本發(fā)明屬于光纖傳感及結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種內(nèi)置式光纖智能螺栓。

背景技術(shù)：

螺栓連接廣泛應(yīng)用于機械、化工、交通、電力、航空和土木等行業(yè)的各類設(shè)備和結(jié)構(gòu)中，一方面用于連接可拆卸部件，另一方面用于傳遞零部件間的載荷，連接狀態(tài)表現(xiàn)為軸向預(yù)緊。螺栓預(yù)緊力就是在擰螺栓過程中在擰緊力矩作用下的螺栓與被連接件之間產(chǎn)生的沿螺栓軸心線方向的預(yù)緊力，其預(yù)緊力的大小直接關(guān)系到整個設(shè)備或結(jié)構(gòu)工作的可靠性和安全性。

在不同的螺栓應(yīng)用環(huán)境中，由于高溫、高壓、高頻振動、載荷沖擊等各種因素的影響，往往造成螺栓松動、疲勞和銹蝕而引起的斷裂及過載等引起的事故，這些事故造成了很大的經(jīng)濟損失和人員傷亡，因此在結(jié)構(gòu)的特定位置進行實時在線的工作狀態(tài)健康結(jié)構(gòu)監(jiān)測很有必要。

智能螺栓是最近幾年剛剛發(fā)展起來的新型螺栓型式，具有典型的結(jié)構(gòu)功能一體化特征，其可通過外部安裝或內(nèi)部埋設(shè)傳感器/存儲器/微處理器芯片的方式用于智能化工業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)、使用和維護等各個階段。就目前而言，智能螺栓最具備兩方面的智能功能，一是對溫度、載荷、壓力等環(huán)境因素的感知能力，即傳感器功能，主要可應(yīng)用于計量或結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域；二是數(shù)據(jù)存儲和身份識別能力，即數(shù)字標簽功能，主要應(yīng)用于生產(chǎn)裝配和使用維護等領(lǐng)域。

光纖傳感器具有質(zhì)量輕、體積小、防爆、對電絕緣、抗電磁干擾、精度高、可靠性高、環(huán)境適應(yīng)性好的優(yōu)點，可在結(jié)構(gòu)表面安裝或者埋入結(jié)構(gòu)體內(nèi)部，對被測結(jié)構(gòu)的影響小，測量的結(jié)果是結(jié)構(gòu)參數(shù)更加真實的反應(yīng)，適合用于反饋復(fù)雜工況環(huán)境下結(jié)構(gòu)的變化。

在智能螺栓中內(nèi)置光纖傳感器對結(jié)構(gòu)進行健康監(jiān)測是目前行業(yè)中研究的較多且技術(shù)比較成熟的一種制作方式，但就目前所能檢索到的行業(yè)內(nèi)的技術(shù)來看，幾乎所有的智能螺栓的生產(chǎn)或設(shè)計方式采用的都是內(nèi)部埋設(shè)的單一模式，而這種模式存在的缺陷是這樣設(shè)計的智能螺栓只能起到監(jiān)測螺栓工作狀態(tài)的作用，也就是說只能將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)進行傳輸，螺栓是否松動，松動到什么程度，是否需要進行人工維修或者更換都需要工作人員進行實時觀察并作出判斷。

專利申請?zhí)枮閏n2014108022954的中國專利“一種基于光纖光柵傳感原理的溫度補償智能螺栓”，該專利申請中螺栓開有通孔，光纖傳感器貫穿通孔之間，在靠近螺栓頭及螺栓尾的兩端分別鍍有應(yīng)力光柵傳感器及溫度光柵傳感器，光纖及螺栓孔之間用環(huán)氧樹脂膠填充。這種通孔設(shè)置對可用的螺栓型號有局限，對螺栓桿稍長一點、硬度大一點的螺栓要想實現(xiàn)深細孔加工非常困難；此外，光纖的直徑非常小，這也就要求通孔的直徑要非常小才能與光纖適應(yīng)，這在工藝上來說非常難實現(xiàn)，若通孔直徑稍大，則通孔與光纖之間需要使用環(huán)氧樹脂膠聯(lián)接，然而如果膠層過厚，在環(huán)境因素通過螺栓應(yīng)變傳遞到光纖傳感器上時膠層會過濾掉一部分的能量，導(dǎo)致光纖傳感器的應(yīng)變存在傳遞誤差，造成應(yīng)變滯后，特別是在動態(tài)測量中影響更加顯著。此外，膠層在螺栓內(nèi)部會因缺氧而固化困難，且容易因固化不均勻而產(chǎn)生光柵啁啾現(xiàn)象，會進一步影響測量的精度。

專利申請?zhí)枮閏n2015107397562的中國專利公開了“一種帶預(yù)拉伸裝置的光纖光柵螺栓應(yīng)力傳感器”，螺帽端帶有預(yù)拉伸裝置，螺栓內(nèi)部為階梯孔，靠近螺帽的階梯孔上端放置應(yīng)力光柵傳感器，由拉伸裝置給光纖施加預(yù)拉伸量，光纖光柵呈拉緊狀態(tài)，靠近螺栓尾的階梯孔下端放置溫度光柵傳感器，光纖光柵呈松弛狀態(tài)。該專利兩根光纖在螺栓內(nèi)部為懸空狀態(tài)，雖然該專利發(fā)明人在中間階梯孔處開小孔保持光纖與螺栓的平行，但光纖與小孔直徑并不完全契合，中間需使用粘結(jié)劑進行填充，這就使得光纖并不能完全保證光纖完全沿螺栓中軸線分布，同時會產(chǎn)生附加的扭矩，從而影響光纖對外部的感知靈敏度，產(chǎn)生額外應(yīng)變；此外，該專利在定頭到螺栓尾部之間使用壓縮的彈簧來保持定頭與階梯孔之間的連接，這其中存在著一個問題就是當應(yīng)變傳感器感應(yīng)到應(yīng)變變化時并不能區(qū)分這是螺栓受外界環(huán)境影響所產(chǎn)生的還是彈簧失去彈性而使得階梯孔脫落對應(yīng)變傳感器造成的影響。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的在于提供了一種內(nèi)置式光纖智能螺栓，解決了在螺栓本體內(nèi)深細孔加工困難、膠層固化困難、膠層過厚導(dǎo)致應(yīng)變傳遞失真、膠層固化不均勻產(chǎn)生啁啾、光纖單向封裝無法有效監(jiān)測的問題；

本發(fā)明為達到上述目的所采取的技術(shù)方案是：

一種內(nèi)置式光纖智能螺栓，包括螺栓本體，在螺栓本體的頂部設(shè)有螺帽，在螺栓本體頂部同軸設(shè)有沿豎直方向設(shè)置的安裝孔洞，所述安裝孔洞將螺帽上下貫穿，在安裝孔洞內(nèi)嵌裝有上下中空的環(huán)狀管，所述環(huán)狀管外壁與安裝孔洞內(nèi)壁之間采用膠粘接或卡槽卡接，在環(huán)狀管的外壁上均勻設(shè)有一個或多個嵌裝槽，所述嵌裝槽與環(huán)狀管的中心軸線平行，在嵌裝槽內(nèi)通過抗氧化膠封裝有光纖傳感器。

優(yōu)選的，當環(huán)狀管外壁與安裝孔洞內(nèi)壁之間采用膠粘接時，在環(huán)狀管上均勻設(shè)有呈環(huán)形陣列分布的通氣孔。

優(yōu)選的，當環(huán)狀管外壁與安裝孔洞內(nèi)壁之間采用卡槽卡接時，在環(huán)狀管的外壁上設(shè)有一個或兩個卡槽，在安裝孔洞內(nèi)壁上設(shè)有與卡槽相配合的凸條。

優(yōu)選的，所述安裝孔洞的長度小于螺栓本體長度且大于螺栓本體長度的三分之一。

優(yōu)選的，所述環(huán)狀管與螺栓本體的熱膨脹系數(shù)、楊氏模量均相同。

優(yōu)選的，在環(huán)狀管內(nèi)壁設(shè)鋪設(shè)有過濾膜，所述過濾膜具有通氣作用的同時對抗氧化膠具有阻擋作用。

本發(fā)明所具有的有益效果為：（1）通過在螺栓本體內(nèi)設(shè)置環(huán)狀管來承載光纖傳感器從而避免了在螺栓本體上直接加工用于容納光纖傳感器的深細孔，同時在環(huán)狀管上海可以承載一個或多個光纖傳感器，實現(xiàn)了對螺栓本體多參數(shù)的同時監(jiān)測；

（2）當環(huán)狀管外壁與安裝孔洞內(nèi)壁之間采用膠粘接時，在環(huán)狀管上均勻設(shè)有呈環(huán)形陣列分布的通氣孔，從而解決中間膠因缺少氧氣而固化困難的問題；

（3）當環(huán)狀管外壁與安裝孔洞內(nèi)壁之間采用卡槽卡接時，拆卸安裝方便，便于光纖傳感器的更換從而進一步增加了實用性；

（4）環(huán)狀管與螺栓本體的熱膨脹系數(shù)和楊氏模量相同或接近，從而避免環(huán)狀管在光纖傳感器監(jiān)測時引入新的誤差，監(jiān)測精度高。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為環(huán)狀管的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進一步描述。

如圖1所示和圖2所示，一種內(nèi)置式光纖智能螺栓，包括螺栓本體3，在螺栓本體3的頂部設(shè)有螺帽2，在螺栓本體3頂部同軸設(shè)有沿豎直方向設(shè)置的安裝孔洞4，所述安裝孔洞4將螺帽2上下貫穿，所述安裝孔洞4的長度小于螺栓本體3長度且大于螺栓本體3長度的三分之一，在安裝孔洞4內(nèi)嵌裝有上下中空的環(huán)狀管1，所述環(huán)狀管1外壁與安裝孔洞4內(nèi)壁之間采用膠粘接或卡槽卡接，在環(huán)狀管1的外壁上均勻設(shè)有一個或多個嵌裝槽7，所述嵌裝槽7與環(huán)狀管1的中心軸線平行，在嵌裝槽7內(nèi)通過抗氧化膠封裝有光纖傳感器5。

當環(huán)狀管1外壁與安裝孔洞4內(nèi)壁之間采用膠粘接時，為了解決中間膠因缺少氧氣而固化困難的問題，在環(huán)狀管1上均勻設(shè)有呈環(huán)形陣列分布的通氣孔6。

當環(huán)狀管1外壁與安裝孔洞4內(nèi)壁之間采用卡槽卡接時，在環(huán)狀管1的外壁上設(shè)有一個或兩個卡槽，在安裝孔洞4內(nèi)壁上設(shè)有與卡槽相配合的凸條，其中卡槽可以與嵌裝槽7結(jié)構(gòu)相同也可以將部分嵌裝槽7充當為卡槽。

為了避免環(huán)狀管1在光纖傳感器5監(jiān)測時引入新的誤差，所述環(huán)狀管1與螺栓本體3的熱膨脹系數(shù)、楊氏模量均相同。

同時還可以在環(huán)狀管1內(nèi)壁設(shè)鋪設(shè)有過濾膜，所述過濾膜具有通氣作用的同時對抗氧化膠具有阻擋作用，例如防水透氣膜，從而解決了膠層中的氣泡問題，減少甚至消除對光纖產(chǎn)生的啁啾影響。

本實施例中，當環(huán)狀管1的外壁上均勻設(shè)有多個嵌裝槽7時，可以在不同的嵌裝槽7封裝不同的光纖傳感器以對螺栓本體3進行多參數(shù)的監(jiān)測，同時也可以在不同的嵌裝槽7封裝相同的光纖傳感器，例如應(yīng)力光纖傳感器以對螺栓本體3同一參數(shù)不同位置的多點同時監(jiān)測。

最后應(yīng)說明的是：以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對其限制；盡管參照前述實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術(shù)方案進行修改，或者對其中部分技術(shù)特征進行等同替換，但這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實施例技術(shù)方案的精神和范圍。