[发明专利]基于FBG曲率传感器的螺栓松动监测系统及其监测方法

说明书

本发明涉及一种基于FBG曲率传感器的螺栓松动监测系统包括FBG曲率传感器，所述FBG曲率传感器的两端分别通过固定部件交错固定在两个相邻的被测第一螺栓、第二螺栓上；所述固定部件包括套设在第一螺栓、第二螺栓的螺帽或螺母上的套箍，所述FBG曲率传感器通过固定片和螺钉固定在所述套箍的外侧；所述FBG曲率传感器包括弹性基体，所述弹性基体的两侧轴向对称的固定设置有第一FBG光纤光栅和第二FBG光纤光栅，所述FBG曲率传感器通过光纤与信号监测装置连接。本发明可实现多螺栓连接状态实时监测，降低了钢结构桥梁螺栓检测的人力和物力成本并保障钢结构桥梁的安全运营。

技术领域

本发明涉及传感技术领域，更具体地说，涉及一种基于FBG曲率传感器的螺栓松动监测系统及方法。

背景技术

螺栓连接在施工简便性、连接可靠性、整体性以及可拆卸方面有着良好的性能和优势，是钢结构桥梁重要的连接方式。在实际使用工程中，桥梁结构在自身和外部循环横向或剪切荷载作用下会使螺栓产生松动，螺栓松动后会失去连接能力，螺栓群能承受的滑移荷载会减小，导致连接处力学性能的下降，对桥梁的安全造成威胁。

目前，对于桥梁结构最常用的螺栓连接状态检测方法为人工检测。虽然螺栓松动可以通过人工检测方法(例如目视检测法、敲击回声法)扭矩扳手直接手工测量和控制，但人工检测不适用于螺栓隐藏在结构内部，检查人员不能直接进入的情况，并且存在耗费时间长、受人员主观经验影响大的缺点。而且，由于钢结构桥梁的空间跨径大、螺栓数目繁多，更使得传统人工检测方法的检测难度、成本、风险性增大。

为实时监测螺栓预紧状态，市面上涌现了不同类型的螺栓连接状态监测方法。目前主流的监测方法有：基于振动的方法、基于超声波的方法、基于机电阻抗的方法和基于图像处理的方法等。不过，基于振动、超声波及机电阻抗的方法，抗干扰性能较差，容易受到恶劣环境的影响，且损伤特征提取过程需要用户干预，而基于图像处理的方法需要现场检查和螺栓头或螺母初始状态数据库，难以实现实时监测。因此，限制了上述方法在钢结构桥梁等大跨径结构螺栓连接状态监测中的应用。

FBG是在光纤中引入周期性的折射率调制而形成的光波导器件，通过检测写入光纤内部的光栅反射或透射布拉格波长光谱，实现被测结构的应力和温度等参量的绝对测量。它具有灵敏度高，精度高，重量轻，体积小，耐腐蚀，成本低，光路可弯曲，不受电磁干扰，便于实现远距离、长期监测等优点，而且多个光纤光栅可以采用一根光缆传输，便于组成传感系统，可实现准分布式测量。目前用于螺栓连接状态监测的FBG传感器，主要有金属封装FBG传感器、智能螺母、智能螺栓，其传感原理均为螺栓预紧力的变化会导致周围区域的应力应变场发生变化，光纤光栅受到外部环境的应力应变影响时，其中心波长会发生漂移，将光纤光栅埋入螺栓连接结合部，根据中心波长的变化判断应力应变状态，进而实现螺栓结构连接状态的监测。但是金属封装FBG传感器精度低，需在螺栓的两侧都可以接触到的情况下使用。FBG智能需要在螺栓轴向开孔，结构的改变会影响螺栓结构的强度。FBG智能垫圈改变了原螺栓副结构和装配关系，应变传递规律有待进一步研究。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种基于光纤光栅曲率传感器的螺栓松动的监测系统及监测方法，本发明的监测系统成本低、施工便捷，不改变螺栓结构和装配关系，具有温度自补偿功能，能够实现螺栓组连接状态的高精度实时监测。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种基于FBG曲率传感器的螺栓松动监测系统，包括FBG曲率传感器，所述FBG曲率传感器的两端分别通过固定部件交错固定在两个相邻的被测第一螺栓、第二螺栓的螺帽或螺母上；

所述固定部件包括套设在第一螺栓、第二螺栓的螺帽或螺母外部的套箍，所述FBG曲率传感器通过固定片和螺钉固定在所述套箍的外侧；

所述FBG曲率传感器包括弹性基体，所述弹性基体的两侧轴向对称的固定设置有第一FBG光纤光栅和第二FBG光纤光栅，所述FBG曲率传感器通过光纤与信号监测装置连接；