TW201606206A - 預設頸縮孔的光纖感測螺栓結構 - Google Patents

Abstract

本發明預設頸縮孔在光纖感測螺栓上，可以提高應變靈敏度。因光纖光柵內置於較大直徑螺栓後，其彈性模數變大，使依靠光纖光柵受軸向應力引起的相對應變感度降低，不利於全系統檢測靈敏度。藉由預設頸縮孔孔徑大小的選擇，符合所需應變區寬度，另可因較大直徑螺栓可加裝同一位置溫度補償光纖光柵，獲得更精確應變值。

Description

預設頸縮孔的光纖感測螺栓結構

本發明係有關於一種光纖感測螺絲作為緊扣件物理特性之應變量感度提高的裝置，且更具體而言，係直接預設放大感應區在感測緊扣作用力的軸向應力感測點，調整改變其截面積並預作一降伏強度線性作用的另一較低彈性模數，來提高量測應變的感度及精確度技術。

先前將一具有布拉格光柵週期長Λ，光纖有效折射率n，布拉格波長λ_B的光纖光柵FBG裝入螺絲內而成為光纖感測螺絲結構的智能工程感測器。光纖光柵FBG是利用同調雷射在光纖上曝光，以造成被照射段折射率永久改變，並成為該段折射率具有明暗週期性條紋間距Λ的光纖，因而稱為光纖光柵(Fiber Grating)。又稱為光纖布拉格光柵FBG(Fiber Bragg Grating)，它是利用布拉格繞射(Bragg Diffraction)所產生的回授作用，將滿足布拉格條件(Bragg condition)特定波長λ_B與射入方向相反方向地回授回來。此λ_B波長稱為布拉格波長，以下式表示：λ_B=2nΛ (1)

Λ為布拉格光柵週期長，n為光纖有效折射率，當光纖光柵受到外力產生應變時，造成原本Λ間距的改變量為△Λ，代入式(1)可得△λ_B=2n△Λ (2)

依應變定義，且設1為受力體即感測螺絲標距長度，△1為受力變化長度，若光纖光柵完全與受力螺絲緊密貼合，ε=△1/1=△Λ/Λ (3)螺栓受力應變長△1可比例同步由其內之光柵應變長△Λ求得△1=(△Λ/Λ)1=(△λ_B/2n)/(λ_B/2n)1因此以螺絲緊固位置的應變ε，和內置緊密貼合光纖光柵應變相同，由式(3)ε=△1/1=△Λ/Λ，可得ε=△1/1=△Λ/Λ=△λ_B/λ_B (6)因△λ_B可由射入光纖光柵的波長變化方便且精密地測出，此一優點是機械應變感測，可由光學元件應變波長技術直接精確求得。是當今機械結構結合電阻電路升級為光學網路應用的利器。

先前使用光纖感測螺絲結構量測時，發現三大問題：問題一、在習知己由發明人在中華民國發明專利申請案號102121672『可同步預拉緊光纖光柵與螺栓的感測螺絲裝置』將一單芯擴充到做特定功能應變量測的軸對稱式雙或四條光纖光柵感測功能導入螺絲結構體內時，為了於螺栓頭尾兩端能具有多芯光纖固定的裝置而必須採用大直徑螺栓的感測螺絲。因而線徑較大形成較大的截面積，致使螺栓彈性模數變大。因此其應變感測靈 敏度相較於原本使用單芯光纖的小線徑感測螺絲時為低。此項缺點往往造成量測結構必須遭受較大應力之施作下始能感測得到，而失去由平常微小應變所累積歷史性潛變可分析資料的預先反應機會。

問題二、在精密位置控制要求很高的機械結構，使用螺絲連接機械元件或電機元件鎖緊，以達到精密產品製造功能的控制作用，是當今自動化製程常有的情形。現今智能工程上的一項感測螺絲裝置利用自身表面增長圓形旋轉斜面摩擦力的物理學和數學原理，循螺道軌跡緊固兩件或多件物体。而此螺絲緊固組合達成高強度連接、抗扭力斷裂、抗沖擊鬆脫或斷裂、耐鎖緊磨損及可重複使用目的。因此利用螺絲的扣接兩物體橋接點，必是兩物體物理特性傳導：例如重力連續支撐、作用力和反作用力的能量接續傳導、溫度熱力傳導…等作用的物理能量激烈作用之所在，亦即具有敏感的溫度變化處。若使用內置光纖光柵做成光纖感測螺絲的應變量測，必先扣除光柵受溫度影響引起的自身膨漲或冷縮長度變化，始能取得真正因光纖光柵受結構應變產生的實際量化數值。習知以光纖感測螺絲結構的量測技術，通常在光纖感測螺絲所連接材料或金屬結構附近貼上一支不受應力影響的光纖光柵做參考溫度來解決。但許多精密位置控制要求很高、精密溫度控制分布要求又不相同、工作溫度區域不同或螺絲連接處震動頻率不同…等各種的智能機械結構所使用的光纖感測螺絲作應變監測，若以其外之附近參考溫度的光纖光柵去扣除光纖感測 螺絲內自身受溫度變化的修正，己造成許多控制失誤的缺點。

問題三、因在快速震動的動態量測時，多芯光纖感測螺絲結構的感測光纖的玻璃材料受應力的應變反應曲線，和感測螺絲結構的金屬材料受應力的應變反應曲線不同；光纖的玻璃材料受應力的應變反應曲線稍有應變延滯現象。以上的三大缺點必需加以解決。

螺絲在擔當一緊固受力方向應力時，是以此一螺絲截面積所可接受的抗拉力強度的設計，作為此緊固點最高應力承受的安全值做考量。當然地，一組螺絲在擔當一組緊固受力同一方向應力時，是以此一整組多數螺絲總截面積所可接受的總強度(例如總降伏強度與總抗拉強度)的設計，作為此一群組緊固點最高總應力承受的安全值來做工程組裝製造的考量。由於螺栓拉伸強度測試在最高施力處所得應力，亦即在工程應力-應變曲線上之最高應力施加下，在許多延性材料，變形並不均勻及變形位置並不固定。在應力施加在延性材料的某一區域的變形較其他區域大，使得橫截面積產生大幅的局部縮減位置，此即頸縮(Neck)，頸縮是一個區域。由於頸縮位置因各延性材料之加工或製程無法一致性掌握，常致變形不均勻或變形位置並不確定，亦即頸縮區域無法準確預測。

一拉伸試驗產生頸縮的行為，必發生於超越降伏強度及抗拉強度後的塑性變形極限。避免任何頸縮區域代表性一截 面積縮小前的塑性變形，首先要限制延性材料的應力施加，要維持在降伏強度承受範圍內。在任一施力導致頸縮出現後，若施力持續加大；則很少會出現第二個頸縮區域。因出現第一頸縮區域已縮小的截面積會因表面張力在頸縮位置的更集中，而更縮小頸縮區域的表面積，及至完全斷裂。

應用相同的螺栓拉伸試驗，舉一於螺栓中間位置且垂直於軸心方向鑽一圓孔，形成螺栓內有一中空正交圓柱通過的螺栓結構來進行多次測試。無論是任何直徑的正交圓孔，發現在其超越抗拉強度的測試，每次拉斷都發生在此種鑽孔處，且其頸縮區域皆在其中空圓柱上緣與螺栓直交所剩弓形截面的位置以致從此處斷裂。本發明說明上，將此一垂直於軸心方向的鑽孔，定義其為「螺栓頸縮孔」。又因每次都發生在此一預先垂直鑽入的圓孔，因此稱此為「螺栓預設頸縮孔」。

在螺栓預設有頸縮孔的降伏強度內的拉伸應力應變試驗，和原螺栓無頸縮孔的降伏強度內的拉伸應力應變試驗特性作比較，舉一例由圖1螺栓有無頸縮孔的降伏強度內拉伸應力應變曲線圖，比較其應力應變結果。圖中可見無頸縮孔螺栓在其降伏強度內的拉伸彈性模數(Modulus of Elasticity)或稱楊氏模數(Young’s modulus)，比在螺栓預設有頸縮孔的降伏強度內的拉伸應力應變的拉伸彈性模數大。例中所見，在相同應力施加區間範圍(12.5Kpsi~30Kpsi)的應變反應，無頸縮孔螺栓為從0.0015~0.0032的0.0017應變寬，擴大變成0.0038~0.0085的0.0047應變寬， 數值反應約2.76倍。在各種不同頸縮孔孔徑的試驗中，其應力應變曲線測量結果，更可見不同的頸縮孔孔徑分別產生不同應力應變曲線，頸縮孔孔徑愈大，其降伏強度內的拉伸彈性模數愈小。本發明利用此一降伏強度內的直線彈性伸長所製作的預設直線拉伸頸縮孔孔徑大小來控制螺栓相對應變的彈性模數大小，獲取不同光纖感測螺絲的感度調整能力。

在一智能工程結構上，由一整組螺絲作安全抗拉總強度緊固連接作用中，可以在其中選一連接元件當做感測裝置的一個感測螺絲。將此一個感測螺絲其一位置點截面積預先縮小做未來的預設頸縮區域。當整組螺絲負荷尚未逾越總降伏強度時，則此預應位置在降伏強度線性彈性伸長範圍的預應變量測，可成為感測螺絲在抗拉作用反應最敏感之彈性伸長區域。據此，利用此一位置截面積縮小而彈性模數(斜率)變小的特性，可以提高應變感度。本發明上述的預設頸縮孔為一不破壞外環螺紋同時可以保持原螺旋軌跡供不同的緊固方式最佳選擇。

在只以一件光纖感測螺絲，作緊固連接作用的同步預拉緊光纖光柵與螺栓螺帽間所同步產生的螺栓伸長量與預緊力Q₀(亦即旋緊的施力F)的關係式，即式(7)：Q₀=(△1/1)EA_s (7)

ε=△1/1 (3)

σ=F/A_s (8)

E=σ/ε (9)

1為螺栓受力段長度(亦即旋力段長標距)，△1為螺栓變形延伸長度，E為彈性模數，A_s為螺栓平的截面積，ε為工程應變，σ為工程應力。在彈性區域內，△1正比於轉動旋緊螺栓和螺帽相對角度θ，所以Q₀為θ的函數，只要準確控制螺帽旋緊回轉角度，便可準確控制預緊力。在加裝本感測螺絲裝置元件後，旋緊同時可由螺栓長度伸長量所生產生光纖光柵受力引起應變，造成原本Λ間距的改變量為△Λ的微變長度，其反射回來的布拉格波長λ_B變化量為△λ_B。在檢測控制端可接收到λ_B有△λ_B的波長飄移量信號而立判預緊力是否滿足系統預定值。若預緊力己達到，而FBG預拉力未達到或超過布拉格光柵最佳操作中心波長，即λ_B；則由上式呈現As的螺栓平均截面積去改選更適當螺栓桿直徑、或預設一頸縮孔調整彈性模數或螺栓剛度，使預緊力與光纖預拉力同時達成。但若在由一整組螺絲作安全抗拉總強度緊固連接作用的大型智能工程結構上，因不必整組緊固螺栓內全部加裝光纖光柵即可在少數方位重點檢測位置取得正確應變監測值。一如採用如高電流負載電路的電流值量測，不必直接將高負載電流輸入顯示電錶；而利用並聯電路電壓相等或串聯電路電流相等的惠斯登電橋(Wheatstone bridge)電路數值可取得正確數值方法一樣。在並聯連接的應變量測，其每一應變量理論上是相等的，因單位長的伸長或壓縮量是應力軸向平行變化的。本發明放置具有「螺栓預設頸縮孔」的光纖感測螺絲提高量測感度的方法，就具有異曲同工之技術效果。

每一螺栓拖力F，僅與螺栓相對伸長量ε、螺栓截面積As及材料的彈性模量E有關。依應變定義，應變(Strain)為作用力所造成的主體變形總稱。應變ε可定義為螺栓長度的局部變化，其應變受力方向和此螺栓桿軸方向一致。對給定的一螺栓，對螺栓施一分離拉力大小F值與相對伸長量ε成正比。但如果將螺栓外徑維持不變，而使用本發明將螺栓截面積縮小且同時製造出頸縮點預設的方法，亦即利用螺栓頸縮點預設位置與軸心垂直向鑽一直徑比螺栓直徑小的圓柱形孔洞，使所剩截面積A_s變小。由式(9)彈性模數E=σ/ε，因維持應力不變情況下，截面積的縮小使得相同標距的伸長應變變大，彈性區內的斜率降低(彈性模數E變小)。其感應相同施應力所對應的應變感度提高。由圖1對比可見：在沒使用螺栓頸縮點預設的頸縮孔時的應力施力變化區的相對應變變化區較窄；而使用本發明有螺栓頸縮點預設的頸縮孔時的應力施力變化區的相對應變變化區則較寬。因此本發明製造出頸縮區域預設的方法，可獲得較高的應變感度且有利於使用光纖感測螺絲做為即時反應感度的更加利器。正如同電流錶或電壓錶之並聯輸出的應用一樣。用螺栓頸縮孔預設位置與軸心垂直向鑽一直徑比螺栓直徑小的圓柱形孔洞後，則與螺栓正交的橫截面只剩上下兩弓形截面而已。以圖2-1具螺栓預設頸縮孔的軸對稱雙光纖感測螺絲立體圖，及在其所示圖2-2的螺栓預設頸縮孔後橫截面圖說明。201為具螺栓預設頸縮孔的軸對稱雙光纖感測螺栓，202為螺栓預設頸縮孔，203為光纖光柵螺栓頭固定鎖位螺絲孔， 204為光纖光柵螺栓尾固定鎖位螺絲孔，205為光纖光柵套管，206為光纖光柵外光纖連線，207為螺栓預設頸縮孔弓形橫截面，208為光纖光柵套管穿孔。可由圖2-2軸對稱雙光纖感測螺絲的螺栓預設頸縮孔後，形成之橫截面來計算頸縮孔橫截面弓形面積。此d為頸縮孔半徑，h為弓形橫截面高，R為螺栓半徑，r為光纖光柵穿孔直徑，其中h+d=R。因螺栓預設頸縮孔上下兩弓形橫截面面積相同，設弓形面積為D，則：D=R²cos^-1(d/R)-d(R²-d²)^1/2 (10)

D=R²cos^-1〔(R-h)/R〕-(R-h)(2Rh-h²)^1/2 (11)

原螺栓截面積K=πR²，設P為螺栓預設頸縮孔後所剩的橫截面面積與螺栓截面積比，則：P=2(D-πr²)/K (12)

P≦1，當螺栓沒預設頸縮孔時(即d為頸縮孔半徑=0)，及沒光纖光柵穿孔時(即光纖光柵穿孔直徑r=0)，P=1。當螺栓所預設頸縮孔孔徑較大且光纖光柵穿孔直徑較大時，P值愈小，亦即弓形面積變小，則彈性模數E變小。因此利用螺栓頸縮孔預設大小，可調整光纖感測螺絲應變感度。而光纖光柵穿孔直徑r甚小(常為了保持感測應變反應最佳特性)，影響P值大小乃至應變感度大小的主要因素是預設頸縮孔孔徑值d。

201‧‧‧具預設頸縮孔的軸對稱雙光纖感測螺栓

202‧‧‧螺栓預設頸縮孔

203‧‧‧光纖光柵螺栓頭固定鎖位螺絲孔

204‧‧‧光纖光柵螺栓尾固定鎖位螺絲孔

205‧‧‧螺栓預設頸縮孔橫截面

206‧‧‧光纖光柵穿孔

207‧‧‧光纖光柵套管

208‧‧‧光纖光柵外光纖連線

301‧‧‧具預設頸縮孔的單芯感測螺栓

401‧‧‧具預設頸縮孔的軸對稱3芯光纖感測螺栓

402‧‧‧為螺栓頭固定軸心套管元件

501‧‧‧具3個螺栓預設頸縮孔的軸對稱3芯光纖感測螺栓

502‧‧‧螺栓預設頸縮孔弓形橫截面

503‧‧‧光纖光柵套管穿孔

601‧‧‧具3個預設頸縮孔的軸對稱4芯光纖感測螺栓

701‧‧‧具4個預設頸縮孔的軸對稱4芯光纖感測螺栓

801‧‧‧具4個預設頸縮孔的軸對稱5芯光纖感測螺栓

802‧‧‧螺栓預設頸縮孔橫截面

圖1 螺栓有無頸縮孔的降伏強度內拉伸應力應變曲線比較

圖2-1 具螺栓預設頸縮孔的軸對稱雙光纖感測螺絲立體圖

圖2-2 軸對稱雙光纖感測螺栓預設頸縮孔橫截面圖

圖2-3 具螺栓預設頸縮孔的軸對稱雙光纖感測螺絲剖面圖

圖3-1 頸縮孔預設單芯可同步預拉緊感測螺絲立體圖

圖3-2 頸縮孔預設單芯可同步預拉緊感測螺絲剖面圖

圖3-3 頸縮孔預設單芯感測螺栓頸縮孔橫截面圖

圖4 具螺栓預設頸縮孔的溫度補償軸對稱3光纖感測螺絲立體剖面圖

圖5-1 具螺栓3預設頸縮孔的軸對稱3芯光纖感測螺絲立體圖

圖5-2 3頸縮孔預設3芯感測螺栓頸縮孔橫截面圖

圖6 具螺栓3預設頸縮孔的高感度及溫度補償軸對稱4芯光纖感測螺絲立體剖面圖

圖7-1 四個頸縮孔預設的軸對稱4芯高感度可同步預拉緊感測螺絲結構立體圖

圖7-2 四個頸縮孔預設的軸對稱4芯高感度可同步預拉緊感測螺絲結構立體剖面圖

圖8-1 一種頸縮孔預設的軸對稱5芯高感度及溫度補償的可同步預拉緊感測螺絲結構立體剖面圖

圖8-2 四個頸縮孔預設的軸對稱5芯感測螺栓頸縮孔橫截面圖

圖8-3 四個頸縮孔預設的軸對稱5芯感測螺栓頸縮孔立體剖面圖

實施例1：一種頸縮孔預設單芯高感度可同步預拉緊感測螺絲

如圖3-1所示此為本發明頸縮孔預設單芯可同步預拉緊感測螺絲立體圖，圖3-2為頸縮孔預設單芯可同步預拉緊感測螺絲剖面圖，圖3-3為頸縮孔預設單芯感測螺栓頸縮孔橫截面圖。所示圖中，301為具預設頸縮孔的單芯感測螺栓，202為螺栓預設頸縮孔，203為光纖光柵螺栓頭固定鎖位螺絲孔，204為光纖光柵螺栓尾固定鎖位螺絲孔，205為光纖光柵套管，206為光纖光柵外光纖連線，207為螺栓預設頸縮孔弓形橫截面，208為光纖光柵套管穿孔。由於單芯光纖光柵裝設於螺栓軸心且穿過和其正交的頸縮孔軸心，若頸縮孔直徑等於其正交光纖光柵的光柵長，則此光纖光柵有效感測受力應變位置將全部騰空露出。此由圖3-2頸縮孔預設單芯可同步預拉緊感測螺絲剖面圖中空部分看出。因此如未加上205之光纖光柵套管；則在螺栓受力應變原來等比例分配在標距長1內對原受力應變變化長△1的變化量，就無法依公式(6)：ε=△1/1=△Λ/Λ之ε=△λ_B/λ_B正確測得△λ_B。因本感測螺栓在預設頸縮孔鑽了孔，在此頸縮孔出現後；原本螺栓受力應變引起全螺栓均勻連續的表面抗張力，由螺栓表面反轉至材料內頸縮孔的表面，造成原本螺栓未破壞的均勻受力應變在原標距長1對原受力全長均勻應變變化長△1的變化量，無法以在 頸縮孔內騰空的光纖光柵應變量求得。又因光纖光柵並沒緊密與螺栓全長等比例密合，在前逑若裝置在有快速震動的動態量測時，此縷空的單芯光纖感測螺絲結構內的光纖玻璃材料受應力的應變反應曲線，和感測螺絲結構本身的金屬材料受應力的應變反應曲線不同；此段縷空光纖光柵的玻璃材料受應力的應變反應曲線稍有應變延滯現象。

本實施例己解決上述問題一及三，加上205之光纖光柵套管後，亦即以相同於螺栓材料金屬管緊密外套於插入螺栓內全長的光纖及光纖光柵，來達成單芯光纖光柵可以在預設頸縮孔中提高感度並消除應變延滯的可同步預拉緊感測螺絲結構。如圖3-2頸縮孔預設單芯可同步預拉緊感測螺絲剖面圖所示，其中205為一同螺栓材料套管，其長度大於感測螺栓，以粘著劑完全密著並緊密膠合插入其內的光纖及光纖光柵，套管與光纖密合且無壓縮空間及活動擴大空間，不但避免光纖光柵來自側向振盪引起的弦狀振盪，並因長度大於感測螺栓套管係由螺栓頭尾兩端固定而可達到只容許軸向應力應變的正確值量測目的。此金屬管材料和螺栓材料相同且依靠螺栓頭尾垂直向預緊力固定以取得標距長1全長均勻比例應變預定值標準，再因其內已緊密膠合，以致全長可比例應變的光纖及光纖光柵不會產生應變延滯反應。因此單芯具預設頸縮孔的光纖感測螺絲，可以從頸縮孔的預設中提高感度，又以一同螺栓材料套管以粘著劑完全密著並緊密膠合插入其內的光纖及光纖光柵套管法，同時解決問題1及問題3。

實施例2：一種頸縮孔預設的軸對稱雙芯高感度溫度補償可同步預拉緊感測螺絲

如圖2-1具螺栓預設頸縮孔的軸對稱雙光纖感測螺絲立體圖，圖2-2預設頸縮孔橫截面圖及圖2-3剖面圖所示，201為具螺栓預設頸縮孔的軸對稱雙光纖感測螺栓，其中202為螺栓預設頸縮孔，203為光纖光柵螺栓頭固定鎖位螺絲孔，204為光纖光柵螺栓尾固定鎖位螺絲孔，205為光纖光柵套管，206為光纖光柵外光纖連線，207為螺栓預設頸縮孔弓形橫截面，208為光纖光柵套管穿孔等組成結構。因由實施例1的一種頸縮孔預設單芯高感度可同步預拉緊感測螺絲結構中，其長度大於預訂的感測螺栓金屬套管205，以粘著劑完全密著並緊密膠合插入其內的光纖及光纖光柵方法，可預先製成套管保護昂貴的主要那段易碎的光纖光柵儲存，再插入所需後製作的光纖感測螺絲內，非常實用。本實施例2的發明元件，如圖2-1所示此本發明頸縮孔預設的軸對稱雙芯高感度可同步預拉緊感測螺絲裝置，主要在克服實施例1的頸縮孔預設單芯高感度可同步預拉緊感測螺絲結構作不到的精確度。因實施例1的進步性雖在增加使用大直徑螺栓的感度；但溫度補償還依舊是先前技術必須以光纖感測螺絲在所連接材料或金屬結構附近貼上一支不受應力影響的光纖光柵做參考溫度去解決熱澎漲問題。但精密溫度控制分布要求又不相同、工作溫度區域不同或螺絲連接處震動頻率不同…等各種的智能機械結構所使用的光纖感測螺絲作應變監測，若以螺絲外之附近參考溫度的另一 光纖光柵去扣除光纖感測螺絲內自身溫差問題；倒不如本發明直接將其參考溫度的光纖光柵並排做在同一個光纖感測螺絲內，即可準確達到同點偵測同點扣除的正確度。本實施例的軸對稱兩條光纖，其一為兩端固定的應變感測光纖光柵，另一為只單端固定的參考溫度用光纖光柵。因其只固定單端的參考溫度用光纖光柵不受應力應變作用，可以在同點獲得正確溫度變化的等值熱澎漲或冷縮λ_B波長變化值。

實施例3：一種頸縮孔預設的軸對稱參芯高感度溫度補償可同步預拉緊感測螺絲

圖4具螺栓預設頸縮孔的溫度補償軸對稱3光纖感測螺絲立體剖面圖。本實施例如圖4所示此本發明是以圖2-1所示一頸縮孔預設的軸對稱雙芯高感度可同步預拉緊感測螺絲裝置的軸心中，再裝入如圖3-1中心之一單芯光纖光柵的結構而形成己增感3芯可同步預拉緊感測螺絲結構。其中，401為具螺栓預設頸縮孔的軸對稱3芯光纖感測螺栓，202為螺栓預設頸縮孔，203為光纖光柵螺栓頭固定鎖位螺絲孔，204為光纖光柵螺栓尾固定鎖位螺絲孔，205為光纖光柵套管，206為光纖光柵外光纖連線，402為螺栓頭固定軸心套管元件(402元件可從另一視角的圖8-1看到)。主要克服在習知己由發明人在中華民國發明專利申請案號102121672『可同步預拉緊光纖光柵與螺栓的感測螺絲裝置』其圖5-1、圖5-2俯視、前視圖所示相對位置的雙芯軸對稱雙光纖光柵裝置中，沒有頸縮孔預設的雙芯可同步預拉緊感測螺絲結構無法 高感度及對溫度精密度不過的問題。本發明同時構成以頸縮孔預設提升成為本圖4具螺栓預設頸縮孔的溫度補償軸對稱3芯光纖感測螺絲裝置。本實施例3即實現了沒有頸縮孔預設的雙芯可同步預拉緊感測螺絲結構作不到的溫度補償精確度及高感度。不但解決依舊是先前技術習知以光纖感測螺絲在所連接材料或金屬結構附近貼上一支不受應力影響的光纖光柵做參考溫度去解決熱澎漲問題；同時真正實現在同一螺栓內以兩條與螺栓軸心等距離對稱，並平行於螺栓軸心的布拉格光纖光柵做對稱方向的不同應變感測；例如以上下平行架設監測油水或被壓縮成液態的危險氣體管路，來測出軸向重量微小輸送量引起直線擺動在感測螺絲所預設擺設方向相對方向微小而精確應變量，而可更正確求出振幅大小或擺設方向的物理定義。此定義包括流量、流速、溫度、壓力、…等物理特性及其物理組合特性；如傳送效率、傳輸損失的洩漏等監測。

頃在本發明規劃利用本實施例應用在工業傳輸管路安全監測、高架鐵公路公安監測及航空海運運輸載具安全架構等全面推廣公共安全監測之際，發生高雄大氣爆世紀事件！身處高雄頃刻，自出生成長而至高雄重工業城聚落成形的同時，工業原料長途輸送技術沒有與時俱進的悲劇，絕不容許再度發生！台灣工業命脈必需革命再出發。本發明全線光纖佈建，無任何一點電弧引發火源的絕對安全性，可以最簡化技術實現。本實施例的「一種頸縮孔預設的軸對稱參芯高感度溫度補償可同步預拉緊感測螺 絲」即為最精準而至簡的安全感測元件。

實施例4：一種頸縮孔預設的軸對稱3芯高感度可同步預拉緊感測螺絲

本實施例的一種三個頸縮孔預設的軸對稱參芯高感度可同步預拉緊感測螺絲結構，如圖5-1及5-2所示，本發明以120度分配垂直鑽入軸心所預設3個頸縮孔的軸對稱3芯可同步預拉緊高感度感測螺絲裝置結構。501為具3個螺栓預設頸縮孔的軸對稱3芯光纖感測螺栓，202為螺栓預設頸縮孔，203為光纖光柵螺栓頭固定鎖位螺絲孔，204為光纖光柵螺栓尾固定鎖位螺絲孔，205為光纖光柵套管，206為光纖光柵外光纖連線，502為螺栓預設頸縮孔弓形橫截面，503為光纖光柵套管穿孔。本實施例發明主要提供光學儀器基座調整監測用途。

實施例5：一種頸縮孔預設的軸對稱4芯高感度及溫度補償可同步預拉緊感測螺絲

如圖6所示，具螺栓3預設頸縮孔的溫度補償軸對稱4芯光纖感測螺絲立體剖面圖。本實施例的一種三個頸縮孔預設的軸對稱4芯高感度及溫度補償可同步預拉緊感測螺絲結構，是以實施例4所示一頸縮孔預設的軸對稱3芯高感度可同步預拉緊感測螺絲裝置的軸心中，再裝入如圖3-1中心之一單芯光纖光柵的結構，601為具3個螺栓預設頸縮孔的軸對稱4芯光纖感測螺栓，202為螺栓預設頸縮孔，203為光纖光柵螺栓頭固定鎖位螺絲孔，204為光纖光柵螺栓尾固定鎖位螺絲孔，205為光纖光柵套管， 206為光纖光柵外光纖連線。克服上述實施例4所示一頸縮孔預設的軸對稱3芯高感度可同步預拉緊感測螺絲裝置無溫度補償問題。

實施例6：一種頸縮孔預設的軸對稱4芯高感度可同步預拉緊感測螺絲

本實施例的一種四個頸縮孔預設的軸對稱4芯高感度可同步預拉緊感測螺絲結構，如圖7-1為四個頸縮孔預設的軸對稱4芯高感度可同步預拉緊感測螺絲結構立體圖，圖7-2為四個頸縮孔預設的軸對稱4芯高感度可同步預拉緊感測螺絲結構立體剖面圖所示。此本發明主要克服在習知己由發明人在中華民國發明專利申請案號102121672『可同步預拉緊光纖光柵與螺栓的感測螺絲裝置』其圖6-1、圖6-2俯視、前視圖所示相對位置的4芯軸對稱4光纖光柵裝置中，沒有頸縮孔預設的4芯可同步預拉緊感測螺絲結構來提高感度量測的問題。本發明以90度分配垂直鑽入軸心所預設4個頸縮孔的軸對稱4芯可同步預拉緊高感度感測螺絲裝置結構。以4個頸縮孔預設提升成為一種軸對稱4芯高感度可同步預拉緊感測螺絲裝置。701為具4個螺栓預設頸縮孔的軸對稱4芯光纖感測螺栓，202為螺栓預設頸縮孔，203為光纖光柵螺栓頭固定鎖位螺絲孔，204為光纖光柵螺栓尾固定鎖位螺絲孔，205為光纖光柵套管，206為光纖光柵外光纖連線。主要在促進本發明4芯大螺栓直徑應變感度提升。

實施例7：一種頸縮孔預設的軸對稱5芯高感度及溫度補償的可同步預拉緊感測螺絲結構

本實施例如圖8-1的一種頸縮孔預設的軸對稱5芯高感度及溫度補償的可同步預拉緊感測螺絲結構立體剖面圖，圖8-2四個頸縮孔預設的軸對稱5芯感測螺栓頸縮孔橫截面圖，圖8-3四個頸縮孔預設的軸對稱5芯感測螺栓頸縮孔立體剖面圖所示，本發明以圖7-1所示一四個頸縮孔預設的軸對稱4芯高感度可同步預拉緊感測螺絲裝置的軸心中，再裝入如圖3-1中心之一單芯光纖光柵的結構而形成一種頸縮孔預設的軸對稱5芯高感度及溫度補償的可同步預拉緊感測螺絲結構。其中801為具4個螺栓預設頸縮孔的軸對稱5芯光纖感測螺栓，202為螺栓預設頸縮孔，203為光纖光柵螺栓頭固定鎖位螺絲孔，204為光纖光柵螺栓尾固定鎖位螺絲孔，205為光纖光柵套管，206為光纖光柵外光纖連線，402為螺栓頭固定軸心套管元件，802為螺栓預設頸縮孔橫截面，208為光纖光柵套管穿孔。由於中心加一單芯溫度補償光纖光柵的結構，不但解決依舊是先前技術習知以光纖感測螺絲在所連接材料或金屬結構附近貼上一支不受應力影響的光纖光柵做參考溫度去解決熱澎漲問題；同時真正實現在同一螺栓內以4條與螺栓軸心等距離對稱，並平行於螺栓軸心內再增一芯參考溫度的光纖光柵；如本發明實施例7所示；直接將其參考溫度的光纖光柵並排做在同一個光纖感測螺絲內，即可準確達到同點偵測同點扣除的正確度。而軸心外之四個布拉格光纖光柵做四方位特定對稱方向的感測；例如大橫樑的上下左右或垂直擺設的東西南北方向測量；來測出軸向直線擺動在感測螺絲所預設擺設方向相對方向應 變，而可更正確求出振幅大小或擺設方向的物理數值。

以上本發明實施例闡述各種細節所引用各參考編號之元件，皆可視為相同或功能上類似之元件，且意欲以極簡化的圖解方式來圖說實例所表示之主要實施特點；因此，此圖示並非意欲描繪出實際實施例之所有特點，亦並非意欲描繪所繪元件之相對尺寸及數量，故所示之圖並非按比例繪成，其係按本發明之結構製成具頸縮孔預設的光纖感測螺絲及其組成光纖感測螺絲緊固件中螺栓結構及其能完整實現感測結構組件的基本精神所繪成，且僅作為代表光纖感測螺絲可據以等效發揮功能及據以應用的各種樣態，一如各實施例中所舉的各種以軸心為主或以軸心穿孔作為溫度補償光纖光柵所對稱的3芯、4芯或5芯的頸縮孔預設的高感度光纖感測螺絲等各種緊固元件，可據以應用的實現，使光纖感測螺絲結構應用可更為精彩及多元廣闊，且可以達到更安全持久且有益人類的價值。

儘管本文係以在螺栓預設頸縮孔提升發明人先前同步預拉緊光纖光柵與螺栓的感測螺絲感測感度裝置功能及結構；但此並非意欲僅將本發明侷限於此等圖示細節，因為在以不脫離本發明精神之任何方式之前提下，可對本發明實施各種修改及結構之改變。

無需再分析以上說明所全面披露本發明之要旨，其己可以在螺栓預設頸縮孔提升感測螺絲應變計感度及溫度補償單元組成應用下，分別形成使人們能夠應用現有知識在合併根據先 前技術觀點，以合理構成本發明之一般或具體樣態之基本特徵前提下，可輕易地將本發明修改用於各種應用或改用其他材料應用於本發明，且因此，此等修改應該且己意欲包含在隨附申請專利範圍之等效意義及範圍內。

202‧‧‧螺栓預設頸縮孔

203‧‧‧光纖光柵螺栓頭固定鎖位螺絲孔

204‧‧‧光纖光柵螺栓尾固定鎖位螺絲孔

207‧‧‧光纖光柵套管

208‧‧‧光纖光柵外光纖連線

401‧‧‧具預設頸縮孔的軸對稱3芯光纖感測螺栓

402‧‧‧螺栓頭固定軸心套管元件

Claims (10)

1. 一種預設頸縮孔的單芯光纖感測螺栓結構，包括：具有一個預設頸縮孔的螺栓；螺栓軸心具有一可穿過光纖套管的軸心長孔；一個穿過軸心長孔的光纖光柵套管；一條通過光纖套管內全長緊密膠合的光纖光柵；螺栓頭具有一垂直方向固定軸心光纖套管的元件；螺栓尾具有一垂直方向固定軸心光纖套管的元件；組成一增加應變感度的光纖感測螺栓，其特徵是此一預設頸縮孔的圓柱形頸縮孔軸心，垂直於螺栓軸心，且感測螺栓在彈性伸長限內的量測感度是由預設頸縮孔直徑大小調整控制的一種光纖感測螺栓結構。
2. 如申請專利範圍第1項之一種預設頸縮孔的單芯光纖感測螺栓結構，其穿過軸心長孔的光纖光柵套管長，是大於感測螺栓全長的組成結構者。
3. 如申請專利範圍第1項之一種預設頸縮孔的單芯光纖感測螺栓結構，其穿過軸心長孔的光纖光柵套管材料，是感測螺栓相同材料的組成結構者。
4. 一種預設頸縮孔的2芯光纖感測螺栓結構，包括：具有一個預設頸縮孔的螺栓；具有與螺栓軸心等距對稱平行兩個可穿過光纖光柵套管的長孔； 平行穿過與螺栓軸心等距對稱兩個長孔的光纖光柵套管；兩條通過光纖光柵套管內全長緊密膠合的光纖光柵；螺栓頭具有與螺栓軸心等距對稱兩個垂直方向固定光纖套管的元件；螺栓尾具有與螺栓軸心等距對稱兩個垂直方向固定光纖套管的元件；等組成一增加應變感度的光纖感測螺栓，其特徵是此一預設頸縮孔的圓柱形頸縮孔軸心垂直於螺栓軸心；且與螺栓軸心等距對稱兩個平行光纖光柵套管長孔內緣與軸心距離大於頸縮孔半徑及其孔外緣與軸心距離小於螺栓半徑；且感測螺絲在彈性伸長限內的量測感度是由預設頸縮孔直徑大小調整控制的一種光纖感測螺栓結構。
5. 如申請專利範圍第4項之一種預設頸縮孔的2芯光纖感測螺栓結構，其與螺栓軸心等距對稱兩個光纖光柵套管，其一在螺栓頭尾兩端由具有與螺栓軸心等距對稱兩個垂直方向固定光纖光柵套管的元件固定做應變感測；另一在螺栓頭尾兩端由具有與螺栓軸心等距對稱兩個垂直方向固定光纖光柵套管的元件，只固定螺栓頭端做溫度補償的組成結構者。
6. 一種預設頸縮孔的3芯光纖感測螺栓結構，包括：具有一個預設頸縮孔的螺栓；具有與螺栓軸心等距對稱兩個平行可穿過光纖光柵套管 的長孔；螺栓軸心具有一可穿過光纖光柵套管的軸心長孔；一個穿過軸心長孔的光纖光柵套管；平行穿過與螺栓軸心等距對稱兩個長孔的光纖光柵套管；3條通過光纖光柵套管內全長緊密膠合的光纖光柵；螺栓頭具有與螺栓軸心等距對稱兩個垂直方向固定光纖光柵套管的元件；螺栓頭具有一垂直方向固定通過軸心光纖光柵套管的元件；螺栓尾具有與螺栓軸心等距對稱兩個垂直方向固定光纖光柵套管的元件；等組成一增加應變感度及溫度補償的光纖感測螺栓，其特徵是此一預設頸縮孔的圓柱形頸縮孔軸心垂直於螺栓軸心；且與螺栓軸心等距對稱兩個平行光纖光柵套管長孔內緣與軸心距離大於頸縮孔半徑及其孔外緣與軸心距離小於螺栓半徑；且螺栓頭從垂直方向固定通過軸心光纖光柵套管的光纖光柵在螺栓尾沒固定，以作另二芯光纖光柵的溫度補償；且感測螺絲在彈性伸長限內的量測感度是由預設頸縮孔直徑大小調整控制的一種光纖感測螺栓結構。
7. 一種預設頸縮孔的3芯光纖感測螺栓結構，包括：具有3個預設頸縮孔的螺栓； 具有與螺栓軸心等距對稱平行3個可穿過光纖光柵套管的長孔；平行穿過與螺栓軸心等距對稱3個長孔的光纖光柵套管；3條通過光纖套管內全長緊密膠合的光纖光柵；螺栓頭具有與螺栓軸心等距對稱3個垂直方向固定光纖光柵套管的元件；螺栓尾具有與螺栓軸心等距對稱3個垂直方向固定光纖光柵套管的元件；等組成一增加應變感度的光纖感測螺栓，其特徵是此3個預設頸縮孔的3個圓柱形頸縮孔軸心以120度分配垂直鑽至螺栓軸心的軸對稱3芯可同步預拉緊高感度感測螺絲裝置，且與螺栓軸心等距對稱3個平行光纖光柵套管長孔內緣與軸心距離大於頸縮孔半徑及其孔外緣與軸心距離小於螺栓半徑；且感測螺絲在彈性伸長限內的量測感度是由預設頸縮孔相同直徑大小調整控制的一種光纖感測螺栓結構。
8. 一種預設頸縮孔的4芯光纖感測螺栓結構，包括：具有3個預設頸縮孔的螺栓；具有與螺栓軸心等距對稱平行3個可穿過光纖光柵套管的長孔；平行穿過與螺栓軸心等距對稱3個長孔的光纖光柵套管；螺栓軸心具有一可穿過光纖光柵套管的軸心長孔；一個穿過軸心長孔的光纖光柵套管； 4條通過光纖套管內全長緊密膠合的光纖光柵；螺栓頭具有與螺栓軸心等距對稱3個垂直方向固定光纖光柵套管的元件；螺栓尾具有與螺栓軸心等距對稱3個垂直方向固定光纖光柵套管的元件；螺栓頭具有1個垂直方向固定軸心光纖光柵套管的元件；等組成一增加應變感度與溫度補償的光纖感測螺栓，其特徵是此3個預設頸縮孔的3個圓柱形頸縮孔軸心以120度分配垂直鑽至螺栓軸心的軸對稱3芯可同步預拉緊高感度感測螺絲裝置，且與螺栓軸心等距對稱3個平行光纖光柵套管長孔內緣與軸心距離大於頸縮孔半徑及其孔外緣與軸心距離小於螺栓半徑；且螺栓頭從垂直方向固定通過軸心光纖光柵套管的光纖光柵在螺栓尾沒固定，以作另3芯光纖光柵的溫度補償；且感測螺絲在彈性伸長限內的量測感度是由預設頸縮孔相同直徑大小調整控制的一種光纖感測螺栓結構。
9. 一種預設頸縮孔的4芯光纖感測螺栓結構，包括：具有4個預設頸縮孔的螺栓；具有與螺栓軸心等距對稱平行4個可穿過光纖光柵套管的長孔；平行穿過與螺栓軸心等距對稱4個長孔的光纖光柵套管；4條通過光纖套管內全長緊密膠合的光纖光柵；螺栓頭具有4個垂直方向固定光纖光柵套管的元件； 螺栓尾具有4個垂直方向固定光纖光柵套管的元件；等組成一增加應變感度的光纖感測螺栓，其特徵是此4個預設頸縮孔的4個圓柱形頸縮孔軸心以90度分配垂直鑽至螺栓軸心的軸對稱4芯可同步預拉緊高感度感測螺絲裝置，且與螺栓軸心等距對稱4個平行光纖光柵套管長孔內緣與軸心距離大於頸縮孔半徑及其孔外緣與軸心距離小於螺栓半徑；且感測螺絲在彈性伸長限內的量測感度是由預設頸縮孔相同直徑大小調整控制的一種光纖感測螺栓結構。
10. 一種預設頸縮孔的5芯光纖感測螺栓結構，包括：具有4個預設頸縮孔的螺栓；具有與螺栓軸心等距對稱平行4個可穿過光纖光柵套管的長孔；平行穿過與螺栓軸心等距對稱4個長孔的光纖光柵套管；螺栓軸心具有一可穿過光纖光柵套管的軸心長孔；一個穿過軸心長孔的光纖光柵套管；5條通過光纖套管內全長緊密膠合的光纖光柵；螺栓頭具有4個垂直方向固定光纖光柵套管的元件；螺栓尾具有4個垂直方向固定光纖光柵套管的元件；螺栓頭具有1個垂直方向固定軸心光纖光柵套管的元件；等組成一增加應變感度與溫度補償的光纖感測螺栓，其特徵是此4個預設頸縮孔的4個圓柱形頸縮孔軸心以90度分配垂直鑽至螺栓軸心的軸對稱5芯可同步預拉緊高感度感測螺絲裝置，且 與螺栓軸心等距對稱4個平行光纖光柵套管長孔內緣與軸心距離大於頸縮孔半徑及其孔外緣與軸心距離小於螺栓半徑；且螺栓頭從垂直方向固定通過軸心光纖光柵套管的光纖光柵在螺栓尾沒固定，以作另4芯光纖光柵的溫度補償；且感測螺絲在彈性伸長限內的量測感度是由預設頸縮孔相同直徑大小調整控制的一種光纖感測螺栓結構。