CN115014225A - 基于分布式光纤传感的螺纹结构松动测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于分布式光纤传感的螺纹结构松动测量装置，该装置包括套筒、弹簧、光纤、顶盖和螺纹结构，光纤中对应光纤段沿弹簧走向，布线在弹簧上，套筒内设有螺旋凹槽，弹簧竖直设于与其匹配的螺旋凹槽内，且其上端与所述顶盖上的紧固件固定连接，光纤段的一端从套筒的通孔中穿出，用于接收测量光信号，顶盖和螺纹结构位于套筒内且顶盖位于螺纹结构之上；螺纹结构在出现松动、螺旋转动时，带动顶盖相对于套筒发生移动，从而使弹簧上的光纤段的应变分布发生变化；根据光纤段接收到测量光信号后返回的反射信号，确定光纤段的应变分布变化情况，从而确定螺纹结构的松动情况。本发明结构简单，便于安装且不受电磁干扰影响、运维成本低。

Description

基于分布式光纤传感的螺纹结构松动测量装置

技术领域

本发明属于螺栓松动检测领域，具体涉及一种基于分布式光纤传感的螺纹结构松动测量装置。

背景技术

螺纹连接由于具有连接可靠、便于安装拆卸等优点被广泛应用于机械领域。但是在实际使用过程中，由于振动、冲击、腐蚀等因素螺纹连接结构可能会出现松动，这会给机械结构带来了巨大的安全隐患，因此对螺纹结构的松动损伤程度进行识别具有非常重要的意义。在当前的螺栓松动测量中，多数测量系统采用应变片测量方法，一个应变片对应一个测量点，为测量螺栓松动，一般采用多个应变片进行测量。在对大型、大量结构进行检测时，该方法存在的问题是，需要大量的应变片以及配套的电学设备，易受电磁干扰的影响，不方便实际安装，增加了系统在硬件上的复杂度，提高了系统的运行和维护成本。

发明内容

本发明提供一种基于分布式光纤传感的螺纹结构松动测量装置，以解决目前螺纹结构松动测量系统所用应变片较多、配套电学设备易受电磁干扰影响、结构复杂以及运维成本较高的问题。

根据本发明实施例的第一方面，提供一种基于分布式光纤传感的螺纹结构松动测量装置，包括套筒、弹簧、光纤、顶盖和螺纹结构，所述光纤中对应光纤段沿所述弹簧走向，布线在该弹簧上，所述套筒内设有螺旋凹槽，所述弹簧竖直设于与其匹配的所述螺旋凹槽内，且其上端与所述顶盖上的紧固件固定连接，所述光纤段的一端从所述套筒的通孔中穿出，用于接收测量光信号，所述套筒由支撑件对其进行支撑，所述顶盖和螺纹结构位于所述套筒内且所述顶盖位于所述螺纹结构之上；所述螺纹结构在出现松动、螺旋转动时，带动所述顶盖相对于所述套筒发生第一竖直方向上的移动，从而带动所述弹簧发生形变；

根据所述光纤段接收到所述测量光信号后返回的反射信号，确定所述螺纹结构的松动情况。

在一种可选的实现方式中，所述弹簧发生形变时，对应地所述弹簧上的光纤段的应变分布发生变化；根据所述光纤段接收到所述测量光信号后返回的反射信号，确定所述螺纹结构的松动情况包括：根据所述光纤段接收到所述测量光信号后返回的反射信号，确定所述光纤段的应变分布变化情况，从而确定所述螺纹结构的松动情况。

在另一种可选的实现方式中，还包括底板，所述套筒固定在所述底板上，所述螺纹结构穿过所述底板，从所述套筒内伸出；所述支撑件为螺母，所述螺母位于所述底板之下，与所述螺纹结构螺纹连接，且其上表面与所述底板抵接固定，所述螺母用于支撑所述套筒；所述螺纹结构在出现松动、螺旋转动时，带动所述顶盖发生所述第一竖直方向上的移动，所述螺母在所述底板以及其上套筒的重力作用下发生第二竖直方向上的移动，从而带动所述底板以及其上套筒发生所述第二竖直方向上的移动，其中所述第一竖直方向与第二竖直方向相反。

在另一种可选的实现方式中，所述螺纹结构在未出现松动的初始状态下，所述顶盖位于所述弹簧内，且在竖直方向上至少部分与所述弹簧重合，所述顶盖朝对应方向倾斜，挤压所述弹簧上的对应位置，使所述弹簧上对应光纤位置处的应变发生突变；

所述顶盖在所述第一竖直方向上，发生与所述螺纹结构同步的螺旋移动，所述底板以及其上套筒发生所述第二竖直方向上的螺旋移动，以使所述顶盖在所述第一竖直方向上螺旋移动过程中，始终会去挤压所述弹簧的对应位置，从而使所述光纤段上始终存在对应的应变突变。

在另一种可选的实现方式中，当前螺纹结构对应的所述光纤段的另一端从所述套筒的通孔中穿出后，通过所述光纤中的连接段与下一螺纹结构对应的光纤段连接。

在另一种可选的实现方式中，还包括垫圈，所述垫圈位于所述螺纹结构与底板之间，初始状态下，利用所述支撑件将所述垫圈压紧在所述底板与螺纹结构之间，所述垫圈用于避免所述螺纹结构未松动时发生径向位移。

在另一种可选的实现方式中，还包括底座和套筒帽，所述套筒的上下两端为开口，所述套筒的下端与所述底座螺纹连接，所述底座固定在所述底板上；所述套筒的上端与所述套筒帽连接；

所述紧固件均匀分布在所述顶盖的顶端周边；所述顶盖的底端开设有与所述螺纹结构顶端匹配的容置槽。

在另一种可选的实现方式中，根据所述光纤段的应变分布情况以及应变突变位置、应变突变大小，确定所述螺纹结构是否出现松动以及是否发生了径向位移。

在另一种可选的实现方式中，按照以下步骤确定所述螺纹结构是否出现松动以及是否发生了径向位移：

步骤S100、判断所述光纤段的应变分布是否为所述螺纹结构未松动时对应的初始应变分布，若是，则表示螺纹结构未出现松动，则执行步骤S200，否则，表示所述螺纹结构出现了松动，执行步骤S300，判断所述螺纹结构是否发生了径向位移；

步骤S200、判断所述光纤段上应变突变位置是否发生变化，若是，则确定所述螺纹结构未出现松动，但发生了径向位移，否则，表示所述螺纹结构既未出现松动，也未发生径向位移；

步骤S300、确定出所述螺纹结构在仅出现松动，未发生径向位移时，与测量到的所述光纤段的应变分布情况对应的应变突变大小，判断测量到的应变突变大小是否与该确定的应变突变大小相等，若相等，则表示螺纹结构仅出现了松动，未发生径向位移，否则，则表示螺纹结构既出现了松动，又发生了径向位移。

在另一种可选的实现方式中，所述顶盖的径向尺寸大于该螺纹结构的径向尺寸，该径向处于水平方向。

本发明的有益效果是：

1、本发明将光纤沿弹簧走向，布线在弹簧上，并让弹簧的上端与顶盖的紧固件固定连接，位于顶盖之下的螺纹结构在因松动而发生螺旋转动的过程中，会带动顶盖相对于套筒发生第一竖直方向上的移动，由于顶盖与弹簧的上端固定连接，因此顶盖移动会带动弹簧会发生形变，对应地弹簧上的光纤段的应变分布情况也会发生变化，本发明基于光纤接收到测量光信号后返回的反射信号，就可确定出光纤段上应变分布变化情况，从而确定出螺纹结构的松动情况，本发明不必设置应变片以及配套的电学设备，松动测量不会受到电磁干扰影响，结构上也更加简单且光纤测量的运维成本也更低；其次，本发明在确定螺纹结构的松动情况时，不是对螺纹结构的旋转角度进行测量，而是由螺纹结构带动顶盖相对于套筒发生移动，从而使弹簧发生拉伸形变，即本发明将角度测量转换成了线性测量，这样即便旋转角度很小，也可以被检测到，因此本发明具有较高的分辨率和灵敏度；再者，相比于应变片受到疲劳寿命限制，本发明采用弹簧的形变来反映螺纹结构的松动情况，使得本发明的使用寿命更高；

2、本发明将套筒固定在底板上，将底板与螺母的上表面抵接固定，再将该螺母与螺纹结构螺纹连接，由于底板和套筒本身具有一定的重量，螺纹结构在出现松动，螺旋转动时，螺纹结构并不能带动底板和套筒同步转动，底板和套筒相当于向螺母施加了一个力，对螺母进行固定，使得螺纹结构在螺旋转动过程中，螺母与螺纹结构之间发生相对位移，即螺母支撑的底板和套筒都会发生第二竖直方向上的移动；由于螺纹结构在出现松动、螺旋转动时，顶盖会发生第一竖直方向上的移动，套筒会发生第二竖直方向上的移动，且第一竖直方向和第二竖直方向相反，因此本发明中与螺纹结构螺纹连接的螺母，不仅对底板和套筒起到了支撑的作用，而且可以增大螺纹结构螺旋转动过程引起的顶盖与套筒之间的相对位移，从而可以增大螺纹结构转动单位角度所能引起的弹簧形变量，进而可以进一步提高松动测量灵敏度；此外，本发明利用螺母作为用于支撑套筒的支撑架，并使螺母与螺纹结构螺纹连接，可以避免对套筒进行另行固定，螺纹结构在出厂之前已与松动测量所涉及的器件完成组装，并不需要对松动测量所涉及的器件进行现场安装，因而本发明安装效率得到了很大的提高；本发明将松动测量所涉及的器件均组装在螺纹结构上，可以给螺纹结构施加一定的压力，在一定程度上避免了螺纹结构出现松动；

3、本发明中无论在螺纹结构出现松动，还是未出现松动，顶盖都会始终对弹簧的对应位置进行挤压，从而使光纤段上始终存在应变突变，通过引入应变突变，不仅可以对螺纹结构的松动情况进行测量，还可以对螺纹结构是否发生径向位移进行监测；

4、本发明利用一根光纤就可以对多个螺纹结构的松动情况进行测量；

5、本发明将套筒设置为上下两端为开口的结构，其上端与套筒帽螺纹连接，下端与底座螺纹连接，套筒帽可以防止灰尘、雨水等落入套筒内，且可拆卸式设计，便于套筒内组件安装且便于后续组件维护；

6、本发明在顶盖的顶端设置有多个紧固件且使紧固件均匀分布在顶盖的顶端周边，弹簧中与该紧固件连接的上端，可以依次穿过各个紧固件进行固定，以保证弹簧随顶盖的转动而发生形变；

7、本发明使所述顶盖的径向尺寸大于该螺纹结构的径向尺寸，可以使所述光纤段上的应变突变更加明显。

附图说明

图1是本发明基于分布式光纤传感的螺纹结构松动测量装置的一个实施例整体结构侧视图；

图2是图1的A-A视图；

图3是本发明弹簧和光纤的关系示意图；

图4是本发明套筒的一个实施例立体图；

图5(a)和(b)分别是本发明套筒的一个实施例侧视图和俯视图；

图6是本发明套筒帽的一个实施例立体图；

图7(a)和(b)分别是本发明套筒帽的一个实施例侧视图和俯视图；

图8是本发明底座的一个实施例立体图；

图9(a)和(b)分别是本发明底座的一个实施例侧视图和俯视图；

图10是本发明底板的一个实施例立体图；

图11(a)和(b)分别是本发明底板的一个实施例侧视图和俯视图；

图12是本发明顶盖的一个实施例立体图；

图13(a)和(b)分别是本发明顶盖的一个实施例侧视图和俯视图；

图14是本发明螺母的一个实施例立体图；

图15(a)和(b)分别是本发明螺母的一个实施例侧视图和俯视图；

图16是本发明垫圈的一个实施例立体图；

图17是顶盖上紧固件的一个实施例立体图；

图18是本发明基于分布式光纤传感的螺纹结构松动测量系统的一个实施例结构示意图；

图19是本发明基于分布式光纤传感的螺纹结构松动测量系统的另一实施例结构示意图；

图20是本发明基于分布式光纤传感的螺纹结构松动测量系统的又一实施例结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明实施例的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明实施例中技术方案作进一步详细的说明。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

参见图1，为本发明基于分布式光纤传感的螺纹结构松动测量装置的一个实施例整体结构侧视图。结合图2至图16所示，该基于分布式光纤传感的螺纹结构松动测量装置可以包括套筒1、弹簧2(可为螺旋弹簧)、光纤3、顶盖4和螺纹结构5，所述光纤2中对应光纤段沿所述弹簧2走向，布线在该弹簧2上，结合图4和图5所示，所述套筒1内设有螺旋凹槽11，所述弹簧2竖直设于与其匹配的所述螺旋凹槽11内，且其上端与所述顶盖4上的紧固件41固定连接(顶盖结构如图6和图7所示)，所述光纤段的一端从所述套筒1的通孔中穿出，用于接收测量光信号，所述套筒1由支撑件对其进行支撑，如图2所示，所述顶盖4和螺纹结构5位于所述套筒1内且所述顶盖4位于所述螺纹结构5之上；所述螺纹结构5在出现松动、螺旋转动时，带动所述顶盖4相对于所述套筒1发生第一竖直方向上的移动(例如竖直上移)，从而带动所述弹簧2发生形变，使所述弹簧2上的光纤段的应变分布发生变化；根据所述光纤段接收到所述测量光信号后返回的反射信号，确定所述光纤段的应变分布变化情况，从而确定所述螺纹结构5的松动情况。

本发明将光纤沿弹簧走向，布线在弹簧上，并让弹簧的上端(即弹簧轴向竖直设置时的上侧自由端)与顶盖的紧固件固定连接，位于顶盖之下的螺纹结构在因松动而发生螺旋转动的过程中，会带动顶盖相对于套筒发生第一竖直方向上的移动，由于顶盖与弹簧的上端固定连接，因此顶盖移动会带动弹簧会发生形变(其中当顶盖相对于套筒上移时，弹簧会发生拉伸形变)，对应地弹簧上的光纤段的应变分布情况也会发生变化，本发明基于光纤接收到测量光信号后返回的反射信号，就可确定出光纤段上应变分布变化情况，从而确定出螺纹结构的松动情况，本发明不必设置应变片以及配套的电学设备，松动测量不会受到电磁干扰影响，结构上也更加简单且光纤测量的运维成本也更低；其次，本发明在确定螺纹结构的松动情况时，不是对螺纹结构的旋转角度进行测量，而是由螺纹结构带动顶盖相对于套筒发生移动，从而使弹簧发生拉伸形变，即本发明将角度测量转换成了线性测量，这样即便旋转角度很小，也可以被检测到，因此本发明具有较高的分辨率和灵敏度；再者，相比于应变片受到疲劳寿命限制，本发明采用弹簧的形变来反映螺纹结构的松动情况，使得本发明的使用寿命更高。

另外，结合图1和图2所示，本发明基于分布式光纤传感的螺纹结构松动测量装置还可以包括底板6，所述套筒1固定在所述底板6上，所述螺纹结构5穿过所述底板6，从所述套筒1内伸出；所述支撑件可以为螺母7，所述螺母7位于所述底板之下，与所述螺纹结构5螺纹连接，且其上表面与所述底板1抵接固定，所述螺母7用于支撑所述套筒1；所述螺纹结构5在出现松动、螺旋转动时，带动所述顶盖4发生所述第一竖直方向上的移动(例如竖直上移)，所述螺母7在所述底板6以及其上套筒1的重力作用下发生第二竖直方向上的移动(例如竖直下移)，从而带动底板6以及其上套筒1发生所述第二竖直方向上的移动，其中第一竖直方向与第二竖直方向相反。

本发明将套筒固定在底板上，将底板与螺母的上表面抵接固定，再将该螺母与螺纹结构螺纹连接，由于底板和套筒本身具有一定的重量，螺纹结构在出现松动，螺旋转动时，螺纹结构并不能带动底板和套筒同步转动，底板和套筒相当于向螺母施加了一个力，对螺母进行固定，使得螺纹结构在螺旋转动过程中，螺母与螺纹结构之间发生相对位移，即螺母支撑的底板和套筒都会发生第二竖直方向上的移动(例如竖直下移)。由于螺纹结构在出现松动、螺旋转动时，顶盖会发生第一竖直方向上的移动，套筒会发生第二竖直方向上的移动，且第一竖直方向和第二竖直方向相反，因此本发明中与螺纹结构螺纹连接的螺母，不仅对底板和套筒起到了支撑的作用，而且可以增大螺纹结构螺旋转动过程引起的顶盖与套筒之间的相对位移，从而可以增大螺纹结构转动单位角度所能引起的弹簧形变量，进而可以进一步提高松动测量灵敏度；此外，本发明利用螺母作为用于支撑套筒的支撑架，并使螺母与螺纹结构螺纹连接，可以避免对套筒进行另行固定，螺纹结构在出厂之前已与松动测量所涉及的器件完成组装，并不需要对松动测量所涉及的器件进行现场安装，因而本发明安装效率得到了很大的提高；本发明将松动测量所涉及的器件均组装在螺纹结构上，可以给螺纹结构施加一定的压力，在一定程度上避免了螺纹结构出现松动。

事实上，不仅仅是螺纹结构松动，螺纹结构所在螺纹孔若出现裂缝或增大也会对机械结构带来巨大的安全隐患。为了对螺纹孔出现裂缝或增大后，螺纹结构可能出现的径向移动进行监测，本发明对螺纹结构松动测量装置做了进一步设计。结合图1和图2所示，所述螺纹结构5在未出现松动的初始状态下，所述顶盖4位于所述弹簧2内，且在竖直方向上至少部分与所述弹簧2重合，所述顶盖4朝对应方向倾斜，挤压所述弹簧2上的对应位置，使所述弹簧4上对应光纤位置处的应变发生突变；所述顶盖4在所述第一竖直方向上，发生与所述螺纹结构5同步的螺旋移动，所述底板6以及其上套筒1发生所述第二竖直方向上的螺旋移动，以使所述顶盖4在所述第一竖直方向上螺旋移动过程中，始终会去挤压所述弹簧2的对应位置，从而使所述光纤段上始终存在对应的应变突变。

在螺纹结构未出现松动时，若同样螺纹结构未发生径向位移，则光纤段上的应变分布情况为初始应变分布状态，且顶盖的倾斜方向一定，对应地顶盖挤压的弹簧上的位置一定，光纤段上发生应变突变的位置一定；但若此时螺纹结构发生径向位移，则顶盖相对于弹簧的挤压方位可能发生变化，从而使光纤段上的应变突变位置发生变化，因此在螺纹结构未出现松动时，可以根据光纤段上应变突变的位置变化来确定螺纹结构是否发生径向位移。

由于螺纹结构在未出现松动时，顶盖位于弹簧内且在竖直方向上与弹簧重合，且顶盖会随着螺纹结构同步螺旋移动，套筒会随着与螺纹结构匹配的螺母同步螺旋移动，在螺旋转动过程中顶盖的倾斜方向与套筒的倾斜方向正好相反，因此即便在螺纹结构出现松动时，在顶盖和套筒螺旋移动过程中，顶盖也会始终去挤压弹簧上的对应位置，也就是说，即便在螺纹结构出现松动的情况下，也可以保证光纤段上存在应变突变。当螺纹结构出现松动时，光纤段上的应变分布情况会发生变化，不再是初始应变分布，若此时螺纹结构未发生径向位移，则光纤段上应变突变的位置和大小是固定的，即，螺纹结构出现松动时，光纤段上应变分布情况与应变突变位置、大小呈相互对应关系；由于螺纹结构发生径向位移的原因往往是螺纹孔出现裂缝或螺纹孔增大等，因此当螺纹结构出现松动时，顶盖沿第一竖直方向螺旋移动过程中，顶盖的倾斜程度会加剧，对应地光纤段上应变突变的大小会增大，因此在螺纹结构出现松动时，可以根据光纤段上应变突变的大小来确定螺纹结构是否发生径向位移。

由此可见，本发明可以根据所述光纤段的应变分布情况以及应变突变位置、应变突变大小，确定所述螺纹结构是否出现松动以及是否发生了径向位移。其中，可以按照以下步骤确定所述螺纹结构是否出现松动以及是否发生了径向位移：

步骤S100、判断所述光纤段的应变分布是否为所述螺纹结构未松动时对应的初始应变分布，若是，则表示螺纹结构未出现松动，则执行步骤S200，否则，表示所述螺纹结构出现了松动，执行步骤S300，判断所述螺纹结构是否发生了径向位移；

步骤S200、判断所述光纤段上应变突变位置是否发生变化，若是，则确定所述螺纹结构未出现松动，但发生了径向位移，否则，表示所述螺纹结构既未出现松动，也未发生径向位移；

步骤S300、确定出所述螺纹结构在仅出现松动，未发生径向位移时，与测量到的所述光纤段的应变分布情况对应的应变突变大小，判断测量到的应变突变大小是否与该确定的应变突变大小相等，若相等，则表示螺纹结构仅出现了松动，未发生径向位移，否则，则表示螺纹结构既出现了松动，又发生了径向位移。本发明中无论在螺纹结构出现松动，还是未出现松动，顶盖都会始终对弹簧的对应位置进行挤压，从而使光纤段上始终存在应变突变，通过引入应变突变，不仅可以对螺纹结构的松动情况进行测量，还可以对螺纹结构是否发生径向位移进行监测。为了使所述光纤段上的应变突变更加明显，本发明中所述顶盖4的径向尺寸可以大于该螺纹结构5的径向尺寸，该径向处于水平方向。需要注意的是：当前螺纹结构对应的所述光纤段的另一端从所述套筒的通孔中穿出后，通过所述光纤中的连接段与下一螺纹结构对应的光纤段连接，由此本发明利用一根光纤就可以对多个螺纹结构的松动情况进行测量。

另外，如图2所示，本发明螺纹结构松动测量装置还可以包括垫圈8，所述垫圈8位于所述螺纹结构5与底板6之间，初始状态下，利用所述支撑件7(即上述螺母)将所述垫圈8压紧在所述底板6与螺纹结构5之间，所述垫圈8用于避免所述螺纹结构5未松动时发生径向位移。本发明螺纹结构松动测量装置还可以包括底座9和套筒帽10，所述套筒1的上下两端为开口，所述套筒1的下端与所述底座9螺纹连接，所述底座9固定在所述底板6上；所述套筒1的上端与套筒帽10螺纹连接。本发明将套筒设置为上下两端为开口的结构，其上端与套筒帽螺纹连接，下端与底座螺纹连接，套筒帽可以防止灰尘、雨水等落入套筒内，且可拆卸式设计，便于套筒内组件安装且便于后续组件维护。此外，所述紧固件41均匀分布在所述顶盖4的顶端周边；所述顶盖4的底端开设有与所述螺纹结构5顶端匹配的容置槽42。本发明在顶盖的顶端设置有多个紧固件且使紧固件均匀分布在顶盖的顶端周边，弹簧2中与该紧固件连接的上端，可以依次穿过各个紧固件进行固定，以保证弹簧随顶盖的转动而发生形变。

在一个例子中，螺纹结构可以为螺栓5，结合图4、图5(a)和(b)所示，该套筒1可以为上下端为开口的圆柱体，其内侧设有上螺纹12、位于中间的螺旋凹槽11以及下螺纹13，且其侧壁上开设有第一通孔14和第二通孔15，其中套筒1通过上螺纹12与套筒帽10螺纹连接，套筒帽10的结构如图6、图7(a)和(b)所示，该套筒帽10的上端封闭，下端设有外螺纹101，用于与套筒1的上螺纹12螺纹连接。套筒1的下螺纹13与底座9螺纹连接，底座9的结构如图8、图9(a)和(b)所示，该底座9可以为圆柱体且上下端为开口，其侧壁上设有外螺纹91，用于与套筒1的下螺纹13螺纹连接，且该底座9上两相对侧分别延伸出固定块92，该固定块92上设有通孔，对应地在底板6上也设有通孔。底板6的结构如图10、11(a)和(b)所示，该底板6上开设有中间通孔61以及位于中间通孔61两侧且相对设置的侧通孔62，底座9中固定块92上的通孔分别与对应侧通孔62对准后，利用固定件，就可以将底座9固定在底板6上，底板6上的中间通孔61，用于使螺纹结构从套筒1中穿出。此外，顶盖4的结构如图12、图13(a)和(b)所示，顶盖4为圆柱体，在其上端周边均匀布设有6个紧固件41，其下端开设有六角形的容置槽42，以与螺栓5的螺帽形状匹配，将设有光纤段的弹簧2置于套筒1的螺纹凹槽11内后，先向底板6的上表面放置垫圈8，再将螺栓5依次通过底板6上的垫圈8和中间通孔61穿出，将螺栓5穿入螺母7内，旋转螺栓5或螺母7，使螺栓5将其与底板6之间的垫圈8压紧。此后，将螺栓5的螺帽置于顶盖4的容置槽41内。其中，垫圈8的结构如图16所示，其可以为圆环形，螺母的结构如图14、图15(a)和(b)所示，其可以为M48螺母。

此外，顶盖4上紧固件41的结构可以如图17所示，每个紧固件都由两相对设置的片状结构411组成，两片状结构411的相对侧设有至少一个凹槽对412，用于夹持弹簧2的一端，两片状结构411上还开设有固定通孔413，弹簧2穿过两片状结构之间的其中一个凹槽对412后，将固定件依次穿过两片状结构411上的固定通孔413，对两片状结构411进行固定，从而对两片状结构411之间的弹簧2进行固定。其中，在将光纤段布线在弹簧上时，可以采用热缩的方式，将弹簧钢丝和光纤段均置于热缩管，热缩管热缩后弹簧钢丝和光纤段便会紧密贴合在一起。

另外，本发明还提供一种基于分布式光纤传感的螺纹结构松动测量系统，如图18所示，该系统可以包括第一耦合器、环形器、光电探测器、数据采集单元、数据处理单元以及多个上述基于分布式光纤传感的螺纹结构松动测量装置，光纤贯穿各个螺纹结构松动测量装置，其中每个所述松动测量装置中光纤段的另一端都通过连接段与下一松动测量装置中的光纤段连接；所述第一耦合器的两输出端分别与环形器的第一端、光电探测器连接，所述环形器的第二端连接所述光纤，第三端连接该光电探测器，所述光电探测器的输出端通过该数据采集单元连接该数据处理单元；所述第一耦合器将输入的测量光信号分成两路，第一路作为探测光通过所述环形器传输给所述光纤，所述光纤在接收到所述探测光后，产生散射光并通过该环形器将所述散射光传输给所述光电探测器；第二路作为本振光传输给所述光电探测器；所述光电探测器将所述散射光和本振光转换为电信号；所述数据采集单元将采集到的所述电信号发送给所述数据处理单元，所述数据处理单元根据所述电信号，确定所述光纤段的应变分布变化情况，从而确定所述螺纹结构的松动情况。

其中，在基于相位敏感型光时域反射仪进行应变分布测量时，该系统还可以包括脉冲调制器和第二耦合器，所述脉冲调制器设置在所述第一耦合器的一输出端与该环形器的第一端之间，所述环形器的第三端、第一耦合器的另一输出端分别连接所述第二耦合器的两输入端，所述第二耦合器的输出端连接所述光电探测器；同样地，所述第一耦合器将测量光信号分成两路，所述脉冲调制器用于将所述第一路测量光信号调制成脉冲光，再将所述脉冲光作为探测光，通过该环形器传输给所述光纤；所述光纤在接收到所述探测光后，产生散射光并通过该环形器将所述散射光传输给所述第二耦合器，所述第一耦合器将所述本振光传输给所述第二耦合器，所述第二耦合器将所述散射光和本振光传输给所述光电探测器，由所述光电探测器转换成电信号；所述数据处理单元根据所述数据采集单元采集到的电信号，通过希尔伯特变换、解缠绕、旋转矢量求和方法抑制相干衰落、相位差分算法，确定所述光纤段的应变分布变化情况，从而确定所述螺纹结构的松动情况。本发明基于相位敏感型光时域反射仪进行应变分布测量，可以大大提高分布式传感距离，从而可以实现对大量螺纹结构的松动情况进行同时测量。

在基于光频域反射仪进行应变分布测量时，如图20所示，该系统还可以包括第三耦合器C3、第四耦合器C4、第五耦合器C5、偏振分集接收器和偏振控制器PC，所述光电探测器包括第一光电探测器PC1、第二光电探测器PC2和第三光电探测器PC3，其中所述第三耦合器C3的输入端连接激光器TSL，两输出端分别与该第一耦合器C1和第四耦合器C4的输入端连接，所述第一耦合器C1的一输出端通过偏振控制器PC与该偏振分集接收器的第一端连接，另一输出端与所述环形器的第一端连接，所述环形器的第二端连接所述光纤FUT，第三端与该偏振分集接收器的第二端连接，所述偏振分集接收器的两输出端分别与所述第三光电探测器PD3和第二光电探测器PD2连接；所述第四耦合器C4的一输出端通过延迟光纤DF与第五耦合器C5的第一输入端连接，另一输出端与该第五耦合器C5的第二输入端连接，所述第五耦合器C5的输出端连接第一光电探测器PD1；所述第三光电探测器PD3、第二光电探测器PD2和第一光电探测器PD1分别连接数据采集单元DAQ。

所述第三耦合器C3将测量光信号分成两路，一路传输给所述第一耦合器C1，另一路传输给所述第四耦合器C4，所述第一耦合器C1将其接收到的测量光信号分成两路，第一路作为探测光通过该环形器传输给所述光纤FUT，所述光纤FUT在接收到所述探测光后，产生散射光并通过该环形器将所述散射光传输给所述偏振分集接收器；所述第一耦合器C1将第二路测量光信号作为本振光通过该偏振控制器PC传输给所述偏振分集接收器；所述散射光和本振光经所述偏振分集接收器后，产生两路拍频干涉信号，所述两路拍频干涉信号分别传输给所述第三光电探测器PD3和第二光电探测器PD2，被所述第三光电探测器PD3和第二光电探测器PD2转换为第一电信号和第二电信号；所述第四耦合器C4将其接收到的测量光信号分成两路，第一路通过该延迟光纤DF传输给所述第五耦合器C5，第二路直接传输给所述第五耦合器C5，第二路测量光信号和经延迟处理的第一路测量光信号在所述第五耦合器C5处发生干涉，产生一路拍频干涉信号，所述第一光电探测器PD1将该路拍频干涉信号转换为第三电信号；

所述数据处理单元利用所述数据采集单元采集到的所述第三电信号对采集到的所述第一电信号和第二电信号进行光源非线性补偿，此后通过发生形变前后参考组和测量组信号的互相关运算获得所述散射光的波长漂移量，基于波长漂移量与应变变化成正比，确定所述光纤段的应变分布变化情况，从而确定所述螺纹结构的松动情况。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来管制。

Claims (10)

1.一种基于分布式光纤传感的螺纹结构松动测量装置，其特征在于，包括套筒、弹簧、光纤、顶盖和螺纹结构，所述光纤中对应光纤段沿所述弹簧走向，布线在该弹簧上，所述套筒内设有螺旋凹槽，所述弹簧竖直设于与其匹配的所述螺旋凹槽内，且其上端与所述顶盖上的紧固件固定连接，所述光纤段的一端从所述套筒的通孔中穿出，用于接收测量光信号，所述套筒由支撑件对其进行支撑，所述顶盖和螺纹结构位于所述套筒内且所述顶盖位于所述螺纹结构之上；所述螺纹结构在出现松动、螺旋转动时，带动所述顶盖相对于所述套筒发生第一竖直方向上的移动，从而带动所述弹簧发生形变；

根据所述光纤段接收到所述测量光信号后返回的反射信号，确定所述螺纹结构的松动情况。

2.根据权利要求1所述的基于分布式光纤传感的螺纹结构松动测量装置，其特征在于，所述弹簧发生形变时，对应地所述弹簧上的光纤段的应变分布发生变化；根据所述光纤段接收到所述测量光信号后返回的反射信号，确定所述螺纹结构的松动情况包括：根据所述光纤段接收到所述测量光信号后返回的反射信号，确定所述光纤段的应变分布变化情况，从而确定所述螺纹结构的松动情况。

3.根据权利要求2所述的基于分布式光纤传感的螺纹结构松动测量装置，其特征在于，还包括底板，所述套筒固定在所述底板上，所述螺纹结构穿过所述底板，从所述套筒内伸出；所述支撑件为螺母，所述螺母位于所述底板之下，与所述螺纹结构螺纹连接，且其上表面与所述底板抵接固定，所述螺母用于支撑所述套筒；所述螺纹结构在出现松动、螺旋转动时，带动所述顶盖发生所述第一竖直方向上的移动，所述螺母在所述底板以及其上套筒的重力作用下发生第二竖直方向上的移动，从而带动所述底板以及其上套筒发生所述第二竖直方向上的移动，其中所述第一竖直方向与第二竖直方向相反。

4.根据权利要求3所述的基于分布式光纤传感的螺纹结构松动测量装置，其特征在于，所述螺纹结构在未出现松动的初始状态下，所述顶盖位于所述弹簧内，且在竖直方向上至少部分与所述弹簧重合，所述顶盖朝对应方向倾斜，挤压所述弹簧上的对应位置，使所述弹簧上对应光纤位置处的应变发生突变；

所述顶盖在所述第一竖直方向上，发生与所述螺纹结构同步的螺旋移动，所述底板以及其上套筒发生所述第二竖直方向上的螺旋移动，以使所述顶盖在所述第一竖直方向上螺旋移动过程中，始终会去挤压所述弹簧的对应位置，从而使所述光纤段上始终存在对应的应变突变。

5.根据权利要求4所述的基于分布式光纤传感的螺纹结构松动测量装置，其特征在于，当前螺纹结构对应的所述光纤段的另一端从所述套筒的通孔中穿出后，通过所述光纤中的连接段与下一螺纹结构对应的光纤段连接。

6.根据权利要求3至5中任意一项所述的基于分布式光纤传感的螺纹结构松动测量装置，其特征在于，还包括垫圈，所述垫圈位于所述螺纹结构与底板之间，初始状态下，利用所述支撑件将所述垫圈压紧在所述底板与螺纹结构之间，所述垫圈用于避免所述螺纹结构未松动时发生径向位移。

7.根据权利要求6所述的基于分布式光纤传感的螺纹结构松动测量装置，其特征在于，还包括底座和套筒帽，所述套筒的上下两端为开口，所述套筒的下端与所述底座螺纹连接，所述底座固定在所述底板上；所述套筒的上端与所述套筒帽连接；

所述紧固件均匀分布在所述顶盖的顶端周边；所述顶盖的底端开设有与所述螺纹结构顶端匹配的容置槽。

8.根据权利要求4所述的基于分布式光纤传感的螺纹结构松动测量装置，其特征在于，根据所述光纤段的应变分布情况以及应变突变位置、应变突变大小，确定所述螺纹结构是否出现松动以及是否发生了径向位移。

9.根据权利要求8所述的基于分布式光纤传感的螺纹结构松动测量装置，其特征在于，按照以下步骤确定所述螺纹结构是否出现松动以及是否发生了径向位移：

步骤S100、判断所述光纤段的应变分布是否为所述螺纹结构未松动时对应的初始应变分布，若是，则表示螺纹结构未出现松动，则执行步骤S200，否则，表示所述螺纹结构出现了松动，执行步骤S300，判断所述螺纹结构是否发生了径向位移；

步骤S200、判断所述光纤段上应变突变位置是否发生变化，若是，则确定所述螺纹结构未出现松动，但发生了径向位移，否则，表示所述螺纹结构既未出现松动，也未发生径向位移；

步骤S300、确定出所述螺纹结构在仅出现松动，未发生径向位移时，与测量到的所述光纤段的应变分布情况对应的应变突变大小，判断测量到的应变突变大小是否与该确定的应变突变大小相等，若相等，则表示螺纹结构仅出现了松动，未发生径向位移，否则，则表示螺纹结构既出现了松动，又发生了径向位移。

10.根据权利要求8或9所述的基于分布式光纤传感的螺纹结构松动测量装置，其特征在于，所述顶盖的径向尺寸大于该螺纹结构的径向尺寸，该径向处于水平方向。

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