CN114486021A - 一种无尾纤型光纤智能螺栓及状态监控方法 - Google Patents

一种无尾纤型光纤智能螺栓及状态监控方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种无尾纤型光纤智能螺栓及状态监控方法，智能螺栓包括螺栓本体，探头安装孔的底部向螺杆方向开设有细孔，细孔内设置有传感光纤，传感光纤外套有金属管，金属管与传感光纤之间设置有空气间隙，传感光纤的中部设置有光纤F‑P传感器，传感光纤的上端和下端通过玻璃焊料焊接在金属管上，探头安装孔内设置有探头座，引导光纤与光纤接口连接。状态监控方法包括步骤S1‑S5，本发明利用光学F‑P谐振腔来检测螺栓受到的应力，其检测效果更精准，光学F‑P谐振腔预埋于螺栓本体中，加工制作方便；通过带聚焦透镜的可拆卸探头座，可实现自由拆卸，灵活便捷。

Description

一种无尾纤型光纤智能螺栓及状态监控方法
技术领域
本发明涉及螺栓技术领域，具体涉及一种无尾纤型光纤智能螺栓及状态监控方法。
背景技术
螺栓广泛应用于各种可拆卸部件的连接中，在机械、交通、电力、航空航天、土木、化工等行业都有大量的使用。而随着路网电力不断完备，工业连接对于螺栓提出了更高要求，而智能螺栓就是一种能智能检测螺栓松动的器件。智能化检测器械的螺栓是否紧固可以减少由于螺栓松动带来的安全隐患和财产损失。目前，已经有大量的智能螺栓投入到了使用当中。随着智能螺栓发展，工业需要智能螺栓可以在更高温度下使用，尤其在航天、石油等领域有着大量的需求。
智能螺栓是最近几年刚刚发展起来的新型螺栓型式，具有典型的结构功能一体化特征，其可通过外部安装或内部埋设传感器、微处理器芯片的方式用于智能化工业产品的生产、使用和维护等各个阶段。就目前而言，智能螺栓最具备两方面的智能功能，一是对温度、载荷、压力等环境因素的感知能力，即传感器功能，主要可应用于计量或结构健康监测领域；二是数据存储和身份识别能力，即数字标签功能，主要应用于生产装配和使用维护等领域。
光纤传感器具有质量轻、体积小、防爆、对电绝缘、抗电磁干扰、精度高、可靠性高、环境适应性好的优点，可在结构表面安装或者埋入结构体内部，对被测结构的影响小，测量的结果是结构参数更加真实的反应，适合用于反馈复杂工况环境下结构的变化。目前常见的光纤智能螺栓一般存在两个不足之处：其一，光纤传感器多为光纤光栅应力传感器，这种传感器对环境温度较为敏感，漂移严重，需要额外的温度传感器进行补偿；其二，螺栓需要带一条光纤，不便拆装，灵活性差。
发明内容
针对现有技术的上述不足，本发明提供了一种实现在工作状态下螺栓松动情况进行实时监测的无尾纤型光纤智能螺栓及状态监控方法。
为达到上述发明目的，本发明所采用的技术方案为：
提供一种无尾纤型光纤智能螺栓，其包括螺栓本体，螺栓本体的头部向螺杆方向开设有探头安装孔，探头安装孔的底部向螺杆方向开设有细孔，细孔内设置有传感光纤，传感光纤外套有金属管，金属管与细孔之间填充有封装胶体层，金属管与传感光纤之间设置有空气间隙，传感光纤的中部设置有光纤F-P传感器，光纤F-P传感器内与传感光纤的内壁之间设置有F-P腔，传感光纤的上端和下端通过玻璃焊料焊接在金属管上，探头安装孔内设置有探头座，探头座内设置有引导光纤，引导光纤的下方设置有聚焦透镜，传感光纤的上端设置在聚焦透镜的下方，引导光纤与光纤接口连接。
进一步地，探头座与探头安装孔螺纹连接。
进一步地，还包括用于密封探头安装孔的密封盖，密封盖与探头安装孔螺纹连接。
进一步地，探头安装孔设置在螺栓本体的头部的中心，且探头安装孔的直径为螺栓本体的头部直径的1/3，探头安装孔的深度为螺栓本体头部的厚度的一半。
进一步地，细孔的直径为1~2mm，细孔的深度为螺栓本体的头部到螺杆上的螺纹段之间长度的1/2。
进一步地，传感光纤包括两段，光纤F-P传感器为石英毛细管，石英毛细管为聚酰亚胺涂层，石英毛细管拼接在两段传感光纤之间，且石英毛细管通过熔接工艺与传感光纤平滑连接。
提供一种采用上述无尾纤型光纤智能螺栓的状态监控方法，其包括以下步骤：
S1：扫描激光光源发出激光经过环形器进入光纤智能螺栓，激光在光纤智能螺栓内发生F-P干涉后，反射信号进入环形器，最后通过环形器进入光电探测器；
S2：光电探测器对反射信号进行采集形成干涉光谱信号，传输给上位机；
S3：上位机利用干涉光谱信号形成干涉光谱图，将干涉光谱图利用傅里叶变换得到频谱图；
S4：利用频谱图的峰值频率f计算光纤F-P传感器的变化腔长Δd：Δd = f ×c/4π，其中，c为真空中的光速；
S5：根据变化腔长Δd计算螺栓的受力F：F=K×Δd/d，其中d为F-P腔的初始长度，K为常数。
本发明的有益效果为：本发明利用光学F-P谐振腔来检测螺栓受到的应力，其检测效果更精准，光学F-P谐振腔预埋于螺栓本体中，加工制作方便；通过带聚焦透镜的可拆卸探头座，可实现自由拆卸，灵活便捷。
传感光纤和金属管之间使用玻璃焊接的工艺，由于采用膨胀系数与玻璃接近的金属管，金属管、玻璃焊料及光纤之间的热膨胀系数相匹配，不会因为温度变化导致光纤脱落等情况，可靠性较高。金属管和螺栓本体之间须在保护气体的氛围中用激光焊接的方式使得它们形成一体，本光纤智能螺栓整体结构稳定，封装工艺简便，成本低廉，连接处均用焊接工艺，强度较高，能够适应多种工程环境。
对于基于光纤传感技术的智能螺栓，光纤与螺栓呈一体化结构，当螺栓受到外部应力或温度的影响时，内部安装的光纤F-P传感器会受到相应的应变，并在时域上以干涉条纹漂移的形式表示出来。换言之，当螺栓本体的松动状态发生改变时，即其受到的应力发生变化，对于F-P腔，则其长度d也会发生的变化，即为螺栓的应变。
使用时，须将光纤智能螺栓通过金属垫片拧在结构连接件上，光纤接口接入扫描光源式光纤解调仪，即可得到激光的F-P干涉光谱信号，信号进过采样、滤波、放大等模块后，上传给上位机进行傅里叶变换等数字信号处理，便可解调出螺栓轴向的形变量，从而推算出螺栓所受应力大小及其工作的状态，辅以进行结构件的健康监测、检修等工作。
附图说明
图1为无尾纤型光纤智能螺栓的结构图。
图2为图1中放大部A的结构图。
图3为图1中放大部B的结构图。
图4为探头座的结构图。
图5为密封盖的结构图。
其中，1、螺栓本体，2、细孔，3、探头安装孔，4、玻璃焊料，5、金属管，6、传感光纤，7、空气间隙，8、封装胶体层，9、光纤F-P传感器，10、光纤线缆，11、聚焦透镜，12、密封盖，13、探头座，14、引导光纤，15、光纤接口。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1至图5所示，本方案的无尾纤型光纤智能螺栓包括螺栓本体1，螺栓本体1的头部向螺杆方向开设有探头安装孔3，探头安装孔3的底部向螺杆方向开设有细孔2，细孔2内设置有传感光纤6，传感光纤6外套有金属管5，金属管5与细孔2之间填充有封装胶体层8，金属管5与传感光纤6之间设置有空气间隙7。
传感光纤6的中部设置有光纤F-P传感器9，光纤F-P传感器9内与传感光纤6的内壁之间设置有F-P腔，传感光纤6的上端和下端通过玻璃焊料4焊接在金属管5上，探头安装孔3内设置有探头座13，本方案的探头座13与探头安装孔3螺纹连接。
探头座13内设置有引导光纤14，引导光纤14的下方设置有聚焦透镜11，传感光纤6的上端设置在聚焦透镜11的下方，引导光纤14通过光纤线缆10与光纤接口15连接。本方案还包括用于密封探头安装孔3的密封盖12，密封盖12与探头安装孔3螺纹连接。
探头安装孔3设置在螺栓本体1的头部的中心，且探头安装孔3的直径为螺栓本体1的头部直径的1/3，探头安装孔3的深度为螺栓本体1头部的厚度的一半；细孔2的直径为1~2mm，细孔2的深度为螺栓本体1的头部到螺杆上的螺纹段之间长度的1/2。
传感光纤6包括两段，光纤F-P传感器9为石英毛细管，石英毛细管为聚酰亚胺涂层，石英毛细管拼接在两段传感光纤6之间，且石英毛细管通过熔接工艺与传感光纤6平滑连接。
采用上述无尾纤型光纤智能螺栓的状态监控方法包括以下步骤：
S1：扫描激光光源发出激光经过环形器进入光纤智能螺栓，激光在光纤智能螺栓内发生F-P干涉后，反射信号进入环形器，最后通过环形器进入光电探测器；
S2：光电探测器对反射信号进行采集形成干涉光谱信号，传输给上位机；
S3：上位机利用干涉光谱信号形成干涉光谱图，将干涉光谱图利用傅里叶变换得到频谱图；
S4：利用频谱图的峰值频率f计算光纤F-P传感器9的变化腔长Δd：Δd = f ×c/4π，其中，c为真空中的光速；
S5：根据变化腔长Δd计算螺栓的受力F：F=K×Δd/d，其中d为F-P腔的初始长度，K为常数。
本发明利用光学F-P谐振腔来检测螺栓受到的应力，其检测效果更精准，光学F-P谐振腔预埋于螺栓本体1中，加工制作方便；通过带聚焦透镜11的可拆卸探头座13，可实现自由拆卸，灵活便捷。
传感光纤6和金属管5之间使用玻璃焊接的工艺，由于采用膨胀系数与玻璃接近的金属管5，金属管5、玻璃焊料4及光纤之间的热膨胀系数相匹配，不会因为温度变化导致光纤脱落等情况，可靠性较高。金属管5和螺栓本体1之间须在保护气体的氛围中用激光焊接的方式使得它们形成一体，本光纤智能螺栓整体结构稳定，封装工艺简便，成本低廉，连接处均用焊接工艺，强度较高，能够适应多种工程环境。
对于基于光纤传感技术的智能螺栓，光纤与螺栓呈一体化结构，当螺栓受到外部应力或温度的影响时，内部安装的光纤F-P传感器9会受到相应的应变，并在时域上以干涉条纹漂移的形式表示出来。换言之，当螺栓本体1的松动状态发生改变时，即其受到的应力发生变化，对于F-P腔，则其长度d也会发生的变化，即为螺栓的应变。
使用时，须将光纤智能螺栓通过金属垫片拧在结构连接件上，光纤接口15接入扫描光源式光纤解调仪，即可得到激光的F-P干涉光谱信号，信号进过采样、滤波、放大等模块后，上传给上位机进行傅里叶变换等数字信号处理，便可解调出螺栓轴向的形变量，从而推算出螺栓所受应力大小及其工作的状态，辅以进行结构件的健康监测、检修等工作。

Claims (7)

1.一种无尾纤型光纤智能螺栓，其特征在于，包括螺栓本体，所述螺栓本体的头部向螺杆方向开设有探头安装孔，所述探头安装孔的底部向螺杆方向开设有细孔，所述细孔内设置有传感光纤，所述传感光纤外套有金属管，所述金属管与细孔之间填充有封装胶体层，所述金属管与传感光纤之间设置有空气间隙，所述传感光纤的中部设置有光纤F-P传感器，所述光纤F-P传感器与传感光纤的内壁之间设置有F-P腔，所述传感光纤的上端和下端通过玻璃焊料焊接在金属管上，所述探头安装孔内设置有探头座，所述探头座内设置有引导光纤，所述引导光纤的下方设置有聚焦透镜，所述传感光纤的上端设置在聚焦透镜的下方，所述引导光纤与光纤接口连接。
2.根据权利要求1所述的无尾纤型光纤智能螺栓，其特征在于，所述探头座与探头安装孔螺纹连接。
3.根据权利要求1所述的无尾纤型光纤智能螺栓，其特征在于，还包括用于密封探头安装孔的密封盖，所述密封盖与探头安装孔螺纹连接。
4.根据权利要求1所述的无尾纤型光纤智能螺栓，其特征在于，所述探头安装孔设置在螺栓本体的头部的中心，且探头安装孔的直径为螺栓本体的头部直径的1/3，所述探头安装孔的深度为螺栓本体头部的厚度的一半。
5.根据权利要求1所述的无尾纤型光纤智能螺栓，其特征在于，所述细孔的直径为1~2mm，所述细孔的深度为螺栓本体的头部到螺杆上的螺纹段之间长度的1/2。
6.根据权利要求1所述的无尾纤型光纤智能螺栓，其特征在于，所述传感光纤包括两段，所述光纤F-P传感器为石英毛细管，所述石英毛细管为聚酰亚胺涂层，所述石英毛细管拼接在两段传感光纤之间，且石英毛细管通过熔接工艺与传感光纤平滑连接。
7.一种权利要求1-6任一项所述的无尾纤型光纤智能螺栓的状态监控方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：扫描激光光源发出激光经过环形器进入光纤智能螺栓，激光在光纤智能螺栓内发生F-P干涉后，反射信号进入环形器，最后通过环形器进入光电探测器；
S2：光电探测器对反射信号进行采集形成干涉光谱信号，传输给上位机；
S3：上位机利用干涉光谱信号形成干涉光谱图，将干涉光谱图利用傅里叶变换得到频谱图；
S4：利用频谱图的峰值频率f计算光纤F-P传感器的变化腔长Δd：Δd = f ×c/4π，其中c为真空中的光速；
S5：根据变化腔长Δd计算螺栓的受力F：F=K×Δd/d，其中d为F-P腔的初始长度，K为常数。
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