一种基于光纤光学相干传感器的智能螺栓

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，具体是一种基于光纤光学相干传感器的智能螺栓。

背景技术

螺栓是大型建筑、钢结构、大型设备最常用的连接零件，应用比较广泛。螺栓连接破坏已经成为影响钢结构安全的主要因素。螺栓工作状态的精确监测对设备的持续安全运行操作至关重要。智能螺栓在线实时监测，可以检测到螺栓连接的当前预紧力值，对螺栓连接是否松动、超载等进行故障诊断。可对潜在故障进行早期预警，避免重大事故发生。但目前市场上有效的实时监测手段比较少。

为了解决长期困扰工程界的螺栓载荷以及松动难以实时监测的技术难题。传统的智能螺栓采用在螺栓内部中心孔安置应变片的方式来直接检测螺杆的拉力，该方法通过胶填充绑定方式将应变片固定于螺栓内部的孔中来检测螺杆的伸缩变形，使用粘接剂导致螺杆的应变带来很大的温度偏移、蠕变和滞后效应，所以大大限制了应变片测量范围以及降低了测量精度。

基于光纤光学相干传感器的智能螺栓监测方法与传统粘贴应变片式传感器相比，光纤光学相干传感器的反射元件与螺栓直接接触，不需要胶粘剂，克服了由于使用胶粘剂带来的滞后和蠕变缺陷，测量精度可达±0.05％。此外光纤光学相干传感器具有不会断纤、优越的耐恶劣环境性能，其突出特点是不受温度影响。

目前光纤光学相干传感器的智能螺栓监测方法的相关专利有，在2019年1月11日申请的，申请号为201910029957.1的中国专利“一种实时监测预紧力的无线智能螺栓”。和在2013年12月25日申请的，申请号为CN201320861316.0的中国专利“一种螺栓状态监测传感器”。光纤光学相干传感器的智能螺栓监测方法是一种结构简单、不会断纤、成本低、精度高、耐高低温并且对螺栓实时在线智能监测。

上述技术存在以下几处缺陷：1、如何保证螺栓的实时在线智能监测；2、如何实现螺栓检测传感器的长期可靠性，在使用过程中的可靠性，抗震动、不受高低温影响、防水、防尘；3、如何实现螺栓检测传感器可以与螺栓同步变形，且传感器的超高测量精度，；4、如何实现螺栓检测传感器的低成本，可批量生产。

本发明的基于光纤光学相干传感器的智能螺栓，可以同时解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于光纤光学相干传感器的智能螺栓，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于光纤光学相干传感器的智能螺栓，包括堵头结构和合金空心结构件，所述合金空心结构件的上下部外表面上分别加工有螺纹一和所述螺纹二，通过所述螺纹一和所述螺纹二将检测传感器固定于螺栓上，堵头结构固定在合金空心结构件上，光纤光学相干传感器通过焊接固定孔固定在CrMo合金空心结构件上，光纤光学相干传感器的尾端光纤通过接插件固定在合金空心结构件的内孔中，接插件的上方设有光纤插芯。

作为本发明的进一步技术方案：所述光纤光学相干传感器的尾端光纤外部设有光纤松套管。

作为本发明的进一步技术方案：所述光纤插芯的设计高度低于螺栓的上表面。

作为本发明的进一步技术方案：所述接插件的上方内置一个法兰在传感器上。

作为本发明的进一步技术方案：所述堵头结构的上表面为反射面。

作为本发明的进一步技术方案：所述接合金空心结构件为42CrMo合金空心结构件。

作为本发明的进一步技术方案：所述接插件为6mm接插件。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：1、将光纤光学相干传感器置于智能螺栓监测传感器内，可以充分发挥光纤光学相干传感器高精度测距的优势，可以实现±1um的测量精度。可以对螺栓的智能监测精度提升很多。

2、采用光纤光学相干传感器测量距离，进而测量螺栓的变形和预紧力。实现螺栓检测传感器的长期可靠性，在使用过程中不会断纤、抗震动、不受高低温影响。

3、由于基于光纤光学相干的智能螺栓监测传感器是通过两个螺纹固定于螺栓上，可以实现与螺栓的同步形变，该传感器采用42CrMo合金，与螺栓是相同材质，可以有相同的热膨胀系数。

4、由于光纤光学相干传感器与42CrMo合金空心结构件是通过焊接的方式进行固定，保证了机械强度。

5、基于光纤光学相干传感器的智能螺栓监测方法，操作简单、可节约成本，可批量生产。

附图说明

图1为本发明基于光纤光学相干的智能螺栓监测传感器的剖面结构图。

图2为本发明基于光纤光学相干的智能螺栓监测传感器的整体结构图。

图中：堵头结构-1、螺纹一-2、反射面-3、光纤光学相干传感器-4、焊接固定孔-5、螺纹二-6、光纤松套管-7、合金空心结构件-8、接插件-9、光纤插芯-10。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：请参阅图1-2，一种基于光纤光学相干传感器的智能螺栓，包括堵头结构1和合金空心结构件8，所述合金空心结构件8的上下部外表面上分别加工有螺纹一2和所述螺纹二6，通过所述螺纹一2和所述螺纹二6将检测传感器固定于螺栓上，堵头结构1固定在合金空心结构件8上，光纤光学相干传感器4通过焊接固定孔5固定在42CrMo合金空心结构件8上，光纤光学相干传感器4的尾端光纤通过接插件9固定在合金空心结构件8的内孔中，接插件9的上方设有光纤插芯10。

本发明的制作过程如下：

步骤一、采用42CrMo合金空心结构件作为外结构，精加工而成的。由于42CrMo合金空心结构的材质与螺栓材质相同，与螺栓有相同的热膨胀系数。

步骤二、螺纹一和螺纹二是加工在42CrMo合金空心结构件的外表面上，在被测螺栓中心位置打一个M6的螺纹孔。通过螺纹一和螺纹二将检测传感器固定于螺栓上，并实现与螺栓同步形变。

步骤三、反射面为堵头结构的上表面，上表面需要一定的粗糙度，保证漫反射。当相干传感器和反射面有一定角度的时候，仍然可以实现距离的测量。

步骤四、光纤光学相干传感器与反射面调整好角度，堵头结构通过焊接的方式，固定于42CrMo合金空心结构件。

步骤五、再通过焊接固定孔将光纤光学相干传感器固定到42CrMo合金空心结构件上。

步骤六、光纤光学相干传感器的尾端光纤通过光纤松套管进行保护。防止尾端光纤的损伤。

步骤七、光纤光学相干传感器的尾端光纤，通过6mm接插件固定于42CrMo合金空心结构件的内孔中。

步骤八、6mm接插件的上方有一个出光纤的位置即光纤插芯，光纤插芯的设计高度低于螺栓的上表面，防止螺栓在搬运的过程中，损伤光纤插芯。

实施例2：在实施例1的基础上：接插件9的上方内置一个法兰在传感器上，法兰可以增加密封效果，增加检测精度。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。