一种螺栓应力的光纤光栅监测装置的制作方法

本实用新型属于检测技术领域，涉及到土木工程及机械工程中的螺栓应力监测，具体涉及一种螺栓应力的光纤光栅监测装置。

背景技术：

重大土木工程及机械装备中的螺栓连接的有效性非常重要，螺栓工作时的应力状态能够反映出它们是否处于正常的工作情况，为此关于螺栓应力状态的监测技术越来越受到人们的重视。

传统的电磁信号类传感检测技术，如压电材料、电阻应变片等，由于其信号为弱电，易受工程现场恶劣的环境干扰，且信号引线多，引线长度受限制严重。而光纤光栅作为一种新的检测元件，具备抗电磁干扰、无零漂、耐腐蚀等优势，基于光纤光栅的螺栓应力监测技术发展迅速。申请号为“201710518882.4”的中国发明专利公开了一种基于光纤光栅用于监测螺栓松动的智能垫片装置，将光纤光栅布置在螺栓垫片中，当螺栓松动时垫片上压力减小而导致光纤光栅波长变化，但该申请中光纤光栅是通过垫片间接反映螺栓应力状态，存在一定误差。申请号为“201720607339.7”的中国实用新型专利公开了一种具有松动监测能力的光纤智能螺栓，采用了三支光纤光栅，其中一支位于螺栓轴向微孔中，测量应力，其它两个光纤光栅测量加速度，监测中需要根据这两个光纤光栅的振动加速度情况来分析，较为复杂。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的上述问题，本实用新型提供了一种螺栓应力的光纤光栅监测装置，结构简单、制作方便，且可通过设置不同数量的光纤光栅，监测螺栓应力的偏心分布情况。

为此，本实用新型采用了以下技术方案：

一种螺栓应力的光纤光栅监测装置，包括螺栓、第一光纤光栅和第二光纤光栅；所述螺栓包括六方螺帽、圆柱体部分、螺纹部分，所述圆柱体部分的表面沿平行于螺栓的轴向设有微凹槽，并在微凹槽径向距离最近的六方螺帽的外表面上设置有出纤孔，出纤孔与微凹槽贯通，形成出纤口；所述第一光纤光栅和第二光纤光栅位于同一根光纤上，两个光纤光栅均布置在微凹槽内；所述第一光纤光栅粘贴固定在微凹槽的底面，用于应力监测；所述第二光纤光栅自由悬空，用于温度补偿；第二光纤光栅的尾纤沿微凹槽引至六方螺帽外表面上的出纤孔后引出。

优选地，所述圆柱体部分的表面设有多个微凹槽，每个微凹槽内均布置有第一光纤光栅和第二光纤光栅，分别用于测量不同方位的应力分布情况。

优选地，所述微凹槽沿圆柱体部分的轴向设置，数量为多个，并沿圆柱体部分的周向均匀间隔分布。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

(1)结构简单，制作方便。

(2)光纤光栅测量信号不受环境电磁干扰，易于实现长期实时监测。

(3)设计灵活，可以通过设置不同数量的光纤光栅，监测螺栓应力的偏心分布情况，全面了解螺栓应力状态。

附图说明

图1是本实用新型所提供的一种螺栓应力的光纤光栅监测装置的结构示意图。

图2是螺栓结构的轴测图。

图3是沿周向等间隔布置三个微凹槽时的螺栓结构的透视图。

附图标记说明：1、螺栓；2、第一光纤光栅；3、第二光纤光栅；1-1、六方螺帽；1-2、圆柱体部分；1-3、螺纹部分；1-4、微凹槽；1-5、出纤孔。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例来详细说明本实用新型，其中的具体实施例以及说明仅用来解释本实用新型，但并不作为对本实用新型的限定。

如图1和图2所示，本实用新型公开了一种螺栓应力的光纤光栅监测装置，包括螺栓1、第一光纤光栅2和第二光纤光栅3；所述螺栓1包括六方螺帽1-1、圆柱体部分1-2、螺纹部分1-3，所述圆柱体部分1-2的表面沿平行于螺栓1的轴向设有微凹槽1-4，并在微凹槽1-4径向距离最近的六方螺帽1-1的外表面上设置有出纤孔1-5，出纤孔1-5与微凹槽1-4贯通，形成出纤口；所述第一光纤光栅2和第二光纤光栅3位于同一根光纤上，两个光纤光栅均布置在微凹槽1-4内；所述第一光纤光栅2粘贴固定在微凹槽1-4的底面，用于应力监测；所述第二光纤光栅3自由悬空，用于温度补偿；第二光纤光栅3的尾纤沿微凹槽1-4引至六方螺帽1-1外表面上的出纤孔1-5后引出。

具体地，所述圆柱体部分1-2的表面设有多个微凹槽1-4，每个微凹槽1-4内均布置有第一光纤光栅2和第二光纤光栅3，分别用于测量不同方位的应力分布情况。

具体地，所述微凹槽1-4沿圆柱体部分1-2的轴向设置，数量为多个，并沿圆柱体部分1-2的周向均匀间隔分布。

实施例1

首先，制作螺栓1，选取一段六方棒料，在车床上车去部分六方，形成六方螺帽1-1，其余部分均为圆柱体，然后在圆柱体端部使用板牙制作出螺纹部分1-3，则剩下的圆柱体形成圆柱体部分1-2，然后使用铣床在圆柱体1-2表面沿着螺栓轴向铣出一微小凹槽至六方螺帽1-1右侧表面，再使用钻头扩充该微小凹槽至六方螺帽1-1内部，形成微凹槽1-4，然后，使用钻头在六方螺帽1-1的六个方形表面中，径向距离微凹槽1-4最近的那个上面打孔，直至与微凹槽1-4联通，形成一个出纤孔1-5；

其次，布置光纤光栅，选取一根带有两个光纤光栅的光纤，其中一端尾纤掐断舍去，另外一端尾纤依次穿过微凹槽1-4和出纤孔1-5后引出，并使掐断尾纤附近的光纤光栅完全放入微凹槽1-4内，另外一个光纤光栅也完全位于微凹槽1-4内，靠近螺纹部分1-3的光纤光栅通过胶黏剂粘贴固定在微凹槽1-4内，形成第一光纤光栅2，用于测量螺栓轴向应力；靠近六方螺帽1-1的光纤光栅不粘贴固定，处于自由悬空状态，形成第二光纤光栅3，用于温度补偿。

第一光纤光栅2感知螺栓工作时在圆柱体部分产生的应变，引起第一光纤光栅2的波长漂移，同时，环境温度变化也会带来第一光纤光栅2的波长漂移，但第二光纤光栅3的波长漂移只由环境温度变化引起，因此第一光纤光栅2总的波长漂移量减去第二光纤光栅3的波长漂移量的K倍(其中K为第一光纤光栅2和第二光纤光栅3之间的温度灵敏度系数比值，该比值可通过在温度试验箱中测试得到)，即可得到由螺栓应变产生的波长漂移，再根据光纤光栅的测量理论，推出由螺栓应变产生的波长漂移对应的应变值，再乘以螺栓材料的杨氏模量，即可得到螺栓的应力值。

实施例2

如图3所示，在制作出带有六方螺帽1-1、圆柱体部分1-2、螺纹部分1-3后，使用铣床在圆柱体1-2表面轴向间隔120°铣出三个微小凹槽，再使用钻头扩充每个微小凹槽至六方螺帽1-1内部，形成三个微凹槽1-4；然后，使用钻头在六方螺帽1-1的六个方形表面中，径向距离每个微凹槽1-4最近的那个上面打孔，直至与微凹槽1-4联通，形成三个出纤孔1-5；则可在三个微凹槽1-4中分别布置第一光纤光栅2、第二光纤光栅3，共三组测量光纤光栅，分别感知螺栓周向间隔120°方向上的应力情况，更全面的了解螺栓工作应力状态，评估健康状况。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则范围之内所作的任何修改、等同替换以及改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。