一种用于测量分离螺母预紧力的光纤光栅传感器集成结构的制作方法

本发明属于航天器结构健康监测与传感，具体涉及一种用于测量分离螺母预紧力的光纤光栅传感器集成结构。

背景技术：

1、预紧力是分离螺母实现可靠锁紧、安全分离的核心控制参数，其测量精度直接影响航天器连接系统的可靠性。

2、现有预紧力测量方法存在难以突破的技术瓶颈：间接测量法（扭矩法、转角法）依赖摩擦系数估算预紧力，误差普遍超过15%，且拧紧后无法二次验证预紧力状态；外部传感法（垫片式传感器、外壁应变片）需额外加装部件，改变了螺母原有的刚度匹配关系，且传感器与引线暴露在航天恶劣环境（高低温、强振动、电磁干扰）中，易失效；超声波测量法虽精度较高，但需专用昂贵设备，且对螺栓端面加工精度要求极高（粗糙度ra≤0.8μm），无法实现在轨实时监测；现有光纤光栅类传感器（如螺栓松动传感器）仅能监测螺母与螺栓的相对位移，属于“松动后报警”，无法直接测量螺母本体承受的预紧力，且采用焊接固定板的安装方式，会损伤分离螺母本体，不适用于可重复使用航天产品。

3、现有技术均未解决“不破坏螺母结构完整性、不改变外部接口，同时实现主承力路径上预紧力直接、实时测量”的核心需求，亟需一种与分离螺母本体深度融合的传感集成方案。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种用于测量分离螺母预紧力的光纤光栅传感器集成结构，通过将微型光纤光栅传感元件嵌入分离螺母主承力路径、在非承力区集成温度补偿单元，实现传感功能与螺母结构一体化，既不影响螺母的强度与分离功能，又能直接捕捉承力壁应变，实现预紧力高精度、实时监测。

2、本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：

3、一种用于测量分离螺母预紧力的光纤光栅传感器集成结构，包括分离螺母本体、微型光纤光栅应变传感器、微型导引槽、引出光纤、多通道光纤旋转连接器、参考光纤光栅温度传感器和螺栓，所述分离螺母本体包括承力壁、微型盲孔、轴向通孔、锁紧机构和非承力法兰，所述轴向通孔沿轴向贯穿分离螺母本体，螺栓穿过轴向通孔，通过锁紧机构固定，微型盲孔设置在承力壁上，微型光纤光栅应变传感器安装在所述微型盲孔内，非承力法兰设置在分离螺母本体的上端，并位于螺栓预紧力的主承力路径之外，参考光纤光栅温度传感器安装在非承力法兰上，微型光纤光栅应变传感器和参考光纤光栅温度传感器通过设置在微型导引槽内的引出光纤与多通道光纤旋转连接器连接；

4、当螺栓被锁紧并产生轴向拉力后，反力传递至承力壁使承力壁沿主承力方向形成压应力，在微型盲孔所在区域产生与预紧力相关的局部径向膨胀应变，微型光纤光栅应变传感器采集应变情况，参考光纤光栅温度传感器采集温度变化，并分别传输至多通道光纤旋转连接器。

5、光栅区位于微型光纤光栅应变传感器的中部并位于微型盲孔的应变捕捉敏感区域。

6、多通道光纤旋转连接器包括第一连接器通道和第二连接器通道，所述第一连接器通道和第二连接器通道分别连接微型光纤光栅应变传感器和参考光纤光栅温度传感器，第一连接器通道和第二连接器通道保持光学隔离和可靠抗振连接，多通道光纤旋转连接器端面与分离螺母本体的非功能面平齐。

7、还包括解调仪、控制系统和预紧力输出模块，解调仪将多通道光纤旋转连接器接收到的反射波长转换为数字波长数据，并发送给控制系统，控制系统进行温度补偿和预紧力换算，将计算结果和状态信息通过预紧力输出模块发送给航天器控制系统。

8、微型光纤光栅应变传感器安装时，在微型光纤光栅应变传感器外壁涂覆高温环氧树脂，之后再嵌入微型盲孔，高温环氧树脂充满微型光纤光栅应变传感器（2）和微型盲孔之间的间隙。

9、所述微型导引槽避开承力壁的高应力边缘、锁紧机构的运动包络、安装接触面和可能发生摩擦碰撞的位置，引出光纤走线不得交叉、扭结或被过度拉紧，转弯半径大于等于引出光纤允许的最小弯曲半径，并在多通道光纤旋转连接器入口处预留装配余量和应变释放段。

10、还包括硅橡胶保护层，所述硅橡胶保护层连续填充在微型导引槽内并覆盖引出光纤，硅橡胶保护层固化后与分离螺母本体外表面平齐。

11、所述非承力法兰上设置有温度传感器安装盲孔，参考光纤光栅温度传感器通过高温环氧树脂固封在所述温度传感器安装盲孔内，温度传感器安装盲孔开设位置避开承力壁和非承力法兰的应变过渡区。

12、所述微型盲孔采用微细电火花加工工艺加工得到，微型盲孔直径为0.45～0.60mm，深度为4.5～5.5mm，微型光纤光栅应变传感器封装后外径为0.35～0.48mm，且微型盲孔的直径大于微型光纤光栅应变传感器封装后的外径；微型导引槽采用激光刻蚀工艺加工得到，所述微型导引槽深度为0.25～0.40mm，宽度为0.15～0.30mm。

13、所述多通道光纤旋转连接器为采用lc/pc接口的抗振旋转连接器，通过螺钉固定在分离螺母本体的非功能面上，端面与分离螺母本体外壁平齐。

14、本发明与现有技术相比至少具有如下有益效果：

15、（1）、本发明通过“承力壁内嵌入传感器”的设计，首次实现了分离螺母主承力路径上的直接应变捕捉，预紧力测量误差降至5%以内，解决了间接测量的精度问题；

16、（2）、本发明通过微型盲孔，微型导引槽的设计，螺母静态强度与疲劳寿命仅下降2%以内，远优于外部加装传感器（强度下降 10% 以上）的方案，保证了结构完整性；

17、（3）、本发明传感器、引线、连接器均集成于螺母内部或表面保护结构内，完全隔绝航天恶劣环境，电磁干扰抑制能力提升 30db 以上，满足在轨长期工作需求，同时不改变螺母外部接口，可直接替换现有分离螺母使用。

1.一种用于测量分离螺母预紧力的光纤光栅传感器集成结构，其特征在于：包括分离螺母本体（1）、微型光纤光栅应变传感器（2）、微型导引槽（4）、引出光纤（5）、多通道光纤旋转连接器（6）、参考光纤光栅温度传感器（8）和螺栓（9），所述分离螺母本体（1）包括承力壁（11）、微型盲孔（12）、轴向通孔（13）、锁紧机构（14）和非承力法兰（15），所述轴向通孔（13）沿轴向贯穿分离螺母本体（1），螺栓（9）穿过轴向通孔（13），通过锁紧机构（14）固定，微型盲孔（12）设置在承力壁（11）上，微型光纤光栅应变传感器（2）安装在所述微型盲孔（12）内，非承力法兰（15）设置在分离螺母本体（1）的上端，并位于螺栓（9）预紧力的主承力路径之外，参考光纤光栅温度传感器（8）安装在非承力法兰（15）上，微型光纤光栅应变传感器（2）和参考光纤光栅温度传感器（8）通过设置在微型导引槽（4）内的引出光纤（5）与多通道光纤旋转连接器（6）连接；

2.根据权利要求1所述的一种用于测量分离螺母预紧力的光纤光栅传感器集成结构，其特征在于：光栅区（21）位于微型光纤光栅应变传感器（2）的中部并位于微型盲孔（12）的应变捕捉敏感区域。

3.根据权利要求1所述的一种用于测量分离螺母预紧力的光纤光栅传感器集成结构，其特征在于：多通道光纤旋转连接器（6）包括第一连接器通道（61）和第二连接器通道（62），所述第一连接器通道（61）和第二连接器通道（62）分别连接微型光纤光栅应变传感器（2）和参考光纤光栅温度传感器（8），第一连接器通道（61）和第二连接器通道（62）保持光学隔离和可靠抗振连接，多通道光纤旋转连接器（6）端面与分离螺母本体（1）的非功能面平齐。

4.根据权利要求1所述的一种用于测量分离螺母预紧力的光纤光栅传感器集成结构，其特征在于：还包括解调仪（10）、控制系统（20）和预紧力输出模块（30），解调仪（10）将多通道光纤旋转连接器（6）接收到的反射波长转换为数字波长数据，并发送给控制系统（20），控制系统（20）进行温度补偿和预紧力换算，将计算结果和状态信息通过预紧力输出模块（30）发送给航天器控制系统。

5.根据权利要求1所述的一种用于测量分离螺母预紧力的光纤光栅传感器集成结构，其特征在于：微型光纤光栅应变传感器（2）安装时，在微型光纤光栅应变传感器（2）外壁涂覆高温环氧树脂（3），之后再嵌入微型盲孔（12），高温环氧树脂（3）充满微型光纤光栅应变传感器（2）和微型盲孔（12）之间的间隙。

6.根据权利要求1所述的一种用于测量分离螺母预紧力的光纤光栅传感器集成结构，其特征在于：所述微型导引槽（4）避开承力壁（11）的高应力边缘、锁紧机构（14）的运动包络、安装接触面和可能发生摩擦碰撞的位置，引出光纤（5）走线不得交叉、扭结或被过度拉紧，转弯半径大于等于引出光纤（5）允许的最小弯曲半径，并在多通道光纤旋转连接器（6）入口处预留装配余量和应变释放段。

7.根据权利要求1所述的一种用于测量分离螺母预紧力的光纤光栅传感器集成结构，其特征在于：还包括硅橡胶保护层（7），所述硅橡胶保护层（7）连续填充在微型导引槽（4）内并覆盖引出光纤（5），硅橡胶保护层（7）固化后与分离螺母本体（1）外表面平齐。

8.根据权利要求1所述的一种用于测量分离螺母预紧力的光纤光栅传感器集成结构，其特征在于：所述非承力法兰（15）上设置有温度传感器安装盲孔（16），参考光纤光栅温度传感器（8）通过高温环氧树脂（3）固封在所述温度传感器安装盲孔（16）内，温度传感器安装盲孔（16）开设位置避开承力壁（11）和非承力法兰（15）的应变过渡区。

9.根据权利要求1所述的一种用于测量分离螺母预紧力的光纤光栅传感器集成结构，其特征在于：所述微型盲孔（12）采用微细电火花加工工艺加工得到，微型盲孔（12）直径为0.45～0.60mm，深度为4.5～5.5mm，微型光纤光栅应变传感器（2）封装后外径为0.35～0.48mm，且所述微型盲孔（12）的直径大于所述微型光纤光栅应变传感器（2）封装后的外径；微型导引槽（4）采用激光刻蚀工艺加工得到，所述微型导引槽（4）深度为0.25～0.40mm，宽度为0.15～0.30mm。

10.根据权利要求1所述的一种用于测量分离螺母预紧力的光纤光栅传感器集成结构，其特征在于：所述多通道光纤旋转连接器（6）为采用lc/pc接口的抗振旋转连接器，通过螺钉固定在分离螺母本体（1）的非功能面上，端面与分离螺母本体（1）外壁平齐。