一种温度补偿式光纤智能垫片的制作方法

1.本发明属于监测技术领域，具体涉及一种监测螺栓受力状态的温度补偿式光纤智能垫片。


背景技术：

2.螺栓连接广泛应用在土木交通、大型建筑、航空航天、水电风电等关键承力结构。螺栓连接的预紧力太大会导致螺栓失效，而太小则会导致螺栓的松动，并且在长期的工作过程中，受振动、力载等因素影响，螺栓会出现松动，变形等情况，给结构或者产品带来很大的安全隐患，所以对关键螺栓的受力状态进行监测在工程上具有深远的意义。
3.但是由于螺栓连接的特殊性，难以通过在外部施加监测手段来对螺栓进行检测。目前最优的检测手段是通过感知螺栓或者垫片的结构应变来测算预紧力变化，但是在实际使用场景例如大型钢结构、航天航空等领域，垫片的温度环境会有较大变化，而光纤传感器在感知温度变化后依然会产生波长的变化，使得对测试结果产生干扰，现有光纤智能垫片无法进行温度补偿，所以导致测量精度低。所以需要设计能够进行温度自补偿的光纤智能垫片，能够在不同的温度环境下对结构受力进行精确地监测。


技术实现要素：

4.为了长期监测螺栓结构的受力状态，并且考虑温度变化对测量结果产生的误差，本发明的目的是提供一种温度补偿式光纤智能垫片，基于光纤光栅应变测量原理以及温度补偿原理，通过结构改进将螺栓所受应力转化为弹性应变圈的变形产生应变，从而使光纤光栅传感器波长发生变化，同时温度传感器进行温度的补偿，从而实时监测螺栓受力状态。本发明能补偿外界温度变化产生的影响，具有精度高、密封性好、实用性强的优点。
5.为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
6.本发明公开的一种温度补偿式光纤智能垫片，主要由垫片基座和垫片上盖组成。所述垫片基座中间设置有通孔，通孔周围围绕凹槽；凹槽外围设置定位台阶；所述垫片上盖是周向带有凸台的、中心带有通孔结构；所述垫片上盖上布置有触头；所述垫片基座与垫片上盖组合后，需保证所述垫片上盖的凸台与所述垫片基座的台阶不接触。
7.所述垫片基座的凹槽固定安装支撑凸梁；所述支撑凸梁用于支撑弹性圈；光纤、温度传感器和应变传感器固定安装在支撑弹性圈表面，然后整体放置在凹槽的支撑凸梁上；触头与支撑弹性圈接触。
8.所述垫片受力产生变形位移，由触头传递给弹性圈，弹性圈在支撑凸梁支撑以及触头的下压，形成三点受力弯曲。
9.所述光纤应变传感器与光纤温度传感器封装在同一根光纤上。
10.所述支撑凸梁上开设u型槽，便于光纤通过。
11.所述垫片基座台阶处开设定位槽，用于对弹性圈进行定位。
12.所述触头和支撑凸梁的数量至少为三个。
13.所述应变传感器的数量至少为四个。
14.本发明公开的一种温度补偿式光纤智能垫片的工作方法为：
15.基于光纤光栅应变测量原理以及温度补偿原理，通过垫片基座的受力变形，将螺栓所受应力转化为弹性应变圈的变形产生应变，从而使光纤光栅传感器波长发生变化，同时温度传感器进行温度的补偿，从而实时监测螺栓受力状态。
16.有益效果：
17.1、本发明公开的一种温度补偿式光纤智能垫片，将垫片受力变形转化为光纤中心波长的变化，从而对垫片的受力状态进行监测。
18.2、本发明公开的一种温度补偿式光纤智能垫片，增加用于温度补偿的光纤温度传感器，从而实现不同温度环境下自补偿功能，提高测量精度。
19.3、本发明公开的一种温度补偿式光纤智能垫片将密封胶刮涂在垫片基座与垫片上盖的贴合面形成的凹槽中，起到密封外界腐蚀环境的作用，提高垫片在恶劣环境中的耐久性与可靠性。
附图说明
20.图1本发明公开的一种温度补偿式光纤智能垫片的外形示意图；
21.图2为本发明垫片基座结构示意图；
22.图3为本发明弹性片以及所安装光纤应变传感器、光纤温度传感器结构示意图；
23.图4为本发明垫片上盖示意图；
24.图5光纤智能垫片弹性应变应力云图；
25.图6光纤智能垫片塑性应变应力云图。
26.图中；1—垫片基座、2—垫片上盖、3—密封胶、4—密封堵头、5—光纤、6—u型槽、7—出纤孔、8—支撑凸梁、9—定位槽、10—定位凸台、11—弹性圈、12—光纤应变传感器、13—光纤温度传感器、14—触头。
具体实施方式
27.为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。
28.实施例1：
29.如图1-4所示，本实施例公开的一种温度补偿式光纤智能垫片，包括垫片基座1，垫片基座1上设计有支撑凸梁8、u型槽6、定位槽9；垫片上盖2，垫片上盖2上设计有触头14；弹性圈11，弹性圈11设计有定位凸台10，光纤应变传感器12与光纤温度传感器13通过光纤5连接，安装在弹性圈11；光纤5通过密封堵头4穿出。
30.垫片上盖2所用材料硬度以及弹性模量远高于垫片基座1，使得垫片受力时，垫片上盖2受力产生的变形量极小，而垫片主要的形变量均来自垫片基座1的受力变形。
31.弹性圈11安装在支撑凸梁8与触头14之间，当垫片受力发生变形，导致垫片上盖2相对垫片基座1产生位移，从而使得触头14在四个位置对弹性圈11产生向下的压力，而支撑凸梁8对弹性圈11施加支撑力，导致弹性圈11的四个区域产生三点弯曲变形。
32.针对弹性圈11进行应变仿真分析，要保证测量的稳定性，在智能垫片受力达到最
大时，必须要保证弹性圈11在弹性范围内，如果弹性圈11发生塑性应变，会导致材料缺陷产生，不可控因素增加，对此，当力载施加200kn时，弹性体的弹性应变和塑性应变分别如图5和图6所示，可以看出，弹性圈11塑性应变为零，说明弹性圈11在受力时，内部主要部件不会产生塑性应变，即弹性圈11在弹性范围内，保证了智能垫片的测量量程和测量精度，验证了智能垫片结构的实用性。
33.弹性圈11粘贴4支光纤应变传感器12，光纤应变传感器12通过感知弹性圈11变形产生应变，产生波长的变化，从而反映垫片四个角度受力的变化。
34.光纤应变传感器12通过标定过的光纤温度传感器13所测得的温度数值来进行温度补偿。具体补偿公式如下：
35.从麦克斯韦经典方程出发，结合光纤模式耦合理论，利用光纤光栅传输模式的正交关系，得到布拉格光栅反射波长的基本表达式为：
36.λ＝2nλ
ꢀꢀ
(1)
37.式中，λ为光栅中心波长；n为纤芯有效折射率；λ为纤芯折射率的调制周期。将式(1)两边微分，得：
38.dλ＝2λdn 2ndλ
ꢀꢀ
(2)
39.式(1)除式(2)，得：
[0040][0041]
在线弹性范围内，有
[0042][0043]
式中，ε为应变。
[0044]
不考虑波导效应，即不考虑光纤轴向变形对折射率的影响，光纤在单轴弹性变形下的折射率变化如下：
[0045][0046]
式中，p
11
与p
12
为光弹常数；υ为泊松比，令由式(3)、(4)、(5)，得：
[0047][0048]
令α
ε
＝λ(1-p)，α
ε
为应变与中心波长变化关系的灵敏度系数，由此得
[0049]
δλ＝α
ε
ε
ꢀꢀ
(7)
[0050]
上式为温度恒定时应变与反射波长变化的数学关系，即fbg的应变传感原理。对于纤芯为纯石英的光纤情况，n＝1.456，p
11
＝0.121，p
12
＝0.270，υ＝0.17，计算得p＝0.22。取常用的光纤光栅反射波长1545nm、1550nm、1555nm为例，计算得每微应变导致的波长变化分别为1.205pm、1.209pm、1.212pm。
[0051]
温度变化既引起光纤光栅折射率的变化，同时由于热膨胀也引起栅距的变化。不考虑波导效应，将式(1)对温度t取导数，可得：
[0052][0053]
式(1)除上式，可得
[0054][0055]
令即为热光系数；即为热膨胀系数，从而可得
[0056][0057]
令α
t
＝λ(α ζ)，α
t
为光纤光栅温度传感的灵敏度系数，由此可得
[0058]
δλ＝α
t
δt
ꢀꢀ
(11)
[0059]
上式即为没有外力作用的光纤光栅波长变化与温度的关系，即光纤布拉格光栅的温度传感原理。对石英材料的光纤，常数α＝0.55
×
10-6
/℃、ζ＝4.67
×
10-6
/℃。
[0060]
应变和温度变化是独立的或者只受到了微弱扰动，当温度和应变共同作用时，产生的波长变化可表示为
[0061]
δλ＝α
ε
ε α
t
δt
ꢀꢀ
(12)
[0062]
所以剔除温度变化产生的应变应为：
[0063]
ε＝(δλ-α
t
at)/αs[0064]
式中，α
ε
为应变灵敏度系数；α
t
为温度灵敏度系数，其中温度灵敏度系数在温度传感器安装前通过标准温箱标定得出。
[0065]
垫片基座1与垫片上盖2连接后，通过密封胶进行填缝密封，使得内部结构与外部腐蚀环境隔离开。
[0066]
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。