本發(fā)明主要應(yīng)用于土木工程以及機械工程的螺栓連接狀態(tài)監(jiān)測領(lǐng)域，具體的說，是當(dāng)螺栓發(fā)生松動時，螺栓作用在墊片上的壓力會減小，根據(jù)泊松原理，墊片會發(fā)生相應(yīng)收縮，嵌入到墊片內(nèi)的光纖光柵傳感器的波長會發(fā)生變化，利用接收到的波長變化可以反過來推測螺栓連接狀態(tài)，這種基于光柵光纖的智能墊片為工程上螺栓連接松動監(jiān)測提供一種簡便可行的方法。

背景技術(shù)：

現(xiàn)代大型土木結(jié)構(gòu)，例如大跨度鋼橋，超高層建筑以及大型輸電塔等結(jié)構(gòu)中，螺栓連接作為一種重要的連接方式，其可靠性是保證工程質(zhì)量及結(jié)構(gòu)正常服役的基礎(chǔ)。因此，其連接界面損傷監(jiān)測研究越來越受到人們的重視。

光柵光纖作為一種新型傳感器近幾年被廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域。光纖傳感器與傳統(tǒng)傳感器相比具有:①體積小、重量輕，對被測結(jié)構(gòu)質(zhì)量或剛度影響甚微，②抗電磁干擾，③抗腐蝕能力強，④靈敏度高等優(yōu)點。由于光纖光柵中心波長λb變化與與光柵周期λ關(guān)系如下：

λb＝2·n·λ

其中，n為有效折射率。

光纖光柵中心波長λb變化與應(yīng)變δε變化關(guān)系

其中為光纖材料的彈光系數(shù)。利用上述光纖光柵波長隨應(yīng)變改變的特點可以對螺栓松動問題進(jìn)行定量監(jiān)測。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決螺栓松動定量監(jiān)測問題，本發(fā)明提供了一種嵌入式光纖光柵用于監(jiān)測螺栓松動的智能墊片裝置。

本發(fā)明的技術(shù)方案：

一種基于光纖光柵用于監(jiān)測螺栓松動的智能墊片裝置，包括環(huán)向開槽墊片1、光纖光柵傳感器2、保護(hù)層3和熱固化區(qū)4；

在環(huán)向開槽墊片1的槽內(nèi)裝入光纖光柵傳感器2，光纖光柵傳感器2繞槽口一圈引出，光纖光柵傳感器2的柵區(qū)位于環(huán)向開槽墊片1的中間位置；在保持預(yù)拉伸狀態(tài)下，通過353膠對熱固化區(qū)4進(jìn)行熱固化，熱固化區(qū)4為光纖光柵傳感器(2)的兩端引出位置處；光纖光柵傳感器2外為704膠保護(hù)層3進(jìn)行保護(hù)。

所述的智能墊片裝置在使用前進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定方法為：將智能墊片裝置用標(biāo)準(zhǔn)扭矩扳手進(jìn)行等梯度加扭矩，通過扭矩與光纖波長變化關(guān)系進(jìn)行標(biāo)定，從而用于判斷實際中螺栓連接狀態(tài)。

所述的智能墊片裝置依靠螺栓施加給環(huán)向開槽墊片1的扭矩，導(dǎo)致光纖光柵傳感器2波長改變，進(jìn)而實現(xiàn)螺栓松動狀況的監(jiān)測，外加扭矩與智能墊片光纖光柵傳感器2波長改變關(guān)系如下：

(1)嵌入環(huán)向開槽墊片1內(nèi)的光纖光柵傳感器2應(yīng)變與波長關(guān)系如下：

εc＝kcδλc；

(2)嵌入環(huán)向開槽墊片1內(nèi)的光纖光柵傳感器2波長與外加扭矩關(guān)系如下：

式中：k為扭矩與軸力轉(zhuǎn)化系數(shù)，取0.1；kc為應(yīng)變轉(zhuǎn)化系數(shù)；d1,d2為環(huán)向開槽墊片外徑和內(nèi)徑；t為外加扭矩；μ為泊松比。

本發(fā)明的有益效果：

1、此裝置依靠光纖光柵中心波長的改變與應(yīng)變對應(yīng)關(guān)系，通過遠(yuǎn)程監(jiān)測，不需要人工現(xiàn)場檢測，省時省力,而且對于螺栓的安裝以及整體結(jié)構(gòu)的性能沒有影響。

2、此裝置可以實時對結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測，相比其他監(jiān)測方法該方式敏感度高。

3、本發(fā)明構(gòu)造簡單，零件較少，制作和安裝過程簡單，適用性強，成本低維護(hù)方便，能有效監(jiān)測出螺栓工作狀態(tài)，具有廣闊的推廣市場和應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1是本發(fā)明整體實物示意圖。

圖2是本發(fā)明的前視圖。

圖3是本發(fā)明a-a截面剖視圖。

圖4(a)是本發(fā)明的智能墊片裝置主視圖的受力計算圖。

圖4(b)是本發(fā)明的智能墊片裝置側(cè)視圖的受力計算圖。

圖中：1開槽墊片；2光纖光柵；3填充704膠的保護(hù)區(qū)；4熱固化區(qū)；

d1,d2,為墊片外徑和內(nèi)徑；c,c’為墊片受力形變前和形變后外周長；

f為扭矩轉(zhuǎn)化力；l,l’為墊片受力形變前和形變后的厚度；

εl為厚度上的應(yīng)變。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖和技術(shù)方案，進(jìn)一步說明本發(fā)明的具體實施方式。

本發(fā)明提供了一種基于光纖光柵用于監(jiān)測螺栓松動的智能墊片裝置，具體實施方式如下：

墊片1采用q235鋼材料制成，具有較強的強度和以及一定的韌性，將墊片1環(huán)向進(jìn)行開槽，環(huán)向開槽尺寸1mm深，1mm寬。將光纖光柵埋入槽內(nèi)，光纖光柵埋入后需進(jìn)行一定的預(yù)拉伸，可利用兩端懸掛一定質(zhì)量的砝碼進(jìn)行拉伸。保持光纖光柵預(yù)拉伸狀態(tài)用353膠進(jìn)行熱固化。待膠水將光纖光柵固定后填充704膠進(jìn)行保護(hù)，保持預(yù)拉伸狀態(tài)至704膠風(fēng)干。

風(fēng)干后的墊片即為光纖光柵智能墊片，但是光纖光柵墊片在使用過程中需要進(jìn)行標(biāo)定，因此，光纖智能墊片標(biāo)定也是本專利的一部分。標(biāo)定過程如下：使用標(biāo)準(zhǔn)扭矩扳手進(jìn)行等梯度加扭矩，通過扭矩與光纖波長變化關(guān)系進(jìn)行標(biāo)定，從而用于判斷實際中螺栓連接狀態(tài)。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于土木工程以及機械工程的螺栓連接狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，提供了一種基于光纖光柵用于監(jiān)測螺栓松動的智能墊片裝置。該智能墊片裝置是當(dāng)螺栓發(fā)生松動時，螺栓作用在墊片上的壓力會減小，根據(jù)泊松原理，墊片會發(fā)生相應(yīng)收縮，嵌入到墊片內(nèi)的光纖光柵傳感器的波長會發(fā)生變化，利用接收到的波長變化可以反過來推測螺栓連接狀態(tài)，這種基于光柵光纖的智能墊片為工程上螺栓連接松動監(jiān)測提供一種簡便可行的方法。

技術(shù)研發(fā)人員：霍林生;陳冬冬;宋鋼兵;張建仁
受保護(hù)的技術(shù)使用者：大連理工大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：2017.06.30
技術(shù)公布日：2017.09.12