一种基于光纤光栅用于监测螺栓松动的智能垫片装置的制作方法

本发明主要应用于土木工程以及机械工程的螺栓连接状态监测领域，具体的说，是当螺栓发生松动时，螺栓作用在垫片上的压力会减小，根据泊松原理，垫片会发生相应收缩，嵌入到垫片内的光纤光栅传感器的波长会发生变化，利用接收到的波长变化可以反过来推测螺栓连接状态，这种基于光栅光纤的智能垫片为工程上螺栓连接松动监测提供一种简便可行的方法。

背景技术：

现代大型土木结构，例如大跨度钢桥，超高层建筑以及大型输电塔等结构中，螺栓连接作为一种重要的连接方式，其可靠性是保证工程质量及结构正常服役的基础。因此，其连接界面损伤监测研究越来越受到人们的重视。

光栅光纤作为一种新型传感器近几年被广泛应用于结构健康监测领域。光纤传感器与传统传感器相比具有:①体积小、重量轻，对被测结构质量或刚度影响甚微，②抗电磁干扰，③抗腐蚀能力强，④灵敏度高等优点。由于光纤光栅中心波长λb变化与与光栅周期λ关系如下：

λb＝2·n·λ

其中，n为有效折射率。

光纤光栅中心波长λb变化与应变δε变化关系

其中为光纤材料的弹光系数。利用上述光纤光栅波长随应变改变的特点可以对螺栓松动问题进行定量监测。

技术实现要素：

为了解决螺栓松动定量监测问题，本发明提供了一种嵌入式光纤光栅用于监测螺栓松动的智能垫片装置。

本发明的技术方案：

一种基于光纤光栅用于监测螺栓松动的智能垫片装置，包括环向开槽垫片1、光纤光栅传感器2、保护层3和热固化区4；

在环向开槽垫片1的槽内装入光纤光栅传感器2，光纤光栅传感器2绕槽口一圈引出，光纤光栅传感器2的栅区位于环向开槽垫片1的中间位置；在保持预拉伸状态下，通过353胶对热固化区4进行热固化，热固化区4为光纤光栅传感器(2)的两端引出位置处；光纤光栅传感器2外为704胶保护层3进行保护。

所述的智能垫片装置在使用前进行标定，标定方法为：将智能垫片装置用标准扭矩扳手进行等梯度加扭矩，通过扭矩与光纤波长变化关系进行标定，从而用于判断实际中螺栓连接状态。

所述的智能垫片装置依靠螺栓施加给环向开槽垫片1的扭矩，导致光纤光栅传感器2波长改变，进而实现螺栓松动状况的监测，外加扭矩与智能垫片光纤光栅传感器2波长改变关系如下：

(1)嵌入环向开槽垫片1内的光纤光栅传感器2应变与波长关系如下：

εc＝kcδλc；

(2)嵌入环向开槽垫片1内的光纤光栅传感器2波长与外加扭矩关系如下：

式中：k为扭矩与轴力转化系数，取0.1；kc为应变转化系数；d1,d2为环向开槽垫片外径和内径；t为外加扭矩；μ为泊松比。

本发明的有益效果：

1、此装置依靠光纤光栅中心波长的改变与应变对应关系，通过远程监测，不需要人工现场检测，省时省力,而且对于螺栓的安装以及整体结构的性能没有影响。

2、此装置可以实时对结构进行监测，相比其他监测方法该方式敏感度高。

3、本发明构造简单，零件较少，制作和安装过程简单，适用性强，成本低维护方便，能有效监测出螺栓工作状态，具有广阔的推广市场和应用前景。

附图说明

图1是本发明整体实物示意图。

图2是本发明的前视图。

图3是本发明a-a截面剖视图。

图4(a)是本发明的智能垫片装置主视图的受力计算图。

图4(b)是本发明的智能垫片装置侧视图的受力计算图。

图中：1开槽垫片；2光纤光栅；3填充704胶的保护区；4热固化区；

d1,d2,为垫片外径和内径；c,c’为垫片受力形变前和形变后外周长；

f为扭矩转化力；l,l’为垫片受力形变前和形变后的厚度；

εl为厚度上的应变。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

本发明提供了一种基于光纤光栅用于监测螺栓松动的智能垫片装置，具体实施方式如下：

垫片1采用q235钢材料制成，具有较强的强度和以及一定的韧性，将垫片1环向进行开槽，环向开槽尺寸1mm深，1mm宽。将光纤光栅埋入槽内，光纤光栅埋入后需进行一定的预拉伸，可利用两端悬挂一定质量的砝码进行拉伸。保持光纤光栅预拉伸状态用353胶进行热固化。待胶水将光纤光栅固定后填充704胶进行保护，保持预拉伸状态至704胶风干。

风干后的垫片即为光纤光栅智能垫片，但是光纤光栅垫片在使用过程中需要进行标定，因此，光纤智能垫片标定也是本专利的一部分。标定过程如下：使用标准扭矩扳手进行等梯度加扭矩，通过扭矩与光纤波长变化关系进行标定，从而用于判断实际中螺栓连接状态。

技术特征：

技术总结
本发明属于土木工程以及机械工程的螺栓连接状态监测技术领域，提供了一种基于光纤光栅用于监测螺栓松动的智能垫片装置。该智能垫片装置是当螺栓发生松动时，螺栓作用在垫片上的压力会减小，根据泊松原理，垫片会发生相应收缩，嵌入到垫片内的光纤光栅传感器的波长会发生变化，利用接收到的波长变化可以反过来推测螺栓连接状态，这种基于光栅光纤的智能垫片为工程上螺栓连接松动监测提供一种简便可行的方法。

技术研发人员：霍林生;陈冬冬;宋钢兵;张建仁
受保护的技术使用者：大连理工大学
技术研发日：2017.06.30
技术公布日：2017.09.12