一种基于光纤光栅传感的卡箍松动检测装置及检测方法与流程
本发明涉及光纤光栅传感和机械工程领域，具体涉及一种基于光纤传感的卡箍松动检测装置及检测方法。
背景技术
卡箍是液压管路系统结构中一种重要的紧固装置，常应用于航空航天、交通运输、船舶动力以及工程机械等领域。由于液压管路系统工作在高温、高压、强振动环境下，长期运行会导致卡箍发生松动甚至出现脱落而导致安全事故的发生，因此卡箍的可靠性与稳定性是保证整个液压管路系统安全运行的前提。然而目前，缺少相应针对卡箍健康状态的检测方法。
光纤光栅作为一种新型传感器近几年被广泛应用于结构状态检测领域，与传统的电类传感器相比，具有以下优势：1.体积小、重量轻，适用于狭小空间的安装与测量。2.绝缘性能好，抗电磁干扰能力强，能够在航空领域等具有强电磁干扰环境下应用。3.难腐蚀，化学性能稳定，适宜在易燃易爆的油、气、化工等恶劣环境下使用。4.传输容量大、传输损耗小，可实现远距离、多点分布式远距离测量与检测。光纤光栅中心波长λb变化与应变δε之间的关系为：
式中pe为光纤材料的弹光系数，利用光纤光栅波长随应变改变的关系可对卡箍的松动问题进行定量监测。
技术实现要素：
本发明的目的在于，针对现有技术的不足，提供一种操作简单便捷、测量结果精准的基于光纤光栅传感的卡箍松动检测装置及检测方法。
本发明所采用的技术方案为：一种基于光纤光栅传感的卡箍松动检测装置，主要包括光纤光栅解调仪、上位机、第一卡箍、第二卡箍，以及设于第一卡箍和第二卡箍接触面上的智能检测垫片，所述智能检测垫片包括本体，以及预埋于本体内的光纤光栅传感器，光纤光栅传感器的两端与外设的光纤光栅解调仪相连,光纤光栅解调仪通过局域网与上位机相连；所述第一卡箍和第二卡箍通过两根连接螺栓固定于管路上。
按上述方案，所述智能检测垫片的本体内沿轴向依次开设有相互连通的端孔a、长孔和端孔b，所述光纤光栅传感器的外部填充有胶水，胶水固化形成热固化区，光纤光栅传感器通过胶水固结于长孔内，光纤光栅传感器的两端分别经光纤套管引出本体，光纤套管分别通过保护胶层固定于端孔a和端孔b内。
按上述方案，所述管路架设于基座上，且管路上沿轴线方向间隔布置多个第一卡箍和第二卡箍，设于第一卡箍和第二卡箍之间的智能检测垫片依次串联。
按上述方案，所述第一卡箍与连接螺栓之间设置有螺栓垫片。
本发明还公开了一种基于光纤光栅传感的卡箍松动检测方法，主要包括以下步骤；
步骤一、提供如上所述的卡箍松动检测装置；
步骤二、通过连接螺栓对螺栓垫片施加预紧力f，螺栓垫片给第一卡箍相同大小的分布载荷，第一卡箍和第二卡箍对所述智能检测垫片施加作用力f1；
步骤三、观测光纤光栅传感器所在的位置的伸缩变形，光纤光栅传感器的波长发生漂移，光纤光栅传感器采集波长数据解调以后发送至上位机，上位机接收波长变化信号并结合信号特征提取与机器学习算法，对卡箍松动情况进行在线诊断。
按上述方案，在步骤三中，卡箍松动情况在线诊断的方法为：
(1)作用于连接螺栓的外加扭矩t与螺栓预紧力f之间的关系为：
t＝k·f·d
其中，t为作用于连接螺栓的扭矩；f为连接螺栓的预紧力；d为连接螺栓的公称直径；k为扭矩系数，且满足计算关系
(2)埋入所述智能检测垫片内的光纤光栅传感器的波长变化与外加扭矩t之间的关系为：
其中，k1为测应变的光纤光栅传感器的波长变化和预紧力f1之间的关系，
外加扭矩t和测应变的光纤光栅传感器的波长漂移成线性关系，根据光纤光栅传感器的波长变化情况表征第一卡箍和第二卡箍的松动情况。
按上述方案在步骤三中，光纤光栅传感器采集到的波长数据采用频谱峰值特征提取方法进行特征值提取，对提取后的特征值进行分类，完成卡箍松动程度的检测。
按上述方案，所述智能垫片在使用前进行标定，标定方法为：使用高精度小力矩扳手对连接螺栓施加扭矩，通过扭矩与光纤光栅传感器的波长漂移量进行标定，判断第一卡箍和第二卡箍的紧固状态。
本发明的有益效果为：
1、本发明构建了光纤光栅传感器中心波长漂移量与螺栓预紧力之间的对应关系，通过该对应关系的参数变化实现对卡箍松动的在线检测；同时，结合现代数据处理的方法，可实现卡箍在复杂多变的振动环境下的卡箍松动检测；
2、本发明所述智能检测垫片装置体积小，可适用于小公称直径的卡箍。对于空间受限的监测环境下具有很大的优势；
3、本发明所述检测方法可结合现代3d打印技术，且不破坏卡箍本体结构，还可重复使用，适用范围广，对检测结构影响小，易于安装拆卸，具有广阔的应用前景；
4、所述垫片装置监测的数据可通过局域网或无线网络传到远程监控与信心处理中心，可实现对卡箍健康状态的远程在线监测。
5、由于采用光纤光栅传感技术克服了传统电类传感器的局限性，使得该方法能适用于强电磁、高温、高湿和强振动的环境，如：航空发动机管路的卡箍松动检测。
附图说明
图1为本发明所述检测装置的整体结构示意图。
图2为本实施例中第一卡箍、第二卡箍与智能检测垫片的连接示意图。
图3为本实施例中智能检测垫片的本体的横向剖视图。
图4为本实施例中智能检测垫片的内部结构示意图。
图5为本实施例中智能检测垫片的轴向剖视图。
其中：1、智能检测垫片；2、端孔a；3、长孔；4、端孔b；5、光纤套管；6、保护胶层；7、光纤光栅应变传感器；8、热固化区；9、第一卡箍；10、第二卡箍；11、管路；12、连接螺栓；13、螺栓垫片；14、基座；15、光纤光栅解调仪；16、上位机。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地描述。
如图1所示的一种基于光纤光栅传感的卡箍松动检测装置，主要包括光纤光栅解调仪15、上位机16、第一卡箍9、第二卡箍10，以及设于第一卡箍9和第二卡箍10之间的智能检测垫片1，所述智能检测垫片1包括本体，以及预埋于本体内的光纤光栅传感器7，光纤光栅传感器7的两端与外设的光纤光栅解调仪15相连,光纤光栅解调仪15通过局域网与上位机16相连；所述第一卡箍9和第二卡箍10通过两根连接螺栓12固定于管路11上(第一卡箍9和第二卡箍10上分别对应设有与管路配置的半圆形的卡口，管路卡设于第一卡箍9和第二卡箍10之间)，如图2所示；所述第一卡箍9与连接螺栓12之间设置有螺栓垫片13。
优选地，如图3～图5所示，所述智能检测垫片1的本体内沿轴向依次开设有相互连通的端孔a2、长孔3和端孔b4，所述光纤光栅传感器7的外部填充有胶水，胶水受热固化形成热固化区8，光纤光栅传感器7通过胶水固结于长孔3内，光纤光栅传感器7的两端分别经光纤套管5引出本体，光线套管5分别通过保护胶层6固定于端孔a2和端孔b4内。
优选地，所述管路11架设于基座14上，且管路11上沿轴线方向间隔布置多个第一卡箍9和第二卡箍10，设于第一卡箍9和第二卡箍10之间的智能检测垫片1依次串联。
本实施例中，智能检测垫片1的制作过程如下：如图2～图4所示，沿本体轴线方向开设端孔a2、长孔3和端孔b4，端孔a2、长孔3和端孔b4的长度根据实际情况而定；考虑到安装的工艺性，端孔a2和端孔b4的直径均为1.8mm，长孔3的直径为1mm。将测量应变的光纤光栅传感器7放入长孔3内，可在光纤光栅传感器7引出的两端悬挂一定质量的砝码进行拉伸或手动拉伸，给予光纤光栅传感器一定的预紧力；在保持光纤光栅传感器7拉伸的状态下用5353nd胶进行加热固化；待胶水固化以后，将管线套管5套入光纤光栅传感器的两端后嵌入端孔a2和端孔b4内；采用12ex-509胶将光纤套管5固定于端孔a2和端孔b4内形成光纤套管保护胶层6。
本发明还提供了一种基于光纤光栅传感的卡箍松动检测方法，主要包括以下步骤；
步骤一、提供如上所述基于光纤光栅传感的卡箍松动检测装置；
步骤二、通过连接螺栓12对螺栓垫片13施加预紧力f，螺栓垫片13给第一卡箍9相同大小的分布载荷，第一卡箍9和第二卡箍10对所述智能检测垫片1施加作用力f1；
步骤三、观测光纤光栅传感器7所在的位置的伸缩变形，该变形进一步使得光纤光栅传感器7的波长发生漂移，该波长漂移量经解调以后发送至上位机16，上位机16接收波长变化信号并结合信号特征提取与机器学习算法，可对卡箍松动情况进行在线监测与诊断，如果监测环境温度稳定，对于连接螺栓的松动位置和松动程度可根据波长的漂移量直接得到，其原理如下：
(1)作用于连接螺栓12的外加扭矩t与螺栓预紧力f之间的关系为：
t＝k·f·d
其中，t为作用于连接螺栓12的扭矩；f为连接螺栓12的预紧力；d为连接螺栓12的公称直径；k为扭矩系数，且满足计算关系
(2)埋入所述智能检测垫片1内的光纤光栅传感器7的波长变化与外加扭矩t之间的关系为：
其中，k1为测应变的光纤光栅传感器7的波长变化和预紧力f1之间的关系，
优选地，在步骤三中，如果温度是动态变化的，对于卡箍的松动识别采用如下方法：光纤光栅传感器7采集到的波长数据采用频谱峰值特征提取方法进行特征值提取，对提取后的特征值进行分类即可完成对卡箍松动的识别。
优选地，所述的智能垫片1在使用前进行标定，标定方法为：使用高精度小力矩扳手对连接螺栓12施加扭矩，通过扭矩与光纤光栅传感器7的波长漂移量进行标定，从而进一步判断设备运行过程中第一卡箍9和第二卡箍10的紧固状态。
以上实施实例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解到本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施案例。因此，凡按本发明所揭示的原理、设计思路所做的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围内。
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