一种螺栓轴向应力和剪切应力的检测装置及确定方法与流程

本发明属于光纤传感，尤其涉及一种螺栓轴向应力和剪切应力的检测装置及确定方法。

背景技术：

1、在钢结构和桥梁工程中需要用到大量的钢材，作为各种工程结构和机械设备关键构件连接处的螺栓的性能稳定性也越发受到重视。在实际工程中，普遍是因为螺栓承受了过大的荷载比如说过大的轴力和剪力，造成了螺栓应力超过了其强度极限而产生破坏。

2、光纤光栅传感器已被广泛应用于结构健康监测，具有尺寸小、可嵌入、灵敏度高、抗电磁干扰等优势。目前，已有不少研究将光纤光栅传感器应用于螺栓连接状态监测。现有的技术方案通过在螺栓上设置多个通孔，并且在每个通孔内设置一处光栅测量点对螺栓的受力状况进行检测。

3、然而，仅仅是根据一处光栅测量点的测量结果，不能对螺栓不同位置的受力做出逐一的、准确的测量，进而判断整个螺栓的受力状态。实际上，螺栓连接的实际工况复杂，尤其是对于长螺栓，其不同位置处的受力是不同的，故现有技术无法开展不同位置的准确受力状态检测。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明公开了一种螺栓轴向应力和剪切应力的检测装置及确定方法。

2、本发明公开了一种螺栓轴向应力和剪切应力的检测装置，包括：螺栓基体以及多根光纤；

3、所述螺栓基体沿轴向开设有中心通孔和多个边缘通孔；

4、所述多个边缘通孔围绕中心通孔设置，且每一个边缘通孔到所述中心通孔的距离相等；

5、所述中心通孔和每一个所述边缘通孔内分别设置有一根光纤，且每一根所述光纤上均设有应力感知区；

6、所述应力感知区为间隔第一预设距离设置的预设数量的应力感知光栅。

7、优选地，所述螺栓轴向应力和剪切应力的检测装置还包括：多个温度补偿光栅，所述温度补偿光栅的数量与光纤的数量相同；

8、每个所述温度补偿光栅设置于一根光纤上，且所述温度补偿光栅与所述应力感知区间隔第二预设距离。

9、优选地，所述螺栓轴向应力和剪切应力的检测装置还包括：预拉伸件；

10、所述预拉伸件的两端分别对应设置在所述应力感知区的两端，用于使所述预设数量的应力感知光栅保持拉直状态。

11、优选地，所述螺栓轴向应力和剪切应力的检测装置还包括：多根中空结构的固定轴，所述固定轴的数量与所述光纤的数量相同；

12、每根所述固定轴套设于一根所述光纤的外部，并与所述光纤固定连接。

13、优选地，所述光纤为去掉涂覆层的光纤芯线。

14、优选地，每一根光纤的应力感知区所在区域的通孔直径小于所述温度补偿光栅所在区域的通孔直径。

15、优选地，每根所述固定轴的两端各设有一个出纤孔；

16、每一个所述出纤孔的直径大于所述光纤的直径。

17、本发明还公开了一种螺栓轴向应力和剪切应力的确定方法，包括以下步骤：

18、根据中心通孔中每一个应力感知光栅的应变灵敏度及温度补偿光栅的温度灵敏度确定所述螺栓基体的轴向应力；

19、根据所述螺栓基体的扭矩系数、每一根光纤上的第一应力感知光栅的应变灵敏度及中心波长漂移量，确定所述螺栓基体的剪切应力。

20、所述中心通孔中每一个应力感知光栅的应变灵敏度的确定方法，具体为：

21、获取中心通孔中光纤的弹光系数及每一个应力感知光栅的中心波长；

22、根据所述弹光系数和每一个所述中心波长，确定中心通孔中每一个应力感知光栅的应变灵敏度。

23、优选地，所述第一应力感知光栅为距离螺栓头第一预设距离的应力感知光栅。

24、相较于现有技术，本发明具有如下有益效果：

25、(1)本发明通过在螺栓基体内设置多根光纤，并且在每一根光纤的不同位置设置多个应力感知光栅，实时测得螺栓基体不同部位的应力分布情况，避免了单个光栅感知螺栓基体应变带来的应变滞后，故本发明得到的检测信息更为全面和精准；

26、(2)本发明在每一根光纤上同时设置了应力感知光栅和温度补偿光栅，通过一根光纤上两种光栅的波长变化差值来反映螺栓的应力，消除了温度变化对光栅波长的影响，提高了本发明检测结果的准确性；

27、(3)本发明对光纤进行预拉伸后将其封装在固定轴内，有效避免光纤光栅啁啾造成的测量结果不准确；

28、(4)本发明在光纤外部套设了固定轴，并将固定轴粘接在螺栓基体的每一个通孔中，从而使得每一根光纤始终保持在对应通孔的中央，保证了本发明检测结果的精确性。

技术特征：

1.一种螺栓轴向应力和剪切应力的检测装置，其特征在于，包括：螺栓基体以及多根光纤；

2.根据权利要求1所述的螺栓轴向应力和剪切应力的检测装置，其特征在于，还包括：多个温度补偿光栅，所述温度补偿光栅的数量与光纤的数量相同；

3.根据权利要求1所述的螺栓轴向应力和剪切应力的检测装置，其特征在于，还包括：预拉伸件；

4.根据权利要求1所述的螺栓轴向应力和剪切应力的检测装置，其特征在于，还包括：多根中空结构的固定轴，所述固定轴的数量与所述光纤的数量相同；

5.根据权利要求4所述的螺栓轴向应力和剪切应力的检测装置，其特征在于，所述光纤为去掉涂覆层的光纤芯线。

6.根据权利要求2所述的螺栓轴向应力和剪切应力的检测装置，其特征在于，每一根光纤的应力感知区所在区域的通孔直径小于所述温度补偿光栅所在区域的通孔直径。

7.根据权利要求4所述的螺栓轴向应力和剪切应力的检测装置，其特征在于，每根所述固定轴的两端各设有一个出纤孔；

8.根据权利要求1-7任一项所述的螺栓轴向应力和剪切应力的检测装置对应的螺栓轴向应力和剪切应力的确定方法，其特征在于，包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的螺栓轴向应力和剪切应力的确定方法，其特征在于，所述中心通孔中每一个应力感知光栅的应变灵敏度的确定方法，具体为：

10.根据权利要求8所述的螺栓轴向应力和剪切应力的确定方法，其特征在于，所述第一应力感知光栅为距离螺栓头第一预设距离的应力感知光栅。

技术总结
本发明公开了一种螺栓轴向应力和剪切应力的检测装置及确定方法，装置包括：螺栓基体以及多根光纤；螺栓基体沿轴向开设有中心通孔和多个边缘通孔；多个边缘通孔围绕中心通孔设置，且每一个边缘通孔到中心通孔的距离相等；中心通孔和每一个边缘通孔内分别设置有一根光纤，且每一根光纤上均设有应力感知区；应力感知区为间隔第一预设距离设置的预设数量的应力感知光栅。本发明通过在螺栓基体内设置多根光纤，并且在每一根光纤的不同位置设置多个应力感知光栅，实时测得螺栓基体不同部位的应力分布情况，避免了单个光栅感知螺栓基体应变带来的应变滞后，故本发明得到的应力检测信息更为全面和精准。

技术研发人员：马首道,掌蕴东,王斌,王依霖
受保护的技术使用者：光子集成（温州）创新研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15