一种光纤光栅式结构连接螺栓受力监测传感器及方法技术

本发明专利技术涉及土木工程技术领域，具体来说是一种光纤光栅式结构连接螺栓受力监测传感器及方法，包括普通螺栓、内植光栅式测力传感器、光纤引出线，在普通螺栓的螺杆左右两侧分别开置细长的凹槽，凹槽内各植入一个微型光栅式传感器，信号由自带光纤引出，光纤紧贴螺杆壁面布置，并穿过螺帽相应位置开的小孔后，从螺帽顶面引出。光纤引出线可随意接长，便于采用光纤光栅式解调仪远距离读取传感器数据，实现远程实时监控结构连接螺栓的受力状态。本发明专利技术优点为内置传感器体积小、防水、耐腐蚀、电绝缘性能好、抗电磁干扰能力强，工装后外形同普通螺栓基本一样，安装方便，能适应于复杂环境和远距离信号传输，数据稳定性好，可实现远程长期监测。

【技术实现步骤摘要】
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] 本专利技术涉及土木工程结构中拼装各种构件所用钢螺栓的受力监测
，具体 来说是。[
技术介绍
] 在目前软土地基的城市隧道中，盾构法施工的管片隧道是较为常见的一种结构形 式。管片隧道主要受力构件是一个钢筋混凝土圆环，整体的混凝土圆环是无法在隧道内运 输和安装的，解决方法就是将这些混凝土圆环分解成多块，分解运输，洞内拼装，这些块就 是管片，将这些分解的管片拼装成一个圆环的钢构件就是螺栓，螺栓主要承受轴向力。 对于拼装管片所用螺栓的受力状态需进行实时监测，一是判断所监测到的螺栓受 力是否过载，预见事故和险情，以便及时采取措施，防患于未然；二是根据所监测到的螺栓 受力数据，进行综合分析，指导施工，修正螺栓设计参数和检验施工预设计，确保设计和施 工的合理性和经济性。由于螺栓安装之后主体位于管片内部，常规测试手段无法对其受力 状况进行测试。 专利申请号为02232164. 0的中国专利公开了一种光纤智能螺栓，包括螺栓、光纤 接口和白光干涉式光纤绝对形变传感器，其是将白光干涉式光纤绝对形变传感器做出光纤 接口后内嵌于普通金属单头或双头螺栓轴向中心深孔或透孔中，间隙中用环氧树脂填充。 该专利申请需要在螺栓的中部钻孔后插入形变传感器，不仅安装不便且螺栓监测的精度不 佳。[
技术实现思路
] 本专利技术的目的是针对目前市场上还没有螺栓受力监测传感器，而设计一种可以良 好的解决构件间连接螺栓受力监测的光纤光栅式结构连接螺栓受力监测传感器及方法。 为了实现上述目的，提供一种光纤光栅式结构连接螺栓受力监测传感器，包括普 通螺栓、内植光栅式测力传感器、光纤引出线，在普通螺栓的螺杆左右两侧分别开置细长的 凹槽，凹槽内各植入一个微型光栅式传感器，螺栓螺杆的侧壁中间设有光纤引出线，信号由 光纤引出后穿过螺帽相应位置开的小孔从螺帽顶面引出，对螺栓的受力状态实现远程实时 监控，所述的光纤光栅式结构连接螺栓受力监测传感器工作温度为-20°c?60°C，细螺栓 最大量程为150KN，粗螺栓最大量程为250KN，精度为到0. 1KN。 本专利技术中的光纤引出线可随意接长，便于采用光纤光栅式解调仪远距离读取传感 器数据，从而实现远程实时监控结构连接螺栓的受力状态。 上述的光纤光栅式结构连接螺栓受力监测传感器的方法为： 在普通螺栓上开槽植入微型光栅式传感器，将微型光栅式传感器附着在螺栓的受 力表面，使其与螺栓一起变形，从而检测螺栓的应变和应力，包括以下工艺：首先对螺栓进 行加工处理，在螺杆两侧开槽，开槽尺寸为4X4mm，同时在螺帽对应凹槽的位置打孔，将微 型光栅式传感器埋入螺栓凹槽内，传输光缆从螺帽小孔中引出，最后用结构胶封闭凹槽，使 得光栅螺栓合为一体，在封装完成之后，随后再在螺栓表面缩上热缩套管密封。 本专利技术与行业内其他测力传感技术相比，有以下优点：内置传感器，体积小、防水、 耐腐蚀、电绝缘性能好、抗电磁干扰能力强，工装后外形同普通螺栓基本一样，安装方便，能 适应于复杂环境和远距离信号传输，数据稳定性很好，可实现远程长期监测。[【附图说明】] 图1是本专利技术的整体结构图； 图2是本专利技术的侧面图； 图3是本专利技术的正面图； 图4为本专利技术的应力标定结果； 图中：1、螺栓2、传感器尾纤引线3、微型光栅式传感器； 指定图1作为本专利技术的摘要附图。[【具体实施方式】] 下面结合附图对本专利技术作进一步说明，这种装置的结构和原理对本专业的人来说 是非常清楚的。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本 专利技术。 实施例1 本专利技术的基本技术思路是在普通螺栓上开槽植入微型光纤光栅式传感器，基本原 理是将光纤传感器附着在螺栓的受力表面使其与螺栓一起变形，从而记录螺栓的应变和应 力。具体工艺如下：首先对螺栓进行加工处理，在螺杆两侧开槽，开槽尺寸为4X4mm(深X 宽），同时在螺帽对应凹槽的位置打孔。将光纤传感器埋入螺栓凹槽内，传输光缆从螺帽小 孔中引出，最后用结构胶封闭凹槽，使得光栅螺栓合为一体，在封装完成之后随后再在螺栓 表面缩上热缩套管密封。由于螺杆同时受拉和受弯，为了全面掌握螺杆的实际受力状态，本 方案中在螺杆两侧对称开槽，对受拉和受弯状态进行同时监控。 (1)螺栓计的安装：与普通螺栓一样，使用螺栓计进行管片拼装，螺栓计承受拉 力，无需改变安装工艺，简单便捷。 (2)螺栓计的线路布置：利用尾纤将传感器的信号引出，尾纤可以利用普通光纤 进行接长、引线至监测设备。 (3)螺栓计数据监测：在监控室中，利用光纤光栅解调仪对螺栓计信号进行解调， 从而实时或者定期的监测螺栓的受力状况。 为了确保螺栓计良好的工作性能，在实验室里对所设计的螺栓计进行测试标定。 由于螺栓计主要承受拉力，同时为了简化数据处理，实验室标定时采用轴向张拉状态。由于 螺栓一端是螺纹，另一端是螺帽，利用专门设计的轴向张拉装置，对螺栓进行加载测试。测 试结果显示，螺栓计的线性和重复性能均很好，说明该设计可以满足实际使用要求。 本专利技术已在盾构法施工的实际管片隧道工程中运用，工程中共安装了 40个此种 螺栓计，现场安装简便，传感器数据实现长期远程监控，真实地反映了管片中螺栓的受力大 小和随着工期开展的受力变化情况，数据精度高，稳定性好，能够满足工程需求。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光纤光栅式结构连接螺栓受力监测传感器，包括普通螺栓、内植光栅式测力传感器、光纤引出线，其特征在于在普通螺栓的螺杆左右两侧分别开置细长的凹槽，凹槽内各植入一个微型光栅式传感器，螺栓螺杆的侧壁中间设有光纤引出线，信号由光纤引出后穿过螺帽相应位置开的小孔从螺帽顶面引出，对螺栓的受力状态实现远程实时监控，所述的光纤光栅式结构连接螺栓受力监测传感器工作温度为‑20℃～60℃，最大量程为250KN，精度为到0.1KN。

【技术特征摘要】
1. 一种光纤光栅式结构连接螺栓受力监测传感器，包括普通螺栓、内植光栅式测力传 感器、光纤引出线，其特征在于在普通螺栓的螺杆左右两侧分别开置细长的凹槽，凹槽内各 植入一个微型光栅式传感器，螺栓螺杆的侧壁中间设有光纤引出线，信号由光纤引出后穿 过螺帽相应位置开的小孔从螺帽顶面引出，对螺栓的受力状态实现远程实时监控，所述的 光纤光栅式结构连接螺栓受力监测传感器工作温度为-20°c?60°C，最大量程为250KN，精 度为到0. 1KN。2. -种...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵荣欣，吴华勇，杨超斌，
申请(专利权)人：上海市建筑科学研究院，
类型：发明
国别省市：上海;31