心波长偏移量差值为正，被测第一螺栓发生了松动；当中心波长偏移量差值为负，被测第二螺栓发生了松动。
2.根据权利要求1所述的基于FBG曲率传感器的螺栓松动监测系统，其特征在于，所述第一FBG光纤光栅、第二FBG光纤光栅沿轴向对称粘贴在所述弹性基体的两侧，所述第一FBG光纤光栅、第二FBG光纤光栅具有相同的温度敏感系数。
3.根据权利要求1所述的基于FBG曲率传感器的螺栓松动监测系统，其特征在于，所述套箍包括一个侧面开口的正六棱柱形的套箍本体，所述开口通过螺栓组件连接，与所述开口正对的侧面设置有通过螺钉连接的固定片。
4.根据权利要求1所述的基于FBG曲率传感器的螺栓松动监测系统，其特征在于，所述套箍的尺寸与被测的所述被测第一螺栓、第二螺栓的螺帽或螺母尺寸相适配，所述套箍的侧棱高度小于待测的所述被测第一螺栓、第二螺栓的螺帽或螺母侧棱高度。
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