[發明專利]一種能夠同時實現軸力和剪力自監測的智能螺栓及方法

有效

• 申請號: 201710377805.1
• 申請日: 2017-05-26
• 公開（公告）號: CN107014530B
• 公開（公告）日: 2023-05-12
• 發明（設計）人: 任亮;馮唐政;宋鋼兵
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G01L1/24
• 分類號: G01L1/24
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 溫福雪;侯明遠

一種能夠同時實現軸力和剪力自監測的智能螺栓及方法，屬于光纖傳感技術領域。所述的智能螺栓包括螺栓桿軸、通孔、微型光纖光柵傳感器；在螺栓桿軸的軸截面中心以及與軸截面徑向互成120°角的位置設有通孔，共4個通孔，通孔的直徑為2mm，互成120°角的3個通孔到軸截面中心通孔的距離相等，且都為螺栓桿軸的軸截面半徑的二分之一，在四個通孔中通過膠粘劑將微型光纖光柵傳感器與螺栓牢固結合，通過測量的應變值可以確定螺栓所承受的剪力和軸力。本發明的效果和益處是能夠實現螺栓軸力和剪力的實時監測，具有測量精度高，長期穩定性好，結構簡的優點。

技術領域

本發明屬于光纖傳感技術領域，涉及到一種能夠同時實現軸力和剪力自監測的智能螺栓及方法。

背景技術

在鋼結構和橋梁工程中需要用到大量的鋼材，在實際工程中螺栓連接是最常用的鋼材連接形式之一，連接破壞也成為影響結構安全的重要因素。作為各種工程結構和機械設備關鍵構件連接處的螺栓的性能穩定性也越發受到重視。在實際工程中，普遍是因為螺栓承受了過大的荷載比如說過大的軸力和剪力，造成了螺栓應力超過了其強度極限而產生破壞。因此監測螺栓所承受的荷載，對于鋼結構的安全具有重大意義。但由于某些構件的特殊性或位置的特殊性，很難對螺栓的受力狀態實現有效的監測。目前，我國關于螺栓受力狀態的監測主要是針對于螺栓軸向荷載，對于螺栓剪切荷載的監測鮮有涉及。現有的關于螺栓受力監測的專利CN104964713A能夠測量螺栓軸心的拉壓應變，但是這種測量方法只適用于螺栓受軸向荷載作用的情況而無法實現螺栓剪切荷載的監測。在剪切荷載作用下，在螺栓軸心安裝的傳感器基本無法測量這種受力情況下的應力、應變。因此有需要研究一種能夠同時實現螺栓軸力和剪力監測的智能螺栓。

光纖傳感具有靈敏度高、抗電磁干擾、耐腐蝕，長期工作穩定性好，傳輸距離遠等諸多優點。近年來已經在建筑、橋梁等領域安全監測中成功應用。為了實現螺栓剪切荷載和軸向荷載的監測，本發明采用了一種自行開發的微型傳感器，利用微型傳感器監測截面不同位置的應變，通過公式推導和標定實驗確定微型傳感器測得的應變與軸力和剪力之間的關系。

發明內容

本發明的目的在于提供一種能夠同時實現軸力和剪力自監測的智能螺栓及方法。

本發明所采用的技術方案為：

一種能夠同時實現軸力和剪力自監測的智能螺栓，包括螺栓桿軸、通孔、微型光纖光柵傳感器；在螺栓桿軸的軸截面中心以及與軸截面徑向互成120°角的位置設有通孔，共4個通孔，通孔的直徑為2mm，互成120°角的3個通孔到軸截面中心通孔的距離相等，且都為螺栓桿軸的軸截面半徑的二分之一，在四個通孔中通過膠粘劑將微型光纖光柵傳感器與螺栓牢固結合。

一種能夠同時監測智能螺栓軸力和剪力的方法，包括以下步驟：

(1)基于光纖光柵解調儀，測得螺栓桿軸的軸截面中心處以及與軸截面徑向互成120°角處的微型傳感器的應變值；

(2)基于微型光纖光柵傳感器測得的應變值得到螺栓桿軸所承受的軸力和剪力；

軸力的計算公式為：F_N＝ε₁EA；

剪力的計算公式為：

其中，ε₁，ε₂，ε₃，ε₄分別為螺栓桿軸的軸截面中心處、與軸截面徑向互成120°角處的微型光纖光柵傳感器所測得的應變值；K為標定系數，通過標定實驗可以確定，E和A分別為螺栓材料的彈性模量和螺栓桿軸的軸截面面積，R為螺栓桿軸的軸截面半徑。

本發明的有益效果：該智能螺栓能夠同時實現螺栓軸力和剪力的自我實時監測，具有測量精度高，長期穩定性好，結構簡的優點。

附圖說明

圖1是智能螺栓的軸向剖面圖。

圖2是智能螺栓的軸截面圖