适用于高温的光纤智能螺栓及其制备方法与流程

本发明属于智能螺栓领域，涉及一种基于光纤布拉格光栅传感原理的智能螺栓，具体涉及一种适用于高温的光纤智能螺栓及其制备方法。

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。

智能螺栓一般分为电信号类和光纤类两种，光纤类智能螺栓由于其轻便、成本低，抗电磁干扰能力强，已经逐渐成为智能螺栓的主流。光纤类的智能螺栓组装的关键是光纤与螺栓本体的结合，由于光纤较脆，容易损坏，所以采用光纤外套金属壳等结构，再在螺栓杆中打孔并采用粘胶将传感元件粘接在螺栓孔中。这样做虽然解决了光纤的固定，但是由于粘胶在深孔中难以注胶，注胶之后也固化较慢，并且还要防止粘胶直接接触光纤，操作较难。固化不均的粘胶在长期的使用中容易产生光栅啁啾、胶层厚则容易产生传感滞后、并且由于有机粘胶普遍不耐高温(一般有机胶不超过300℃)，所以限制了智能螺栓在高温的应用。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种适用于高温的光纤智能螺栓及其制备方法，以解决传统光纤光栅式智能螺栓与螺栓本体固定采用胶粘导致不能在高温中使用的问题，本发明可以在600℃高温下进行螺栓预紧检测和实时监测螺栓松紧。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种适用于高温的光纤智能螺栓，包括耐高温光纤光栅、金属化封装、光纤、金属涂覆层光纤、耐高温胶、螺栓本体和金属管；

所述光纤下部去除涂覆层部分的光纤内刻写有耐高温光纤光栅，所述耐高温光纤光栅外侧设置有金属化封装，金属化封装外侧设置外螺纹，螺栓本体上设置有盲孔，盲孔下部设置有与外螺纹配合的内螺纹，光纤上部预留的尾纤与金属涂覆层光纤熔接，尾纤与金属涂覆层光纤的熔接点采用与盲孔孔径匹配的金属管封装，且金属涂覆层光纤与金属管之间填充有耐高温胶。

进一步地，所述耐高温光纤光栅是利用超短飞秒脉冲激光器刻写的typei型、typeii型，或是利用长脉冲激光器刻写的再生光栅，所述的再生光栅包括typeiia型和热再生两种。

进一步地，所述金属化封装采用的加固金属为镍、锌、铜或金。

进一步地，所述金属涂覆层光纤为铜涂覆层光纤或金涂覆层光纤。

进一步地，所述金属管为镍管或304不锈钢管。

一种适用于高温的光纤智能螺栓的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：利用激光在光纤去除涂覆层部分的光纤内刻写耐高温光纤光栅；

步骤二：将耐高温光纤光栅的光栅区两侧剥去需要长度的涂覆层，并将该剥去涂覆层后的区域清洗干净，待该区域烘干后，对该区域进行化学镀，生成均匀致密的金属薄层以便电镀；

步骤三：将生成金属薄层的区域拉直并充分浸泡在电镀反应池中，持续电镀增厚至所需厚度，形成光纤光栅的金属化封装，将金属化封装车出外螺纹，最后与螺栓本体组装旋紧至底部；

步骤四：将耐高温光纤光栅预留尾纤与金属涂覆层光纤熔接，并用金属管套住熔接点，使用耐高温粘胶将金属涂覆层光纤与金属管中空隙填充。

进一步地，还包括：

步骤五：将光纤智能螺栓先在250℃保持12小时以上进行去氢脆，再在600℃温度下保持6小时，之后控制降温速度，每40min降温100℃进行热退火；

步骤六：退火至室温后，采集温度-波长关系依赖曲线，标定不同温度下的标准波长。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明将耐高温光纤光栅通过金属化封装方式加固，并通过车外螺纹与螺栓本体固定，尾部光纤与金属涂覆层光纤熔接，再采用与螺栓本体孔径匹配的管式封装保护熔接点；所具有的有益效果为：(1)金属化封装是一种保护光纤光栅的封装方式，这种封装方式硬度高，抗剪切能力强。通过在上面车螺纹，与螺栓本体连接，连接牢固，操作简单，成本低，代替了传统的棒状结构，也避免了粘胶的使用和粘胶导致的各种缺陷。金属化封装常用于对光纤光栅进行封装，通过焊接可以跟外壳固定保护光纤元件，采用化学镀-电镀法制备的金属化封装硬度高、成本低、方法简单，而且能够适当做厚，这给金属化封装上车螺纹留出了空间。并且本方法中通过了系统的退火消除了化学镀-电镀法金属化封装中应力不均等缺陷，使其长久耐用，可以在上面车螺纹，实现与螺栓本体的螺纹方式连接。(2)这种无胶化连接，同时突破了智能螺栓由于粘胶导致的高温限制。同时，光纤表面由金属覆盖，热膨胀系数等参数与螺栓本体接近，在大范围温度变化中更为稳定。通过在typeii型光纤光栅镀金属并车螺纹，尾部光纤与金属涂覆层光纤熔接后，智能螺栓整体的使用温度可以达到600℃。若不考虑尾部的金属涂覆层光纤，螺栓本体理论可长期在1000℃中使用。

附图说明

图1是该智能螺栓的结构示意图。

其中，1-耐高温光纤光栅，2-金属化封装，3·-光纤，4-金属涂覆层光纤，5-耐高温胶，6-螺栓本体，7-金属管。

图2是智能螺栓放松时，200℃中心波长稳定性。

图3是智能螺栓放松时，600℃中心波长稳定性。

具体实施方式

下面对本发明作进一步详细说明：

参见图1，一种适用于高温的光纤智能螺栓，包括耐高温光纤光栅1、金属化封装2、光纤3、金属涂覆层光纤4、耐高温胶5、螺栓本体6和金属管7，耐高温光纤光栅1通过金属化封装方式加固，并通过车外螺纹与螺栓本体6固定，尾部光纤与金属涂覆层光纤4熔接，再采用与螺栓本体6孔径匹配的管式封装保护熔接点，所使用的耐高温光纤光栅1是利用超短飞秒脉冲激光器刻写的typei型、typeii型，或是利用长脉冲激光器刻写的再生光栅，所述的再生光栅包括typeiia型和热再生两种，耐高温光纤光栅1的加固方式采用光纤金属化的方式，加固金属包括但不限于镍、锌、铜、金等，加固后的耐高温光纤光栅1与螺栓本体6的固定采用无胶化的螺纹连接方式。

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细描述：

首先采用飞秒激光的方式，刻写耐高温光纤光栅1。之后通过对耐高温光纤光栅1金属化，首先对洗净的裸光栅进行清洗，清洗后表面进行化学镀银，通过化学镀银使光纤光栅表面生成致密的银层，之后对光纤光栅进行电镀，使光纤光栅表面的金属涂层不断增厚。增厚到需要的厚度后，对光纤光栅表面的金属化部分车外螺纹，对智能螺栓内壁车匹配的内螺纹使得最后可以旋紧固定。光纤3的尾纤与金属涂覆层光纤4熔接，金属涂覆层光纤有良好的耐温性能和柔韧性，连接处使用金属管保护熔接点，金属涂覆层光纤4与金属管7间采用耐高温胶填充固定。

本发明制备的具体步骤为：

1.利用激光在光纤3去除涂覆层部分的光纤内刻写耐高温光纤光栅1。光纤3既可以是普通单模光纤，也可以是通过去除金属涂封层光纤4的涂覆层得到的裸光纤，若为后者，则在下文步骤4中则不需要熔接光纤3与金属涂覆层光纤4。在光纤中刻写的耐高温光纤光栅1可以是超短飞秒脉冲激光器刻写的typei型、typeii型，也可以是利用长脉冲激光器刻写的再生光栅，所述的再生光栅包括typeiia型和热再生两种；

2.将耐高温光纤光栅1两侧剥去适当长度的涂覆层，并依次用稀硝酸、蒸馏水、稀氢氧化钠、蒸馏水浸泡冲洗，再将该剥去涂覆层后的区域依次置于丙酮、酒精、蒸馏水中超声15到20分钟清洗光纤。待光纤烘干后，将光纤置于配好的化学反应溶液环境中充分反应。此步骤可在该区域生成化学镀层。

3.利用夹具使生成化学镀层的区域拉直并将其充分浸泡在电镀反应池中，反应池中配有相应金属的金属棒作为阳极，耐高温光纤光栅1的化学镀层作为阴极，进行电镀增厚为金属化封装2，根据螺栓尺寸不同可增厚至不同厚度取出。将金属化封装2车出外螺纹，最后利用金属化封装2将螺栓本体与光纤部分组装旋紧。

4.将与耐高温光纤光栅1连接的光纤3与金属涂覆层光纤4熔接，并用金属管7套住熔接点，使用耐高温胶5将金属涂覆层光纤4与金属管7的间隙填充，并预留通气孔防止气压变化使螺栓不稳定。

5.将光纤智能螺栓先在250℃保持12小时以上进行去氢脆，再在600℃温度下保持6小时，之后每40min降温100℃进行热退火，防止降温过程中的应力导致螺栓损坏，根据螺栓尺寸不同，还可适当增加时间。

6.退火至室温后，采集温度-波长关系依赖曲线，标定不同温度下的标准波长。使用螺栓时，将螺栓旋入螺母中直至波长增大即为拧紧，在温度变化时，需通过其他温度测量设备得知温度，再根据温度-波长关系解调得到该温度下的标准波长，若当前波长大于标准波长时，可视为拧紧。

实施例1

本实施例以在铜涂覆层光纤上刻写耐高温光栅，并采用化学镀银和电镀镍的方法对耐高温光纤光栅进行金属化封装为例，具体如下：

1.将铜涂覆层光纤一段浸泡于硝酸银溶液中，浸泡长度约15cm，将铜涂覆层去除得到裸光纤，将裸光纤超声洗净；

2.采用飞秒激光的方式，在去除了铜涂覆层的裸光纤上刻写耐高温光栅。

3.将该裸光纤依次用稀硝酸、蒸馏水、稀氢氧化钠、蒸馏水浸泡冲洗，再将该裸光纤依次置于丙酮、酒精、蒸馏水中超声清洗光纤。待光纤烘干后，将光纤置于配好的银镜反应溶液环境中充分反应。此步骤可在该区域生成光亮致密的银镀层。

4.利用夹具使裸光纤的银镀层拉直并浸泡在镍电镀反应池中，液面上留出一段连接阴极，将镍棒一段插入反应池中连接阳极，进行电镀增厚为镍金属化封装。将镍金属化封装车出外螺纹，最后利用镍金属化封装将螺栓本体与光纤部分组装旋紧。

5.将铜涂覆层光纤剥除裸光纤过渡部分用镍管套住并用耐高温胶填充，在耐高温胶固化过程中，采用毛细玻璃管预留一个通气孔防止密闭环境下，温度升高时，螺栓内部气压过大引起损坏。

6.将光纤智能螺栓先在250℃保持12小时以上进行去氢脆，再在600℃温度下保持6小时，之后每40min降温100℃进行热退火，防止降温过程中的应力导致螺栓损坏，根据螺栓尺寸不同，还可适当增加时间。

7.退火至室温后，采集温度-波长关系依赖曲线，标定不同温度下的标准波长。使用螺栓时，将螺栓旋入螺母中直至波长增大即为拧紧，在温度变化时，需通过其他温度测量设备得知温度，再根据温度-波长关系解调得到该温度下的标准波长，若当前波长大于标准波长时，可视为拧紧。

对中心波长约为1550nm的镍金属化封装的光纤光栅组装的智能螺栓进行200℃和600℃升降温测试，并稳定在该温度下观察该温度下的波长稳定性。如图2，在不断升到200℃中在多次的升温中，200℃下对应的波长基本稳定，误差小于0.1nm，这主要是由于实验中高温炉本身温度波动引起的，在高温下，高温炉的炉温会更为稳定。如图3，在不断升到600℃中在多次的升温中，600℃下对应的波长基本稳定，误差小于0.03nm。

实施例2

本实施例以在金涂覆层光纤上刻写耐高温光栅，并采用化学镀镍和电镀铜的方法对耐高温光纤光栅进行金属化封装为例，具体如下：

1.将金涂覆层光纤一段浸泡于王水溶液中，浸泡长度约15cm，将金涂覆层去除得到裸光纤，将裸光纤超声洗净；

2.采用飞秒激光的方式，在去除了金涂覆层的裸光纤上刻写耐高温光栅。

3.将该裸光纤依次用稀硝酸、蒸馏水、稀氢氧化钠、蒸馏水浸泡冲洗，再将该裸光纤依次置于丙酮、酒精、蒸馏水中超声清洗光纤。待光纤烘干后，将光纤粗化敏化之后化学镀镍。此步骤可在该区域生成黑色的致密的镍镀层。

4.利用夹具使裸光纤的镍镀层拉直并浸泡在铜电镀反应池中，液面上留出一段连接阴极，阳极为铜棒，进行电镀增厚为铜金属化封装。将铜金属化封装车出外螺纹，最后利用铜金属化封装将螺栓本体与光纤部分组装旋紧。

5.将金涂覆层光纤剥除裸光纤过渡部分用钢管套住并用耐高温胶填充，在耐高温胶固化过程中，采用毛细玻璃管预留一个通气孔防止密闭环境下，温度升高时，螺栓内部气压过大引起损坏。

6.将光纤智能螺栓先在250℃保持12小时以上进行去氢脆，再在600℃温度下保持6小时，之后每40min降温100℃进行热退火，防止降温过程中的应力导致螺栓损坏，根据螺栓尺寸不同，还可适当增加时间。

7.退火至室温后，采集温度-波长关系依赖曲线，标定不同温度下的标准波长。使用螺栓时，将螺栓旋入螺母中直至波长增大即为拧紧，在温度变化时，需通过其他温度测量设备得知温度，再根据温度-波长关系解调得到该温度下的标准波长，若当前波长大于标准波长时，可视为拧紧。

实施例3

本实施例以在单模光纤上刻写耐高温光栅，将其与铜涂覆层光纤熔接，并采用化学镀银和电镀镍的方法对耐高温光纤光栅进行金属化封装为例，具体如下：

1.将单模光纤超声洗净，采用飞秒激光的方式，在单模光纤上刻写耐高温光栅，将单模光纤与铜涂覆层光纤熔接。

2.将该单模光纤依次用稀硝酸、蒸馏水、稀氢氧化钠、蒸馏水浸泡冲洗，再将该裸光纤依次置于丙酮、酒精、蒸馏水中超声清洗光纤。待光纤烘干后，将光纤粗化敏化之后化学镀镍。此步骤可在该区域生成黑色的致密的镍镀层。

3.利用夹具使裸光纤的镍镀层拉直并浸泡在锌电镀反应池中，液面上留出一段连接阴极，阳极为锌棒，进行电镀增厚为锌金属化封装。将锌金属化封装车出外螺纹，最后利用锌金属化封装将螺栓本体与光纤部分组装旋紧。

4.将铜涂覆层光纤与裸光纤熔接部分用钢管套住，并将铜涂覆层光纤的涂覆层与钢管焊接。

5.将光纤智能螺栓先在250℃保持12小时以上进行去氢脆，再在600℃温度下保持6小时，之后每40min降温100℃进行热退火，防止降温过程中的应力导致螺栓损坏，根据螺栓尺寸不同，还可适当增加时间。

6.退火至室温后，采集温度-波长关系依赖曲线，标定不同温度下的标准波长。使用螺栓时，将螺栓旋入螺母中直至波长增大即为拧紧，在温度变化时，需通过其他温度测量设备得知温度，再根据温度-波长关系解调得到该温度下的标准波长，若当前波长大于标准波长时，可视为拧紧。