一种基于多芯光纤光栅的集成式螺栓多维应力监测装置的制作方法

本发明涉及光纤传感检测，尤其涉及一种基于多芯光纤光栅的集成式螺栓多维应力监测装置。

背景技术：

1、现有技术中，在钢结构等应用中，螺栓作为关键机械连接件，其性能稳定性的应力监测对保障基础设施安全至关重要；光纤布拉格光栅传感器因其诸多优点，已被尝试植入螺栓进行监测。现有技术方案多采用在螺栓上设置多个通孔，并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；这类方案存在明显局限性，多孔结构对螺栓本体强度削弱较大；并且不同光纤中的光栅因空间分离，其温度场和应变传递路径可能存在细微差异，对测量精度造成影响；系统集成度低，不便于在空间受限或需大量部署的场景中应用；因此，需求一种集成度更高、对螺栓本体影响更小、能同步精准获取多维应力信息的新型螺栓监测装置。

2、中国专利公开号：cn117346931a，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空固定轴孔和多个边缘通孔；多个边缘通孔围绕中空固定轴孔设置，且每一个边缘通孔到中空固定轴孔的距离相等；中空固定轴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。

3、由此可见，所述螺栓轴向应力和剪切应力的检测装置及确定方法在螺栓拧紧过程中，螺栓头部与螺纹孔之间发生摩擦，热量从螺栓基体向中空固定轴孔传递导致中空固定轴孔内部的光纤受热膨胀，导致外围光纤和中心光纤的温度发生梯度变化，从而导致波长漂移量发生差异，从而降低轴向应力和剪切应力的监测准确性的问题。

技术实现思路

1、为此，本发明提供一种基于多芯光纤光栅的集成式螺栓多维应力监测装置，用以克服现有技术中在螺栓拧紧过程中，螺栓头部与螺纹孔之间发生摩擦，热量从螺栓基体向中空固定轴孔传递导致中空固定轴孔内部的光纤受热膨胀，导致外围光纤和中心光纤的温度发生梯度变化，从而导致波长漂移量发生差异，从而降低轴向应力和剪切应力的监测准确性的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供一种基于多芯光纤光栅的集成式螺栓多维应力监测装置，包括：

3、螺栓基体组件，其由螺帽和螺柱组成，轴向开设有中空固定轴孔，用以将多芯光纤组件固定于所述中空固定轴孔内部；

4、多芯光纤组件，其包括中心纤芯和外围纤芯，中心纤芯和外围纤芯分别沿所述中空固定轴孔方向设有若干光栅组件，中心纤芯用于承载温度补偿光栅；外围纤芯用于承载轴向应力感知光栅和剪切应力感知光栅以形成剪切应力传感阵列；

5、光栅组件，包括轴向应力感知光栅、剪切应力感知光栅以及温度补偿光栅，轴向应力感知光栅用以感知螺栓轴向方向的应力变化，剪切应力感知光栅用以感知螺栓的剪切应力变化，温度补偿光栅用以消除测量值中的温度影响分量；

6、检测单元，其部分设置在所述螺栓基体的内部，用以分别检测所述外围纤芯与中心纤芯的波长漂移量的叠加额度、所述外围纤芯的径向应力，以及在满足温度补偿特定条件下的温度补偿值；

7、控制单元，其与所述检测单元相连，用以根据外围纤芯发生的波长漂移量与中心纤芯的波长漂移量的叠加额度判断是否结束应力计算；根据所述对外围纤芯施加的径向应力确定轴向应力计算公式中的灵敏度系数；根据所述满足温度补偿特定条件的温度补偿值确定螺栓拧紧速度的预警信息。

8、进一步地，所述检测单元包括解调仪，其设置在所述螺栓基体外部，用以检测外围纤芯与中心纤芯的波长漂移量；

9、检测单元与剪切应力感知光栅连接，用以检测外围纤芯施加的径向应力；检测单元与温度补偿光栅连接，用以在满足温度补偿特定条件下检测所述螺栓基体实时温度。

10、进一步地，所述控制单元与检测单元相连，根据外围纤芯发生的波长漂移量与中心纤芯的波长漂移量的叠加额度大于叠加额度阈值，并对超出部分结束应力计算。

11、进一步地，所述叠加额度为所述中心纤芯上的轴向应力感知光栅、所述外围纤芯上的剪切应力感知光栅以及所述温度补偿光栅的波长漂移量的总和。

12、进一步地，所述控制单元根据所述对外围纤芯施加的径向应力大于径向应力阈值，调节轴向应力计算的灵敏度系数。

13、进一步地，温度补偿特定条件为所述温度补偿光栅与所述轴向应力感知光栅的波长漂移量的差值大于所述波长漂移量阈值。

14、进一步地，所述控制单元根据满足温度补偿特定条件的温度补偿值大于温度补偿值阈值，则发出螺栓拧紧速度预警的信息。

15、进一步地，多芯光纤的外部包裹有柔性涂覆层，所述柔性涂覆层填充于多芯光纤与中心通孔内壁之间。

16、进一步地，所述外围纤芯围绕中心纤芯呈对称分布。

17、进一步地，所述中空固定轴孔内包括应力感知区域以及所在位置的通孔直径小于温度补偿区域的应力感知区域。

18、与现有技术相比，本发明的有益效果在于，在螺栓拧紧过程中，螺栓头部与螺纹孔之间发生摩擦，热量从螺栓表面向中空固定轴孔传递，外围纤芯的热源传递路径比中心纤芯要长，导致外围纤芯发生的波长漂移量与中心纤芯的波长漂移量的叠加额度大于叠加额度阈值，从而判定热量的传递均匀性不符合要求，因此通过对叠加额度超出部分结束应力计算，解决因热传导路径长短不一导致的外围纤芯发生的波长漂移量与中心纤芯的波长漂移量发生差异问题；由于摩擦生热，导致涂覆层整体受热膨胀，涂覆层的体积膨胀受到螺栓通孔内壁的约束影响导致体积膨胀无法释放，被抑制的轴向膨胀转换为径向压力，从而导致膨胀产生的径向力传递到纤芯，进而导致外围纤芯施加的径向应力大于径向应力阈值，从而判定涂覆层膨胀程度不符合要求，因此通过调节轴向应力计算公式中的灵敏度系数，解决因涂覆层的体积膨胀受到螺栓通孔内壁的约束影响导致外围纤芯径向应力监测出现误差；由于摩擦生热引起的波长漂移量对螺栓多维应力监测产生干扰，因此通过对波长漂移量进行温度补偿，由于涂覆层受热膨胀时，被抑制的膨胀会转化为对纤芯的径向压力，导致叠加在外围纤芯真实径向应力，从而导致外围纤芯径向应力数值出现异常，通过温度补偿，从而确定外围纤芯处因涂覆层热膨胀约束而产生的额外径向应力大小，进而获得真实径向应力监测值。

19、进一步地，螺栓头部与螺纹孔摩擦产生热量，由螺栓表面传递至中空固定轴孔，不同纤芯在中空固定轴孔内的径向位置不同，导致外围纤芯的热传递路径比中心纤芯路径长，外围纤芯到达中空固定轴孔的温升幅度比中心纤芯到达中空固定轴孔的温升幅度低、时间滞后，中心纤芯因传热路径短、温升相对均匀，导致外围纤芯和中心纤芯形成温升差异，进而使外围纤芯的波长漂移量与中心纤芯的波长漂移量的叠加额度超出叠加额度阈值，外围纤芯和中心纤芯的所在位置的热量温度场差异过大，通过将叠加额度超出叠加额度阈值的部分波长漂移量结束当前时刻的多维应力计算，从而避免因热传导路径长短不一导致各纤芯波长漂移量不一致而引入的应力计算出现误差，进而提升多维应力监测结果的准确可靠性。

20、进一步地，由于摩擦产生热量使涂覆层受热膨胀，涂覆层被紧密约束于螺栓中空固定轴孔的内壁之间，导致涂覆层体积膨胀的空间被限制，根据泊松效应，被限制的径向膨胀转化为沿光纤轴向的压缩应变，同时在径向上对纤芯施加额外的挤压力，导致叠加在外围纤芯的真实径向应力升高，通过调节轴向应力计算公式中的灵敏度系数，校正因涂覆层热膨胀受通孔内壁约束而产生的径向应力监测偏差，从外围纤芯的总波长漂移量中通过减法修正因涂覆层膨胀约束产生的寄生径向应力数值，从而使径向应力降低至径向应力阈值以内。

21、进一步地，由于涂覆层径向膨胀空间发生受限，导致被限制的体积膨胀转换为对纤芯的额外径向压力叠加在外围纤芯的真实径向压力上，导致外围纤芯的径向应力的监测出现误差，额外径向应力根据当前温升幅值动态计算获得，从外围纤芯的总波长漂移量中扣除由寄生径向应力引起的波长漂移分量，并从监测结果中剔除，使外围纤芯的径向应力读数恢复至螺栓实际受力状态的真实水平，从而有效消除涂覆层热膨胀受通孔内壁约束所带来的径向应力监测偏差，确保多维应力监测数据的可靠准确性。