CN204807129U - 光纤光栅应力、应变和温度检测螺栓 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种光纤光栅应力、应变和温度检测螺栓；方案是，包括螺栓，螺栓的一端沿其轴向开有监测孔，监测孔内固定有应力监测光纤光栅的一端和温度监测光纤光栅的一端，所述应力监测光纤光栅和温度监测光纤光栅的另一端均伸出到通孔外且两者在监测孔内呈两点固定，应力监测光纤光栅的中间部分固定在通孔呈拉直状，温度监测光纤光栅呈弯曲状；本实用新型电绝缘性能好，抗电磁干扰能力强，非侵入性，高灵敏度，容易实现对被测试信号的远距离监控，耐腐蚀，防爆，光路有可挠曲性，便于与计算机联接。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种连接螺栓，尤其是一种能同时测量连接应力和温度双参数的螺栓。
背景技术
螺栓是一种各种结构件的基本连接装置，是风机基座、盾构设备、高铁设备等很多大型设备的必备器件。由于受各种原因，可能导致螺栓发生松动或断裂失效，从而发生严重事故。受力状态不同，螺栓的实效形式也不同。受拉螺栓的损坏多为塑性变形和断裂；变载荷螺栓多为疲劳断裂，受剪切螺栓多为被剪断。若安装扭矩不够会发生松动，而扭矩太大会使螺栓在超载情况下断裂。因此，及时发现松动螺栓及实时监测连接螺栓应力，对于连接具有严格要求的工况具有十分重要的意义。
现常用的检测连接应力的装置主要是螺栓杆部开槽均布应变片。此操作复杂，不易加工，而且应变片容易污染和干扰，而且另外还需要安装温度传感器来消除温度的影响。
光纤传感器的优点是与传统的各类传感器相比，光纤传感器用光作为敏感信息的载体，用光纤作为传递敏感信息的媒质，具有光纤及光学测量的特点，有一系列独特的优点。电绝缘性能好，抗电磁干扰能力强，非侵入性，高灵敏度，容易实现对被测信号的远距离监控，耐腐蚀，防爆，光路有可挠曲性，便于与计算机联接。实验表明，光纤测试的载荷-应变曲线比应变片测试的线性度高。而且由于光纤布拉格光栅检测的是反射全光谱中的某波长光谱，所以可以通过波分复用技术实现任意规模的组网，从而进行大范围的监控测量多个参数。
因此该技术在航天、航海、石油开采、电力传输、核工业、医疗和科学研究等众多领域都得到了广泛的应用。
光纤光栅的基本原理：光纤光栅是利用光纤材料的光敏性,在纤芯内形成空间相位光栅,其作用是在纤芯内形成一个窄带的滤波器或反射器，利用这一特性可构成许多性能独特的光纤无源器件。其光栅周期与折射率调制深度均为常数，光栅波矢方向与光纤轴线一致。光纤光栅的布拉格波长与它在的环境参数有密切关系，如温度和应力对该波长影响较大，当光栅所处区域的温度或者应力发生变化时，波长就发生相应的改变，通过对该变化情况监测，可获得传感器安装所在区域的应力和温度。由于光栅对这两个参数比较敏感，这样通过单一的光栅波峰变化的监测是无法区分温度和应力两个参量。这种交叉敏感影响着光栅在传感器技术中的应用。
实际应用中为了消除温度和应力的相互影响，许多研究者已经做了一些工作。我们提出一种做传感器的方法，采用波分复用的技术，在同个传感器中分布两个布拉格光栅，两光栅之间具有一定的波长差值，通过机械结构的设计消除两者之间的影响，同时又能同时监测到应变和温度两个参数。
P201320030990.4涉及一种螺栓，把应变片嵌入到螺栓中，螺栓可以完成连接和监测应力这两种功能。实际环境中，温度的高低对该应力的大小也有一定的影响，而且应变片精度不高，从而降低了监测的精度。
实用新型内容
针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本实用新型之目的就是提供一种光纤光栅应力、应变和温度检测螺栓。
本实用新型的技术方案是，包括螺栓，螺栓的一端沿其轴向开有监测孔，监测孔内固定有应力监测光纤光栅的一端和温度监测光纤光栅的一端，所述应力监测光纤光栅和温度监测光纤光栅的另一端均伸出到通孔外且两者在监测孔内呈两点固定，应力监测光纤光栅的中间部分固定在通孔呈拉直状，温度监测光纤光栅呈弯曲状。
本实用新型电绝缘性能好，抗电磁干扰能力强，非侵入性，高灵敏度，容易实现对被测试信号的远距离监控，耐腐蚀，防爆，光路有可挠曲性，便于与计算机联接。
附图说明
图1为本实用新型应力螺栓装配图。
图2为本实用新型应力螺栓加工主视图。
图3为图2的右视图。
图4为本实用新型应力螺栓成品图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细说明。
如图1至图4所示，本实用新型包括螺栓4，螺栓4的一端沿其轴向开有监测孔19，监测孔19内固定有应力监测光纤光栅102的一端和温度监测光纤光栅101的一端，所述应力监测光纤光栅102和温度监测光纤光栅101的另一端均伸出到监测孔19外且两者在监测孔19内均呈两点固定，应力监测光纤光栅102的两个固定点之间的部分呈拉直状，温度监测光纤光栅101的两个固定点之间呈弯曲状。
所述应力监测光纤光栅102和温度监测光纤光栅101分别在监测孔19内靠近监测孔19的端部处固定，构成两点固定的结构。
所述应力监测光纤光栅102的两个固定点和温度监测光纤光栅101的两个固定点上经速干胶10固定。
所述监测孔19为孔心与螺栓4的轴心相重合的通孔，所述应力监测光纤光栅102和温度监测光纤光栅101的自由端分别置于监测孔19相对的两端外部。
所述螺栓4的轴向中部外缘上开设有与监测孔19相连通的注胶孔16。
所述螺栓4两端沿着螺栓轴向分别开有与监测孔相通的注胶槽17，所述注胶槽17内注入有用来固定光纤光栅的速干胶10。
所述注胶槽17沿着螺栓4轴向向外的监测孔19内开有螺纹槽18，所述螺纹槽18内旋拧有护线接头3，所述护线接头3自由端部上固定有柔性护线套2，光纤光栅经护线接头3和柔性护线套2内穿出，柔性护线套2用来保护光纤光栅。
所述监测孔19的直径为3-5mm。
所述螺栓4长度大于40mm。
根据所述注胶孔16的孔径为3mm，用以注入速干胶10固定光纤光栅。
设备由光纤光栅、护线套2、护线接头3、螺栓4、弹簧垫圈5、平垫6、连接件7和8及固定螺母9组成。螺栓4内部加工有监测孔19，布拉格光纤光栅嵌入到螺栓内部，且该光栅通过速干胶胶粘接与螺栓4内部，光纤一头伸出到螺栓4外面，经护线接头3过度后有护线套2进行保护；
所述的光栅为布拉格光纤光栅，且为两段，即应力监测段和温度监测段，用来监测连接应力和温度；
所述的两光栅区段具有一定的布拉格波长差值，采用波分复用技术，通过光解调仪解调光信号，将光信号转换为电信号传送给远程的监控主机的数据处理单元；所述的数据处理单元采集到布拉格波长的变化值Δλ1，将应力波长变化Δλ1通过应力敏感系数kp转换成应变值ε，通过公式P＝E×S×ε计算得出连接的应力值，将波长变化Δλ2通过温度敏感系数kT转换得到温度值T。
参照图1应力螺栓装配所示，本实用新型同时测量应变、应力和温度的螺栓4，通过平垫6、弹簧垫圈5和固定螺母9将被连接件7和8固定在一起。光栅选择为3500个微应变，两光栅波峰具有一定的差值。详细来说，待螺栓4加工完成后如图2和图3所示，把准备好的光纤光栅由监测孔19穿入螺栓4，且进行一定的预紧，预紧后的光纤波长增大1000pm左右，且应保证应力光栅区和温度光栅区分别布置在区域11(两个固定点之间的距离，即同一个光纤光栅上两处经速干胶固定点之间的距离)或12(两个固定点之间的距离，即同一个光纤光栅上两处经速干胶固定点之间的距离)以内，区域11和12的长度应大于15mm，且两光栅之间的距离要大于5mm。
所述的应力光栅区与温度光栅区和区域11与12并无一一对应的关系，任一光栅区都可随意安排封装在11或12以内。
所述的应力光栅区在封装后应有一定的预紧力，而温度光栅区的温度监测光纤光栅101在封装后应是弯曲状态，螺栓4预紧连接后温度监测光纤光栅101仍处于弯曲状态，则，该光栅测得的波长变化就剔除了应变的影响，测得的波长完全为温度变化ΔT影响下的波长。
预紧后应力光栅区的应力监测光纤光栅102两端的监测孔内注入适量的速干胶10，等待1分钟左右撤掉预紧装置，使应力光栅区的应力监测光纤光栅102在孔内处于拉直状态，然后向最后一个封胶区域(即自注入孔16)内注入速干胶。
参照图2应力螺栓加工主视图所示，螺栓4总长度13应大于40mm，螺栓4内部监测孔19直径在3-5mm以内，螺栓4中部垂直于螺栓开有盲孔(即注胶孔16)，孔径为3mm左右，用于向监测孔内注入速干胶10；监测孔19的两端做开孔(即注胶槽17)，待光纤光栅距离调整且预紧后在注胶槽17内注入速干胶10，螺栓4出纤一段加工螺纹孔18，用于上紧护线接头3，护线套2套在护线接头3上来保护光纤。
注入的速干胶10为丙烯酸酯类速干胶，具体牌号可以为496、495、AB胶等，胶水粘度在1500-3000psi之间，并不是特定的某种速干胶。注入时，胶水量要适量，弯曲的温度光栅不能粘接胶水。
所述的螺栓4，其出纤连接光解调仪解调光信号，将光信号转换为电信号传送给远程的监控主机的数据处理单元；所述的数据处理单元采集到布拉格波长的变化值Δλ1，将应力波长变化Δλ1通过应力敏感系数kp转换成应变值ε，通过公式P＝E×S×ε计算得出连接的应力值，将波长变化Δλ2通过温度敏感系数kT转换得到温度值T。
所述的螺栓4可以单端出纤也可以两端出纤，并没有规定具体在哪一端出纤，在任何一端出纤都在本实用新型的保护范围。
以上所述实例为本实用新型的较佳实例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容作出些许简单修改、等同变化或修士，均落在本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种光纤光栅应力、应变和温度检测螺栓，包括螺栓（4），其特征在于，螺栓（4）的一端沿其轴向开有监测孔（19），监测孔（19）内固定有应力监测光纤光栅（102）的一端和温度监测光纤光栅（101）的一端，所述应力监测光纤光栅（102）和温度监测光纤光栅（101）的另一端均伸出到监测孔（19）外且两者在监测孔（19）内均呈两点固定，应力监测光纤光栅（102）的两个固定点之间的部分呈拉直状，温度监测光纤光栅（101）的两个固定点之间呈弯曲状。
2.根据权利要求1所述的光纤光栅应力、应变和温度检测螺栓，其特征在于，所述应力监测光纤光栅（102）和温度监测光纤光栅（101）分别在监测孔（19）内靠近监测孔（19）的端部处固定，构成两点固定的结构。
3.根据权利要求1所述的光纤光栅应力、应变和温度检测螺栓，其特征在于，所述应力监测光纤光栅（102）的两个固定点和温度监测光纤光栅（101）的两个固定点上经速干胶（10）固定。
4.根据权利要求1所述的光纤光栅应力、应变和温度检测螺栓，其特征在于，所述监测孔（19）为孔心与螺栓（4）的轴心相重合的通孔，所述应力监测光纤光栅（102）和温度监测光纤光栅（101）的自由端分别置于监测孔（19）相对的两端外部。
5.根据权利要求1所述的光纤光栅应力、应变和温度检测螺栓，其特征在于，所述螺栓（4）的轴向中部外缘上开设有与监测孔（19）相连通的注胶孔（16）。
6.根据权利要求1所述的光纤光栅应力、应变和温度检测螺栓，其特征在于，所述螺栓（4）两端沿着螺栓轴向分别开有与监测孔相通的注胶槽（17），所述注胶槽（17）内注入有用来固定光纤光栅的速干胶（10）。
7.根据权利要求6所述的光纤光栅应力、应变和温度检测螺栓，其特征在于，所述注胶槽（17）沿着螺栓（4）轴向向外的监测孔（19）内开有螺纹槽（18），所述螺纹槽（18）内旋拧有护线接头（3），所述护线接头（3）自由端部上固定有柔性护线套（2），光纤光栅经护线接头（3）和柔性护线套（2）内穿出。
8.根据权利要求7所述的光纤光栅应力、应变和温度检测螺栓，其特征在于，所述监测孔（19）的直径为3-5mm。
9.根据权利要求1所述的光纤光栅应力、应变和温度检测螺栓，其特征在于，所述螺栓（4）长度大于40mm。
10.根据权利要求5所述的光纤光栅应力、应变和温度检测螺栓，其特征在于，根据所述注胶孔（16）的孔径为3mm。
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| CN108802899A (zh) * | 2018-06-01 | 2018-11-13 | 珠海光库科技股份有限公司 | 合束器、监控系统及其监控方法 |
| CN109632006A (zh) * | 2019-01-11 | 2019-04-16 | 重庆大学 | 一种无线智能螺栓及在线监测系统 |
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