基于FBG传感器检测螺栓连接结合面面压的标定方法与流程

本发明属于连接件结合面压力检测技术领域，具体的为一种基于fbg传感器检测螺栓连接结合面面压的标定方法。

背景技术：

在进行工程重大装备零部件组装以及高精密零件装配时，常用到螺栓连接，但是一直以来螺栓预紧力以及连接结合面压力都难以精确控制，结合面上压力控制不准确以及安装后结合面压力分布不均匀，都会严重影响连接的刚度及设备的整体性能，在重大装备装配中，如航空发动机中的高压、低压涡轮轴，高压压气机盘鼓等零件中存在大量的螺栓连接，精确控制连接面压力大小以及分布均匀性可以有效提高设备性能。因此，在这些重大装备装配中，获得一种测量准确可靠、能够用于实际的结合面压力检测方法就显得尤为重要。

随着高端装备的发展及日益的精量化，实现对结合面参数的准确检测尤为迫切，不仅要求掌握压力的分布规律更要实现压力大小的精准检测。目前，在螺栓连接中已有超声检测法、薄膜法等进行结合面压力的检测与分析，超声检测法能够实现对结合面接触面积、压力分布等参数直接进行无损检测，但是其易受噪声影响，而且检测精度低严重限制了这种方法的应用；采用薄膜传感器法可以实时检测结合面压力，但是很难应用于实际情况，薄膜传感器无法取出，而且可能对连接产生影响，无法进行标定，以上方法均存在各自应用中的局限性。

针对以上检测手段的弊端，基于fbg传感器检测螺栓连接结合面面压的方法有其独特的优点，噪声等外界因素对fbg传感器的检测影响很小，而且其直接检测应变量大小，精度较高，很大程度提高了检测精度；其能够在对结合面破坏极小的情况下，有效检测出结合面压力的具体值，避免了在结合面处嵌入压力传感器的弊端。但是要同时检测结合面处多点面压或者结合面情况较为复杂时，标定过程就会比较繁琐且难于控制，严重限制了这种方法的应用。本发明是基于这种结合面面压检测方法提出了一种合理、可靠的标定方法，使标定过程更为简单而且极大的提高了标定效率，使其应用更加方便。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术的缺陷，针对一种基于fbg传感器的螺栓连接结合面面压检测方法，发明了一种方便而且可靠的应变-结合面压力标定方法。该方法是在使用基于fbg传感器的螺栓紧固结合面面压检测方法的基础上，结合具体实验参数设计出一套完整的标定方法，包括等效环形被连接件、被连接件上fbg传感器埋设槽以及整个标定过程的设计。解决了同时检测结合面处多点面压或者结合面情况较为复杂情况下标定过程比较繁琐且难于控制的问题，标定过程更为简单而且极大的提高了标定效率，使得这种结合面压力检测方法得到更广泛的应用。

本发明的技术方案：

基于fbg传感器检测螺栓连接结合面面压的标定方法，步骤如下：

(1)等效环形被连接件尺寸的确定

fbg传感器埋设槽的位置确定在环形被连接件的半径中点处，方向垂直与所在的半径，先确定临界粘贴长度(cal)：

cal＝lc＝9.24/k(1)

其中：d是埋设槽宽度；gc是胶体剪切模量；rg是裸光纤半径；eg是光纤弹性模量；rm-rg是光纤与基体之间胶体厚度；

再确定等效环形被连接件的半径尺寸r：

(2)被连接件上fbg传感器埋设槽尺寸的确定

平均应变传递率为：

其中：l为fbg传感器粘贴长度的一半；

当fbg传感器的粘贴长度一定时，参数k的影响因素即确定平均应变传递率的大小，以接近1为目标确定参数，以实际加工精度和封装工艺为前提，即确定fbg传感器埋设槽尺寸，此处环形被连接原理试验件埋设槽尺寸与试验件埋设槽尺寸保持一致；

(3)标定过程

(3.1)确定好环形被连接件尺寸以及埋设槽尺寸后，在下被连接件3上半径中点、垂直于所在的半径开设出一条fbg传感器埋设槽5，使用fbg传感器封装胶7按照fbg传感器封装粘贴工艺将fbg传感器6固定在fbg传感器埋设槽5内，并检查fbg传感器6的状态，静置12小时后，完成fbg传感器的埋置；

(3.2)按照螺栓连接要求，将薄膜压力传感器8置于上被连接件2和下被连接件3之间，准确安放位置，保护好fbg传感器6和薄膜压力传感器8，安装连接螺栓1和连接螺母4，并对连接螺栓1施加一定的预紧力，检查fbg传感器6和薄膜压力传感器8的安装质量及灵敏度；

(3.3)标定中直接读出上被连接件2和下被连接件3结合面上沿径向薄膜压力传感器8的压力示数，经数据处理后得到fbg传感器6测点位置的面压值；

(3.4)fbg传感器6反馈的应变数据经过采集卡处理，即得到结合面应变的测量值；

(3.5)按照以上获取结合面压力和fbg传感器应变值的方法，通过改变螺栓不同的预紧力，分别实时记录两个传感器反馈的数值，得到目标数据值，即完成螺栓连接结合面应变-压力标定试验，得到应变-结合面压力标定曲线。

本发明的有益效果：本发明针对一种基于fbg传感器检测螺栓连接结合面面压的方法，提出了一种方便而且可靠的应变-结合面压力标定方法。解决了同时检测结合面处多点面压或者结合面情况较为复杂情况下标定过程比较繁琐且难于控制的问题，标定过程更为简单而且极大的提高了标定效率，使得这种结合面压力检测方法得到更广泛的应用。

附图说明

图1是本发明的标定原理框图；

图2是标定装置示意图；

图3是标定得到的应变-结合面压力曲线图。

图中：1连接螺栓；2上被连接件；3下被连接件；4连接螺母；5fbg传感器埋设槽；6fbg传感器；7fbg传感器封装胶；8薄膜压力传感器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。

本发明的标定原理如附图1所示，基于光纤光栅的特点和fbg传感器原理，将fbg传感器埋置于被连接内：在被连接件表面上开设合理的埋设槽，按照光纤光栅封装工艺，将其埋设在被连接件内，用来测量连接结合面处的应变值；同时结合薄膜压力传感器，将其置于被连接件之间，用来测量螺栓连接结合面处的压力值，两个传感器实时反馈出不同预紧力下的应变-结合面压力数据，完成标定试验，得到应变-结合面压力曲线图。标定过程包括等效环形被连接件、被连接件上fbg传感器埋设槽以及整个标定过程的设计。解决了同时检测结合面处多点面压或者结合面情况较为复杂情况下标定过程比较繁琐且难于控制的问题，标定过程更为简单而且极大的提高了标定效率，使得这种结合面压力检测方法得到更广泛的应用。

下面以一个具体实施例子来详细描述本发明的标定过程：

表1实例参数及对应值

1)等效环形被连接件尺寸的确定

fbg传感器埋设槽的位置确定在环形被连接件的半径中点处，先确定临界粘贴长度(cal)：

根据上表具体实验数据，计算得临界粘贴长度为：

cal＝lc＝9.24/k≈47mm

再确定等效环形被连接件的半径尺寸r：

2)被连接件上fbg传感器埋设槽尺寸的确定

分析fbg传感器的平均应变传递率、光纤封装工艺及实际加工工艺确定合理的埋设槽尺寸。当fbg传感器的粘贴长度达到一定值时，sinh(kx)和cosh(kx)比较相近，影响参数k的因素即确定了平均传递率的大小，以接近1为目标确定参数，以实际加工精度和封装工艺为前提，本实验确定fbg埋设槽合适的尺寸：埋设槽截面为1*1mm的正方形槽。

3)具体标定过程

(3.1)确定好环形被连接件尺寸以及埋设槽尺寸后，在下被连接件3上半径中点、垂直于所在的半径开设出一条fbg传感器埋设槽5，使用fbg传感器封装胶7按照fbg传感器封装粘贴工艺将fbg传感器6固定在fbg传感器埋设槽5内，并检查fbg传感器6的状态，静置12小时后，完成fbg传感器的埋置；

(3.2)按照螺栓连接要求，将薄膜压力传感器8置于上被连接件2和下被连接件3之间，准确安放位置，保护好fbg传感器6和薄膜压力传感器8，安装连接螺栓1和连接螺母4，并对连接螺栓1施加一定的预紧力，检查fbg传感器6和薄膜压力传感器8的安装质量及灵敏度；

(3.3)标定中直接读出上被连接件2和下被连接件3结合面上沿径向薄膜压力传感器8的压力示数，经数据处理后得到fbg传感器6测点位置的面压值；

(3.4)fbg传感器6反馈的应变数据经过采集卡处理，即得到结合面应变的测量值；

(3.5)按照以上获取结合面压力和fbg传感器应变值的方法，通过改变螺栓不同的预紧力，分别实时记录两个传感器反馈的数值，得到目标数据值，即完成螺栓连接结合面应变-压力标定试验，得到应变-结合面压力标定曲线如附图3所示。