一种内置式光纤智能螺栓的制作方法

本发明属于光纤传感及结构健康监测技术领域，特别涉及一种内置式光纤智能螺栓。

背景技术：

螺栓连接广泛应用于机械、化工、交通、电力、航空和土木等行业的各类设备和结构中，一方面用于连接可拆卸部件，另一方面用于传递零部件间的载荷，连接状态表现为轴向预紧。螺栓预紧力就是在拧螺栓过程中在拧紧力矩作用下的螺栓与被连接件之间产生的沿螺栓轴心线方向的预紧力，其预紧力的大小直接关系到整个设备或结构工作的可靠性和安全性。

在不同的螺栓应用环境中，由于高温、高压、高频振动、载荷冲击等各种因素的影响，往往造成螺栓松动、疲劳和锈蚀而引起的断裂及过载等引起的事故，这些事故造成了很大的经济损失和人员伤亡，因此在结构的特定位置进行实时在线的工作状态健康结构监测很有必要。

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/存储器/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。

在智能螺栓中内置光纤传感器对结构进行健康监测是目前行业中研究的较多且技术比较成熟的一种制作方式，但就目前所能检索到的行业内的技术来看，几乎所有的智能螺栓的生产或设计方式采用的都是内部埋设的单一模式，而这种模式存在的缺陷是这样设计的智能螺栓只能起到监测螺栓工作状态的作用，也就是说只能将监测到的数据进行传输，螺栓是否松动，松动到什么程度，是否需要进行人工维修或者更换都需要工作人员进行实时观察并作出判断。

专利申请号为cn2014108022954的中国专利“一种基于光纤光栅传感原理的温度补偿智能螺栓”，该专利申请中螺栓开有通孔，光纤传感器贯穿通孔之间，在靠近螺栓头及螺栓尾的两端分别镀有应力光栅传感器及温度光栅传感器，光纤及螺栓孔之间用环氧树脂胶填充。这种通孔设置对可用的螺栓型号有局限，对螺栓杆稍长一点、硬度大一点的螺栓要想实现深细孔加工非常困难；此外，光纤的直径非常小，这也就要求通孔的直径要非常小才能与光纤适应，这在工艺上来说非常难实现，若通孔直径稍大，则通孔与光纤之间需要使用环氧树脂胶联接，然而如果胶层过厚，在环境因素通过螺栓应变传递到光纤传感器上时胶层会过滤掉一部分的能量，导致光纤传感器的应变存在传递误差，造成应变滞后，特别是在动态测量中影响更加显著。此外，胶层在螺栓内部会因缺氧而固化困难，且容易因固化不均匀而产生光栅啁啾现象，会进一步影响测量的精度。

专利申请号为cn2015107397562的中国专利公开了“一种带预拉伸装置的光纤光栅螺栓应力传感器”，螺帽端带有预拉伸装置，螺栓内部为阶梯孔，靠近螺帽的阶梯孔上端放置应力光栅传感器，由拉伸装置给光纤施加预拉伸量，光纤光栅呈拉紧状态，靠近螺栓尾的阶梯孔下端放置温度光栅传感器，光纤光栅呈松弛状态。该专利两根光纤在螺栓内部为悬空状态，虽然该专利发明人在中间阶梯孔处开小孔保持光纤与螺栓的平行，但光纤与小孔直径并不完全契合，中间需使用粘结剂进行填充，这就使得光纤并不能完全保证光纤完全沿螺栓中轴线分布，同时会产生附加的扭矩，从而影响光纤对外部的感知灵敏度，产生额外应变；此外，该专利在定头到螺栓尾部之间使用压缩的弹簧来保持定头与阶梯孔之间的连接，这其中存在着一个问题就是当应变传感器感应到应变变化时并不能区分这是螺栓受外界环境影响所产生的还是弹簧失去弹性而使得阶梯孔脱落对应变传感器造成的影响。

技术实现要素：

本发明目的在于提供了一种内置式光纤智能螺栓，解决了在螺栓本体内深细孔加工困难、胶层固化困难、胶层过厚导致应变传递失真、胶层固化不均匀产生啁啾、光纤单向封装无法有效监测的问题；

本发明为达到上述目的所采取的技术方案是：

一种内置式光纤智能螺栓，包括螺栓本体，在螺栓本体的顶部设有螺帽，在螺栓本体顶部同轴设有沿竖直方向设置的安装孔洞，所述安装孔洞将螺帽上下贯穿，在安装孔洞内嵌装有上下中空的环状管，所述环状管外壁与安装孔洞内壁之间采用胶粘接或卡槽卡接，在环状管的外壁上均匀设有一个或多个嵌装槽，所述嵌装槽与环状管的中心轴线平行，在嵌装槽内通过抗氧化胶封装有光纤传感器。

优选的，当环状管外壁与安装孔洞内壁之间采用胶粘接时，在环状管上均匀设有呈环形阵列分布的通气孔。

优选的，当环状管外壁与安装孔洞内壁之间采用卡槽卡接时，在环状管的外壁上设有一个或两个卡槽，在安装孔洞内壁上设有与卡槽相配合的凸条。

优选的，所述安装孔洞的长度小于螺栓本体长度且大于螺栓本体长度的三分之一。

优选的，所述环状管与螺栓本体的热膨胀系数、杨氏模量均相同。

优选的，在环状管内壁设铺设有过滤膜，所述过滤膜具有通气作用的同时对抗氧化胶具有阻挡作用。

本发明所具有的有益效果为：（1）通过在螺栓本体内设置环状管来承载光纤传感器从而避免了在螺栓本体上直接加工用于容纳光纤传感器的深细孔，同时在环状管上海可以承载一个或多个光纤传感器，实现了对螺栓本体多参数的同时监测；

（2）当环状管外壁与安装孔洞内壁之间采用胶粘接时，在环状管上均匀设有呈环形阵列分布的通气孔，从而解决中间胶因缺少氧气而固化困难的问题；

（3）当环状管外壁与安装孔洞内壁之间采用卡槽卡接时，拆卸安装方便，便于光纤传感器的更换从而进一步增加了实用性；

（4）环状管与螺栓本体的热膨胀系数和杨氏模量相同或接近，从而避免环状管在光纤传感器监测时引入新的误差，监测精度高。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为环状管的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步描述。

如图1所示和图2所示，一种内置式光纤智能螺栓，包括螺栓本体3，在螺栓本体3的顶部设有螺帽2，在螺栓本体3顶部同轴设有沿竖直方向设置的安装孔洞4，所述安装孔洞4将螺帽2上下贯穿，所述安装孔洞4的长度小于螺栓本体3长度且大于螺栓本体3长度的三分之一，在安装孔洞4内嵌装有上下中空的环状管1，所述环状管1外壁与安装孔洞4内壁之间采用胶粘接或卡槽卡接，在环状管1的外壁上均匀设有一个或多个嵌装槽7，所述嵌装槽7与环状管1的中心轴线平行，在嵌装槽7内通过抗氧化胶封装有光纤传感器5。

当环状管1外壁与安装孔洞4内壁之间采用胶粘接时，为了解决中间胶因缺少氧气而固化困难的问题，在环状管1上均匀设有呈环形阵列分布的通气孔6。

当环状管1外壁与安装孔洞4内壁之间采用卡槽卡接时，在环状管1的外壁上设有一个或两个卡槽，在安装孔洞4内壁上设有与卡槽相配合的凸条，其中卡槽可以与嵌装槽7结构相同也可以将部分嵌装槽7充当为卡槽。

为了避免环状管1在光纤传感器5监测时引入新的误差，所述环状管1与螺栓本体3的热膨胀系数、杨氏模量均相同。

同时还可以在环状管1内壁设铺设有过滤膜，所述过滤膜具有通气作用的同时对抗氧化胶具有阻挡作用，例如防水透气膜，从而解决了胶层中的气泡问题，减少甚至消除对光纤产生的啁啾影响。

本实施例中，当环状管1的外壁上均匀设有多个嵌装槽7时，可以在不同的嵌装槽7封装不同的光纤传感器以对螺栓本体3进行多参数的监测，同时也可以在不同的嵌装槽7封装相同的光纤传感器，例如应力光纤传感器以对螺栓本体3同一参数不同位置的多点同时监测。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。