基于光纖光柵傳感器的智能螺栓開發(fā)及應用

師 琪，任 亮，尤潤州，王嘉健

(1.大連理工大學光電工程與儀器科學學院，遼寧大連 116024；2.大連理工大學土木工程學院，遼寧大連 116024)

0 引言

螺栓連接具有拆卸簡單、連接可靠、承載力高等優(yōu)點，是日常生活中最常見的連接方式，被廣泛應用于各種大型工程應用中。然而，螺栓連接部位在一個完整的結構體系中屬于較為薄弱的部分，在實際工程應用中由于振動、荷載的存在，以及結構服役過程中的各種其他因素綜合作用下，會使得螺栓產生軸向松動[1-3]，從而對結構產生重大影響，降低結構可靠度和穩(wěn)定性，產生較大的安全隱患。因此，需要對螺栓的預緊力進行監(jiān)測提高結構可靠性，保證結構安全。

有關螺栓預緊力的監(jiān)測，目前國內外已經有許多相關研究。近年來，隨著各種技術的發(fā)展，提出了各種螺栓預緊力的監(jiān)測方式[4-6]，常見的幾種監(jiān)測方式有：利用各種結構參數分析結構的振動信號分析法[7-10]；將壓電材料粘貼在螺栓上，利用壓電材料的特性變化來監(jiān)測力的壓電阻抗法[11-14]；利用超聲波的飛行時間、回波等對螺栓進行檢測的聲彈效應法[15-19]；利用壓電材料驅動和傳感特性的壓電有源傳感法[20-24]等。但是，這幾種方法存在無法實時監(jiān)測，監(jiān)測環(huán)境易受現(xiàn)場施工情況限制等問題。使用光纖光柵(FBG)傳感器能夠有效地解決實時監(jiān)測的問題，利用光纖光柵傳感器與螺栓結合進行螺栓預緊力監(jiān)測是目前應用在螺栓預緊力上的新監(jiān)測方法[25]。

FBG傳感器因體積小、抗電磁干擾能力強、測量精度高等獨特優(yōu)勢，已經被廣泛應用于各種大型結構的健康監(jiān)測[26-30]，大量應用證明了利用光纖光柵制作的各類傳感器能夠有效地對結構進行實時監(jiān)測。黃永闊[31]等基于耐高溫金屬封裝的光纖光柵傳感器提出了高溫法蘭螺栓預緊力的測量方法，為應用光纖光柵傳感器測量螺栓預緊力提供了參考。但是，目前關于FBG傳感器測量螺栓預緊力的研究還較為缺乏，因此，本文的研究目的是開發(fā)出一種基于FBG傳感器技術能夠精確測量螺栓預緊力的智能螺栓。在螺栓關于中軸對稱的兩側表面分別沿軸向埋設一只FBG微型傳感器，用于測量螺栓的表面應力，進而通過測量結果判斷螺栓在周圍環(huán)境中的應力狀態(tài)。智能螺栓的基礎測量性能通過標定試驗進行驗證，并對試驗結果進行處理，分析試驗過程中遇到的問題。最后，將智能螺栓應用于實際工程，并對實際采集數據進行處理分析，得出相應結論。

1 智能螺栓設計原理

1.1 智能螺栓結構設計

智能螺栓的設計圖如圖1所示，圖中1號、2號傳感器為微型應變傳感器，3號傳感器為溫度傳感器，3個傳感器均埋設在螺栓頂部作出的2個對稱的槽孔中，槽孔直徑為4 mm。2個微型應變傳感器的安裝位置不同，分別位于距離螺栓頂部50 mm和250 mm處，2個微型傳感器能夠測量螺栓軸向不同位置的應力，同時可以綜合2個傳感器的監(jiān)測結果來近似計算螺栓預緊力。

圖1 智能螺栓設計圖

當螺栓連接2個部件時，沿著螺栓的軸向會產生拉力，螺栓兩側埋設的應變傳感器能夠根據波長的變化量計算出螺栓受到的應力。螺栓有螺紋部分及中間連接處不適合安裝傳感器，安裝在螺栓前半部分能夠使對傳感器起到保護作用并且保障監(jiān)測結果的有效性，所以智能螺栓槽孔長度設置為300 mm，其余部分不做改變。固定好傳感器后，用環(huán)氧樹脂填充滿整個槽孔，目的是對傳感器進行保護和固定。封裝完成后的智能螺栓螺栓如圖2(a)所示，由于螺栓整體較長，將埋設有傳感器的部分放大，得到圖2(b)。

(a)螺栓實物圖

(b)埋設傳感器實物圖圖2 智能螺栓實物圖

1.2 智能螺栓軸力計算方法

螺栓受到軸向的荷載時，軸向力會引起軸向應變，同一個螺栓內的2個應變傳感器的應變計算公式如下：

(1)

(2)

式中：ε1，ε2分別為1號微型傳感器以及2號微型傳感器的應變；E為螺栓的楊氏模量，A為螺栓在粘貼傳感器處的橫截面積；F為軸向力。

傳感器的波長和應變之間的關系表示為：

ε1=k1Δλ1

(3)

ε2=k2Δλ2

(4)

式中：k1,k2為應變傳遞系數；Δλ1，Δλ2分別為1號微型傳感器、2號微型傳感器的波長變化量。

通過式(2)和式(4)聯(lián)立，可得出荷載力與波長變化之間的關系：

FN=KΔλ

(5)

式中K=kEA。

同一個螺栓中埋設的2個光纖光柵應變傳感器，2個傳感器分布在不同位置，分別測量不同位置的應力，螺栓中埋設的溫度傳感器是為了消除溫度對螺栓及傳感器帶來的影響。所以，在實際工程應用中，螺栓受到的軸向力表述為：

(6)

式中：ε為僅因荷載變化引起的應變量，με；α為溫度相關系數，α=k1/k1t+k2/k2t；k1t、k2t為智能螺栓內微型應變傳感器的溫度標定系數，ΔT為溫度變化量。

1.3 微型FBG傳感器及溫度傳感器

本文針對智能螺栓設計了一種進行封裝的微型FBG傳感器[32-33]。該封裝方式在對光纖起到保護作用的同時也提高了傳感器的靈敏度。如圖3所示，該傳感器包括光纖光柵，2個夾持管和2個支座。光纖光柵的長度是固定的，其兩側延伸出來的光纖使用環(huán)氧樹脂膠緊緊粘在2個夾持管中，這種封裝方式能夠消除FBG傳感器部分涂敷的環(huán)氧樹脂不固化而導致的傳感器應變傳遞損失[34-36]。為了能夠更好的與螺栓緊密貼合，在傳感器的夾持管處又設計了2個小型的支座，粘貼時將支座首先固定在兩側的開槽中，繼而把傳感器固緊在支座上，保證傳感器在后續(xù)安裝及使用過程中位置不發(fā)生變動。

圖3 微型傳感器結構圖

圖4是微型傳感器實物圖。封裝后的微型傳感器的靈敏度的計算公式在文獻[25]中有詳細推導過程，而其應變測量結果結果則可表示為：

(7)

式中：ε為傳感器應變；Lf為FBG部分的長度；ΔλFBG為微型傳感器中心波長的變化量；L是2個小型支座之間的距離。

圖4 微型傳感器實物圖

利用萬能試驗機對微型FBG應變傳感器進行應變標定，將微型傳感器與應變計分別固定在鋼板兩側，用萬能試驗機對鋼板進行拉伸，得到微型傳感器的應變傳遞系數為1.2 με/pm，線性擬合系數在0.999 72。

由于應變傳感器未采用低溫敏結構封裝，故環(huán)境溫度對傳感器的波長會產生一定影響，為了消除工程應用中環(huán)境溫度變化對微型傳感器的波長帶來的影響，需要在智能螺栓布設微型應變傳感器的位置增設溫度傳感器作為溫度補償。圖5為封裝完成的光纖光柵溫度傳感器。

圖5 光纖光柵溫度傳感器實物圖

溫度傳感器用水浴法進行標定，處理后得到光纖光柵溫度傳感器的溫度傳感器靈敏度系數為10.5 pm/℃，溫度與波長的線性擬合系數在0.999以上，說明封裝后的溫度傳感器與溫度之間有良好的線性關系。

2 智能螺栓的標定試驗

為了驗證螺栓的工作性能，設計標定試驗。用萬能試驗機對螺栓施加軸向荷載，每6 kN進行一次力保載，記錄傳感器波長。由于螺栓在安裝時，應變傳感器需要有一定的預拉伸，所以設置加載范圍為6～60 kN，每6 kN保載10 s，采用光纖光柵波長同步解調儀記錄傳感器波長變化。由于試驗在室內進行，且持續(xù)時間較短，因此忽略溫度影響。固定在萬能實驗機上的螺栓如圖6所示，圖7為標定試驗中智能螺栓受到的拉力與傳感器波長變化之間的關系。

圖6 螺栓應變標定試驗

圖7 智能螺栓應變標定結果

由圖7可以看出，螺栓內埋設的微型傳感器的波長變化和在螺栓上施加的拉力成正比，并且具有良好的線性關系，同一個螺栓兩側埋設的微型傳感器的波長拉力線性擬合系數能夠達到0.999以上，2個傳感器的測量靈敏度分別為0.082 04 kN/pm和0.098 47 kN/pm，造成差異的原因主要在于，每個制作完成的微型應變傳感器的應變傳遞系數本身具有差異性，且傳感器的埋設條件不可能完全一致。在標定試驗中，傳感器測量結果能夠很好的反映螺栓的實際受力狀況，因此可以證明智能螺栓測量精度及可靠性。

3 螺栓的實際工程應變監(jiān)測

3.1 螺栓的安裝

南京市某橋是南京市繞城公路上的規(guī)范過江通道，其功能為干線公路間距城市快速路功能。其夾江隧道段采用盾構式管片結構，外徑15 m，長度約為1.158 km，全部隧道施工線路分為左線及右線。為了保證隧道整體的安全可靠性，需要對該盾構式管片結構進行結構健康實時監(jiān)測。

智能螺栓安裝在設定的監(jiān)測斷面上。組成同一管環(huán)的管塊與管塊之間連接的智能螺栓稱為環(huán)向螺栓，環(huán)向螺栓的具體安裝環(huán)境如圖8(a)所示，圖8(a)中，L1、L2表示臨接塊1和臨接塊2，F(xiàn)表示封頂塊，B1～B7表示標準塊，不同管環(huán)之間進行環(huán)與環(huán)連接的智能螺栓為縱向螺栓，圖8(b)為縱向智能螺栓連接管環(huán)示意圖，環(huán)向螺栓及縱向螺栓均為傾斜安裝。

(a)環(huán)向螺栓安裝示意圖

(b)縱向螺栓安裝示意圖圖8 智能螺栓安裝示意圖

3.2 螺栓的應變數據分析

在預設的安裝點將螺栓安裝好后，用光纖光柵波長同步解調儀進行數據連續(xù)采集，時間長度為2個月。本文選取整個盾構式管片監(jiān)測工程中位于靠近最大水深斷面處下的R388管環(huán)為例進行分析。

3.2.1 環(huán)向螺栓軸力分析

環(huán)向螺栓安裝在塊與塊之間的接縫處，圖9是經過處理后的其中的5組受力數據，以圖9中傳感器編號HXLS-R388-B1|B2為例，HXLS代表橫向螺栓，R388代表管環(huán)編號，B1|B2代表該螺栓位于B1塊與B2塊之間。從圖9中可以看出，安裝在環(huán)R388上的5個環(huán)向智能螺栓，受到的軸向力不斷減小，且所有螺栓測得的數據在整體上表現(xiàn)有一致性。出現(xiàn)上述情況的原因可能是由于在外部土體的作用下，管環(huán)受壓收縮變形，管塊與管塊間連接的智能螺栓受壓[37-41]。智能螺栓的預緊力及變化如表1所示，可知管塊B6與B5之間的連接螺栓預緊力變化量最大，可能的原因是此位置處的土質較差，地層抗性較小，管片變形較大。

圖9 環(huán)向螺栓預緊力變化時程圖

表1 環(huán)向螺栓預緊力變化數據

3.2.2 縱向螺栓軸力

縱向螺栓指的是環(huán)與環(huán)之間接縫處安裝的螺栓，方向垂直于環(huán)縫，監(jiān)測采集數據如圖10所示，以圖中ZXLS-R388-B3為例，ZXLS表示縱向螺栓，R388代表工程線編號，B3代表該螺栓位于與下一個管環(huán)相接的B3塊上。從圖10中可以看出，在環(huán)R388上設置的縱向螺栓所采集到的3組數據均表明智能螺栓處于受壓狀態(tài)，表明在盾構式隧道結構中，管環(huán)與管環(huán)間接縫處的間距隨時間減小，說明外部土體的沉降等作用會引起盾構式隧道的縱向變形，管環(huán)接縫受壓收縮。

圖10 環(huán)縫縱向螺栓軸力

綜上所述，長期采集數據分析證明，基于FBG傳感器開發(fā)的智能螺栓能夠測量螺栓軸力，并且在實際工程測量中發(fā)揮有效作用。

4 結論

本文發(fā)明了一種能基于光纖光柵傳感器的智能螺栓，通過將微型FBG傳感器及溫度傳感器分別埋設在螺栓的兩側，利用光纖光柵傳感器的波長變化來監(jiān)測螺栓軸力，實現(xiàn)了對螺栓軸力及溫度的實時監(jiān)測。首先在實驗室內，通過萬能試驗機對螺栓施加的拉力進行標定試驗，實驗結果表明，施加在螺栓上的拉力與螺栓內埋設的傳感器的波長變化量具有良好的線性關系，線性度在0.999以上。智能螺栓在實際工程應用中的數據分析表明，智能螺栓能夠實時準確地測量出螺栓受到的力，實際工況能很好的解釋螺栓預緊力的變化趨勢?；谝陨蠑祿?，表明對盾構式隧道管片上安裝的智能螺栓預緊力的長期實時監(jiān)測，對保證結構穩(wěn)定性具有重要意義。