[發明專利]螺栓分布式受力狀態監測光纖光柵傳感器

有效

• 申請號: 202011103337.7
• 申請日: 2020-10-15
• 公開（公告）號: CN112229552B
• 公開（公告）日: 2021-05-14
• 發明（設計）人: 郭永興;胡釗;熊麗;周興林;朱攀
• 申請（專利權）人: 武漢科技大學
• 主分類號: G01L1/24
• 分類號: G01L1/24;G01L5/24
• 代理公司: 北京金智普華知識產權代理有限公司 11401
• 代理人: 楊采良

本發明公開了一種螺栓分布式受力狀態監測光纖光柵傳感器，沿螺栓的中心軸向方向加工有埋植孔，所述埋植孔內串聯裝配若干個光纖光柵測量單元，采用粘結劑將光纖光柵測量單元固定在埋植孔內；固定好的光纖光柵測量單元分布于螺栓的不同位置，用于對螺栓結構受力狀態進行分布式測量。本發明實現了對螺栓連接狀態的分布式監測，并且不受外部扭矩干擾。

技術領域

本發明屬于光纖光柵傳感器技術領域，具體涉及一種螺栓分布式受力狀態監測光纖光柵傳感器。

背景技術

螺栓連接是一種常見的組裝連接方式，被廣泛應用在機械、電子、電力、車輛、船舶、航空、建筑等各行各業。在螺栓擰緊的過程中，螺栓螺紋連接過緊會使螺紋產生疲勞損傷，連接太松又會導致螺栓松動、連接失效；在螺栓正常裝配后，受振動、溫度變化、負載改變的影響，螺栓連接狀態也會產生變化，螺紋副之間發生相對轉動，螺栓松動，螺栓連接緊密性降低，零件連接失效。因此，需要對螺栓連接狀態進行監測，從而掌握螺栓連接狀態，及時進行人工干預，防止關鍵部位螺栓松動造成連接失效，從而帶來巨大的損失。

現有技術中存在的主要問題包括：

螺栓連接狀態表現為其軸向預緊力，許多學者針對螺栓軸向受力狀態進行了大量研究。目前，基于響應信號的螺栓連接狀態測試技術主要包括振動信號分析法、機電阻抗法、聲彈性效應法、超聲波能量法。其中振動信號分析法在螺栓連接狀態監測方面還不成熟，關于螺栓結構振動信號的非線性動力學特性、信號處理、特征提取等方面需進一步完善；機電阻抗法需對壓電材料施加高頻激勵，通過對比結構連接狀態變化前后的電阻抗譜來判斷其連接狀態變化情況，其方法所用技術設備昂貴且壓電材料難以在曲面結構中應用；基于聲彈性效應的螺栓連接狀態監測技術由于通過螺栓的聲速變化微小，需要精密設備進行監測，難以應用到現場環境中；超聲波能量法通過壓電材料產生超聲波，通過透射波的能量來確定螺栓連接狀態，由于透射波的能量與螺栓連接界面實際接觸面積有關，因此存在連接界面接觸面積飽和的問題；另外，基于壓電材料的主動傳感或阻抗技術對外界電場和磁場敏感，不適用于具有強電磁場的環境。這些問題大大增加了監測難度，難以在實際工況下進行高精度、實時長期的螺栓連接狀態監測。

光纖光柵傳感器已被廣泛應用于結構健康監測，具有尺寸小、可嵌入、靈敏度高、抗電磁干擾等優勢。目前，已有不少研究將光纖光柵傳感器應用于螺栓連接狀態監測。常見的方法是將光纖光柵傳感器直接封裝于螺栓螺柱外表面或嵌入到事先加工好的螺栓埋植孔中，也有部分研究者將光纖光柵嵌入到帶凹槽的墊圈中以監測螺栓軸向受力狀況。但在螺栓擰緊過程中或者在受偏心載荷影響時，不可避免的會使螺栓產生扭矩，引起封裝于螺栓表面或者嵌入內部的光纖光柵受到應變作用，從而干擾軸向的螺栓受力測量；而通過將光纖光柵傳感器嵌入墊圈來間接監測螺栓軸向受力狀態，其存在應變滯后、動態測量誤差大、測量不準確的問題。另外，現有的技術方案均不能對螺栓不同位置的受力做出逐一的、準確的測量，僅僅是根據一個光纖光柵測點處的測量結果，來判斷整個螺栓的受力狀態。實際上，螺栓連接的實際工況復雜，尤其是對于長螺栓，其不同位置處的受力是不同的，現有技術無法開展不同位置的準確受力狀態監測。

發明內容

針對現有技術中存在的上述問題，本發明提供了一種螺栓分布式受力狀態監測光纖光柵傳感器，實現了對螺栓連接狀態的分布式監測，并且不受外部扭矩干擾。

為此，本發明采用了以下技術方案：

一種螺栓分布式受力狀態監測光纖光柵傳感器，沿螺栓的中心軸向方向加工有埋植孔，所述埋植孔內串聯裝配若干個光纖光柵測量單元，采用粘結劑將光纖光柵測量單元固定在埋植孔內；固定好的光纖光柵測量單元分布于螺栓的不同位置，用于對螺栓結構受力狀態進行分布式測量。