用于监测螺栓松动的监测装置和监测方法
阅读：230发布：2023-01-15
专利汇可以提供用于监测螺栓松动的监测装置和监测方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种用于监测 螺栓 松动的监测装置，包括 光源 、探测光纤、设置在所述光源与所述探测光纤之间的光环行器、与所述光环行器相连且用于将光 信号 转化为 电信号 的探测装置以及与所述探测装置相连并用于接收所述电信号的控制装置，所述探测光纤上串接有传感光栅。本发明的用于监测螺栓松动的监测装置，将探测光纤和多颗螺栓固定后 串联 ，通过测量探测光纤的反射光强信号对应的电信号的幅值强度判定螺栓的松动状态，并通过不同 位置 反射 光信号 的延时确定发生松动螺栓的位置，在螺栓松动时及时进行报警。本发明可实现对多颗螺栓的松动监测，大大节省了现场检测的人 力 和物力成本，大大提高电厂的安全可靠运行。，下面是用于监测螺栓松动的监测装置和监测方法专利的具体信息内容。
1.一种用于监测螺栓松动的监测装置，其特征在于：包括光源、探测光纤、设置在所述光源与所述探测光纤之间的光环行器、与所述光环行器相连且用于将光信号转化为电信号的探测装置以及与所述探测装置相连并用于接收所述电信号的控制装置，所述探测光纤上串接有传感光栅。
2.根据权利要求1所述的一种用于监测螺栓松动的监测装置，其特征在于：所述监测装置还包括用于连接所述探测光纤和螺栓的固定装置，所述固定装置包括套接在螺栓上的套环，所述套环上设置有向外突出的凸部，所述凸部上开设有供所述探测光纤穿过的孔。
3.根据权利要求1所述的一种用于监测螺栓松动的监测装置，其特征在于：所述光源为窄带宽脉冲激光器。
4.根据权利要求1所述的一种用于监测螺栓松动的监测装置，其特征在于：所述监测装置还包括与所述控制装置连接的报警装置。
5.根据权利要求1所述的一种用于监测螺栓松动的监测装置，其特征在于：相邻两个螺栓之间至少设置有一个所述传感光栅。
6.根据权利要求1所述的一种用于监测螺栓松动的监测装置，其特征在于：相邻所述传感光栅之间串接有至少一个光纤延迟线，距离所述光环行器最近的传感光栅与所述光环行器之间串接有至少一个光纤延迟线。
7.一种根据权利要求1所述的用于监测螺栓松动的监测装置的监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将串接有传感光栅的探测光纤固定在螺栓上，相邻两个螺栓之间串接有至少一个所述传感光栅；
2)开启光源后，光源发射的光信号通过光环行器形成入射光信号入射到所述探测光纤中，所述入射光信号被所述探测光纤上不同位置的传感光栅反射后形成反射光信号沿探测光纤返回，所述反射光信号经所述光环行器被探测装置接收；
3)所述探测装置接收所述反射光信号并将其转化成电信号，然后将所述电信号传输给控制装置，所述控制装置接受所述电信号并探测该电信号的幅值，通过该电信号的幅值判断对应的螺栓是否发生松动及松动程度；
4)所述控制装置根据电信号对应的时间间隔计算所述光源到该传感光栅的距离，从而确定松动的螺栓的位置。
8.根据权利要求7所述的一种用于监测螺栓松动的监测装置的监测方法，其特征在于：
步骤3)中，通过探测电信号的幅值判断对应的螺栓是否发生松动及松动程度，当螺栓未发生松动时，多个所述传感光栅形成的所述反射光信号的强度相同，对应的电信号的幅值相同；当螺栓发生松动时，松动螺栓对应的所述传感光栅的反射光信号强度增大，对应的电信号的幅值增大。
9.根据权利要求7所述的一种用于监测螺栓松动的监测装置的监测方法，其特征在于：
步骤4)中所述电信号对应的时间间隔为该电信号对应的发射入射光信号到接收反射光信号所用的时间；光源到该传感光栅的距离计算公式为：Ld＝(C×Td)/2n，式中C为真空中的光
8
速，大小为3×10m/s，n为光纤的有效折射率，Td为发射入射光信号到接收反射光信号所用的时间。
用于监测螺栓松动的监测装置和监测方法
技术领域
[0001] 本发明属于结构工程和光电检测技术领域，具体涉及一种用于监测螺栓松动的监测装置以及基于该监测装置的螺栓松动的监测方法。
背景技术
[0002] 螺栓连接广泛应用于能源、机械、土木和航空等领域，螺栓的可靠连接是设备正常运行及工业安全的重要保障。然而在螺栓的长期服役过程中，由于振动、冲击或温度变化等造成螺栓轴力下降，容易发生自松动现象，从而导致设备故障甚至安全事故。
[0004] 扭矩扳手法最为常见，但需要耗费大量人力、物力，且与检测人员的技术经验有关；压电导纳法利用环形压电陶瓷片作为传感元件，通过测量螺栓松动前后电导纳的变化进行螺栓紧固状态识别，但需要改变螺栓的连接结构；超声波检测法通过发射超声信号测量螺杆的伸长量来检测螺栓的连接状态，但其测量结果受温度影响较大，且存在电学信号干扰等缺陷；CCD数字相机检测法，通过CCD数字相机实时拍摄螺栓和螺母的相对位置来判定螺栓的连接状态，测量准确度高，但造价昂贵，无法大规模组网应用。
发明内容
[0005] 有鉴于此，为了克服现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种用于监测螺栓松动的监测装置，其能够更及时、准确的判定螺栓的连接状态及发生松动螺栓的位置，尤其适用于关键部件及人力无法达到位置的连接螺栓的状态监测。
[0006] 为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
[0007] 一种用于监测螺栓松动的监测装置，包括光源、探测光纤、设置在所述光源与所述探测光纤之间的光环行器、与所述光环行器相连且用于将光信号转化为电信号的探测装置以及与所述探测装置相连并用于接收所述电信号的控制装置，所述探测光纤上串接有传感光栅，传感光栅用于对入射光信号进行反射。光源产生的光信号通过光环行器入射到探测光纤中形成入射光信号，入射光信号经不同位置的传输光栅反射，沿光纤传输路径被探测装置所接收。传感光栅的中心波长需小于入射光的波长。
[0008] 优选地，所述监测装置还包括用于连接所述探测光纤和螺栓的固定装置，所述固定装置包括套接在螺栓上的套环，所述套环上设置有向外突出的凸部，所述凸部上开设有供所述探测光纤穿过的孔，所述套环内开设有与所述螺栓相匹配的限位孔，通过限位孔将固定装置固定在螺栓或螺母上。螺栓松动时，螺母与螺杆发生相对转动，螺栓或螺母会带动套环转动，进而对传感光栅产生拉应力作用，传感光栅的中心波长向入射光信号的波长方向偏移，传感光栅的反射光信号强度变大，对应的电信号的幅值增大。因此可以通过探测反射光信号对应的电信号的幅值的变化来判断螺母和螺栓是否发生相对转动，进而判定螺栓和螺母的紧固状态。
[0009] 优选地，所述探测光纤外侧设置有保护套管。
[0010] 优选地，所述光源为窄带宽脉冲激光器，光源发出的光信号经过光环行器形成入射光信号进入到探测光纤中。入射光信号沿探测光纤传输时被不同位置传感光栅反射形成反射光信号后沿传输路径返回，经过光环行器被探测装置所接收。
[0011] 优选地，所述监测装置还包括与所述控制装置连接的报警装置。
[0012] 优选地，相邻两个螺栓之间至少设置有一个所述传感光栅，且每个传感光栅的参数都相同。
[0013] 优选的，相邻所述传感光栅之间串接有至少一个光纤延迟线，距离所述光环行器最近的传感光栅与所述光环行器之间串接有至少一个光纤延迟线。通过设置光纤延迟线，使得相隔一定时间的入射光信号在探测光纤内传输时，不同位置传感光栅形成的反射光信号的延时不同。当控制装置接收到异常的反射光信号转变的电信号后，可以根据该电信号的时间间隔计算出对应的传感光栅到光源的距离，从而得到松动螺栓的位置。
[0014] 具体的，控制装置为微控制单元(MCU，Micro Control Unit)，探测装置由雪崩二极管(APD，Avalanche Photodiode)和放大器(AMP，Amplifier)组成。APD将接收到的反射光信号转换为电信号，电信号经过AMP放大后，送至MCU进行处理。报警装置和微控制单元MCU相连，当接收到MCU发送的报警信号时，进行报警。
[0015] 微控制单元MCU和探测装置相连，用于对探测装置传输过来的电信号进行处理：1)对接收的电信号幅值进行处理，判断对应的螺栓是否松动及松动程度；2)对接收的电信号的延时时间进行处理，确定松动螺栓的位置；3)当接收的电信号的幅值大于设定阈值时，判定对应的螺栓发生松动，并生成报警信号传输给报警装置。
[0016] 本发明还提供了一种根据上述的用于监测螺栓松动的监测装置的监测方法，包括以下步骤：
[0017] 1)将串接有传感光栅的探测光纤固定在螺栓上，相邻两个螺栓之间串接有至少一个所述传感光栅；
[0018] 2)开启光源后，光源发射的光信号经过光环行器形成入射光信号进入探测光纤中，所述入射光信号被所述探测光纤上不同位置的传感光栅反射后形成反射光信号沿探测光纤返回，反射光信号经所述光环行器后被探测装置接收；
[0019] 3)所述探测装置接收所述反射光信号并将其转化成电信号，然后将所述电信号传输给控制装置，所述控制装置接受所述电信号并探测该电信号的幅值，通过该电信号的幅值判断对应的螺栓是否发生松动及松动程度；
[0020] 4)所述控制装置根据电信号对应的时间间隔计算所述光源到该传感光栅的距离，从而确定松动的螺栓的位置。
[0021] 优选地，步骤3)中，通过探测电信号的幅值判断对应的螺栓是否发生松动及松动程度，当螺栓未发生松动时，多个所述传感光栅形成的所述反射光信号的强度相同，对应的电信号的幅值相同；当螺栓发生松动时，松动螺栓对应的所述传感光栅的反射光信号强度增大，对应的电信号的幅值增大。
[0022] 具体的，探测光纤上串接若干个参数相同的传感光栅(FBG光栅)，通过固定装置与待监测的螺栓或螺母相连，FBG光栅位于相邻两个螺栓之间。根据FBG测量原理，FBG反射光信号的中心波长λB＝2neffΛ，式中Λ为光栅周期，neff为光栅的有效折射率。螺栓未发生松动时，FBG光栅未受到应力作用，各FBG光栅反射光信号的强度相同；当某螺栓或螺母发生松动时，螺栓或螺母转动导致与其相连的两侧光栅受到拉应力作用，光栅的中心波长向入射光信号波长方向偏移，反射光信号的强度变大。因此，通过探测反射光信号的强度可以判断螺栓是否松动及松动程度。在一些实施例中，通过测量反射光信号对应转化的电信号的强度来判断，这样更加方便。
[0023] 优选地，步骤4)中所述电信号对应的时间间隔为该电信号对应的发射入射光信号到接收反射光信号所用的时间；光源到该传感光栅的距离计算公式为：Ld＝(C×Td)/2n，式8
中C为真空中的光速，大小为3×10m/s，n为光纤的有效折射率，Td为发射入射光信号到接收反射光信号所用的时间。
中C为真空中的光速，大小为3×10m/s，n为光纤的有效折射率，Td为发射入射光信号到接收反射光信号所用的时间。
[0024] 具体的，光源到FBG光栅的距离Ld＝(C×Td)/2n，式中C为真空中的光速，大小为3×108m/s，n为光纤的有效折射率，Td为发射入射光信号到接收反射光信号所用的时间。通过在探测光纤上串接多个FBG光栅，根据脉冲光的时分复用原理，相隔一定时间的入射光信号在探测光纤内传输，不同位置FBG光栅反射光信号的延时不同。因此，根据公式Ld＝(C×Td)/2n即可确定发生松动螺栓的位置。
[0025] 与现有技术相比，本发明的有益之处在于：本发明的用于监测螺栓松动的监测装置，结构设计合理，通过探测光纤布拉格光栅(FBG光栅)反射光信号对应的电信号的幅值强度判定螺栓的松动状态，测量准确度高；利用光时域反射(OTDR)技术，可有效确定发生松动螺栓的位置；通过光时分复用技术，可在探测光纤上串接多个FBG光栅，实现对多颗螺栓的松动检测；安装简便，受外界环境干扰小，可重复利用；系统构造简单，价格低廉，方便远程控制，尤其是可用于核电厂大型设备紧固螺栓、大口径管道法兰螺栓、地脚螺栓等结构紧固螺栓的状态监测及松动预警。附图说明
[0026] 为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0027] 图1为本发明优选实施例1中用于监测螺栓松动的监测装置的连接示意图；
[0028] 图2为本发明优选实施例1中探测光纤与待监测螺栓或螺母的安装示意图；
[0029] 图3为本发明优选实施例2中螺栓松动时探测光纤反射光强度变化的示意图；
[0030] 附图中：光源-10，光环行器-20，探测光纤-30，探测装置-40，控制装置-50，报警装置-60，传感光栅-70，光纤延迟线-80，螺栓或螺母-90，固定装置-1，套环-11，凸部-12，限位孔-13，保护套管-14。
具体实施方式
[0031] 为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
[0032] 实施例1一种用于监测螺栓松动的监测装置
[0033] 参照附图1-3，本实施例的一种用于监测螺栓松动的监测装置，包括光源10、探测光纤30、设置在光源10与探测光纤30之间的光环行器20、与光环行器20相连且用于将光信号转化为电信号的探测装置40、与探测装置40连接并用于接收所述电信号的控制装置50、与控制装置50相连的报警装置60以及用于连接探测光纤30和螺栓90的固定装置1，探测光纤30上串接有传感光栅70以及光纤延迟线80。
[0034] 光源10为窄带宽脉冲激光器，光源10发射的光信号经过光环行器20形成入射光信号进入探测光纤30中。入射光信号沿探测光纤30传输时被不同位置的传感光栅70反射形成反射光信号沿传输路径返回，反射光信号经过光环行器20被探测装置40所接收。
[0035] 本实施例中的传感光栅70为光纤布拉格光栅(FBG光栅)，且同一条探测光纤30上的FBG光栅的参数相同，传感光栅70的中心波长需小于入射光的波长。
[0036] 如图2所示，本实施例中的固定装置1包括套接在螺栓90或螺母90上的套环11，套环11上设置有向外突出的凸部12，凸部12上开设有供探测光纤30穿过的孔，套环11内开设有与螺栓90相匹配的限位孔13，探测光纤30外侧至少在穿过凸部12的地方设置有保护套管14。
[0037] 本实施例中在相邻两个螺栓90之间至少设置有一个传感光栅70，且每个传感光栅70的参数都相同。且本实施例为了更加准确定位每个传感光栅70的位置，在每个传感光栅
70前都串接有光纤延迟线80。为了便于固定，光纤延迟线80固定在固定装置1上。
70前都串接有光纤延迟线80。为了便于固定，光纤延迟线80固定在固定装置1上。
[0038] 本实施例中第一个传感光栅70记为FBG1，第二个感光栅70记为FBG2，直至FBGn，第一个光线延迟线80记为τ1，第二个光线延迟线80记为τ2，直至τn，如图1和3所示。即本实施例中每个螺栓90对应一个固定装置1，每个固定装置1上固定有一个光线延迟线80，相邻固定装置1之间串接有一个传感光栅70。
[0039] 螺栓90松动时，螺栓90或螺母90与螺杆发生相对转动，因此可以通过测量螺母90的相对转动来判定螺栓90的紧固状态。通过限位孔13将固定装置1固定在螺栓90或螺母90上，螺栓90一旦发生松动，会带动套环11转动，进而对传感光栅70产生拉应力作用，导致对应传感光栅70产生的反射光信号的光强增大，进而导致对应的电信号的幅值增大。
[0040] 本实施例中控制装置50为微控制单元(MCU)，探测装置40由雪崩二极管(APD)和放大器(AMP)组成。APD将接收到的反射光信号转换为电信号，电信号经过AMP放大后，送至MCU进行处理。
[0041] 微控制单元MCU和探测装置40相连，用于对接收到的电信号进行处理：1)对接收的电信号幅值进行处理，判断螺栓90是否松动及松动程度；2)对接收信号的延时进行处理，确定松动螺栓90的位置；3)当接收电信号大于设定阈值时，判定有螺栓90发生松动，并生成报警信号传输给报警装置60。报警装置60和微控制单元MCU相连，当接收到MCU发送的报警信号时，进行报警。
[0042] 实施例2一种用于监测螺栓松动的监测方法
[0043] 本实施例提供了一种根据实施例1的用于监测螺栓松动的监测装置的监测方法，包括以下步骤：
[0044] 1)将串接有传感光栅70的探测光纤30固定在螺栓90上，相邻两个螺栓90之间串接有至少一个传感光栅70，且相邻传感光栅70之间用光纤延迟线80隔开。
[0045] 本实施例中第一个传感光栅70记为FBG1，第二个感光栅70记为FBG2，直至FBGn，第一个光线延迟线80记为τ1，第二个光线延迟线80记为τ2，直至τn，如图1和3所示。即本实施例中每个螺栓90对应一个固定装置1，每个固定装置1上固定有一个光线延迟线80，相邻固定装置1之间串接有一个传感光栅70。
[0046] 2)开启光源10后，光源10发射的光信号经过光环行器20形成入射光信号进入探测光纤30中，入射光信号被所述探测光纤30上不同位置的传感光栅70反射后形成反射光信号沿探测光纤30返回，反射光信号经光环行器20后被探测装置40接收。
[0047] 3)探测装置40接收反射光信号并将其转化成电信号，然后将该电信号传输给控制装置50，控制装置50接受该电信号并探测该电信号的幅值，通过该电信号的幅值判断对应的螺栓90是否发生松动及松动程度。
[0048] 步骤3)中，通过探测电信号的幅值判断对应的螺栓90是否发生松动及松动程度，当螺栓90未发生松动时，多个传感光栅70形成的反射光信号的强度相同，对应的电信号的幅值相同；当螺栓90发生松动时，松动螺栓90对应的传感光栅70的反射光信号强度增大，对应的电信号的幅值增大。
[0049] 当待监测螺栓90未发生松动时，探测光纤30上串联的各FBG光栅对应的反射光信号的强度相同，此时反射光信号和入射光信号的光谱相互错开，接收到反射光信号的强度最低。当某处螺栓90发生松动时，螺栓90或螺母90转动导致与螺栓90或螺母90相连的两侧FBG光栅受到拉应力所用，光栅的中心波长向长波长(入射脉冲光波长)方向偏移，光栅对应的反射光信号强变大，如图3所示，图3给出了螺栓90发生松动时探测光纤30反射光强度的变化示意图。
[0050] 具体的，探测光纤30上串接若干个参数相同的传感光栅70(FBG光栅)，探测光纤30通过固定装置1与待监测的螺栓90或螺母90相连，FBG光栅位于相邻两个螺栓90之间。根据FBG测量原理，FBG反射光信号的中心波长λB＝2neffΛ，式中Λ为光栅周期，neff为光栅的有效折射率。螺栓90未发生松动时，FBG光栅未受到应力作用，各FBG光栅反射光信号的强度相同；当某螺栓90或螺母90发生松动时，螺栓90或螺母90转动导致与其相连的两侧光栅受到拉应力作用，光栅的中心波长向入射光信号波长方向偏移，反射光信号的强度变大。因此，通过探测反射光信号的强度可以判断螺栓90是否松动及松动程度。在本实施例中，通过测量反射光信号对应转化的电信号的强度来判断，这样更加方便和精确。
[0051] 4)控制装置50根据所述的电信号对应的时间间隔计算光源10到该传感光栅70的距离，从而确定松动螺栓90的位置。
[0052] 步骤4)中电信号对应的时间间隔为该电信号对应的发射脉冲光信号到接收反射光信号所用的时间；光源10到传感光栅70的距离计算公式为：Ld＝(C×Td)/2n，式中C为真空中的光速，大小为3×108m/s，n为光纤的有效折射率，Td为发射脉冲光信号到接收反射光信号所用的时间。
[0053] 探测光纤30上相邻传感光栅70之间用光纤延迟线80隔开，相隔一定时间的入射光信号在探测光纤30内传输时，不同位置传感光栅70产生的反射光信号的延时Td不同。通过在探测光纤30上串接多个FBG光栅，根据脉冲光的时分复用原理，相隔一定时间间隔的脉冲光在探测光纤30内传输，不同位置FBG光栅反射光信号的延时不同。因此，根据公式Ld＝(C×Td)/2n即可确定发生松动螺栓90的位置。
[0054] 具体的，如图3所示，假设与探测光纤30相连的第3颗螺栓90发生松动，该螺栓90相邻两侧FBG2和FBG3的反射光的光强增大，其反射光信号的延时分别记为Td2和Td3。根据公式Ld＝(C×Td)/2n(n为探测光纤30的有效折射率)，得到FBG2和FBG3到光源10的距离分别为Ld2和Ld3，则松动螺栓90到光源10的距离Ld＝Ld2+(Ld3-Ld2)/2。
[0056] 本发明可在探测光纤上串联多个FBG光栅后组网应用，探测光纤与待测螺栓固定后可实现对多颗螺栓的松动监测，能有效确定发生松动螺栓的位置。本发明具有操作简便、测量准确度高、不改变螺栓连接状态、无电磁干扰、造价低廉等优点，具有良好的应用前景。将探测光纤和多颗螺栓固定后串联，通过测量探测光纤的反射光强信号对应的电信号的幅值强度判定螺栓的松动状态，并通过不同位置反射光信号的延时确定发生松动螺栓的位置，在螺栓松动时及时进行报警，设备结构简单，安装方便、测量准确度高，可实现对多颗螺栓的松动监测，具有测量准确度高、安装方便、组网使用等优点，大大节省了现场检测的人力和物力成本，对电厂重要设备关键位置紧固螺栓的监测起到很好的作用，大大提高电厂的安全可靠运行。
[0057] 上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
| 标题 | 发布/更新时间 | 阅读量 |
|---|---|---|
| 一种螺栓旋拧装置 | 2020-05-12 | 115 |
| 高强度螺栓用防腐涂料 | 2020-05-12 | 236 |
| 一种螺栓加工系统 | 2020-05-12 | 759 |
| 一种液封一体化螺栓 | 2020-05-13 | 880 |
| 高强度螺栓加工方法 | 2020-05-13 | 325 |
| 一种组合式螺栓 | 2020-05-11 | 353 |
| 夹紧螺栓装置 | 2020-05-12 | 91 |
| 钢网架螺栓球节点用高强度螺栓的加工工艺 | 2020-05-12 | 716 |
| 一种自泄压螺栓 | 2020-05-11 | 488 |
| 拉力调节螺栓 | 2020-05-11 | 153 |
高效检索全球专利专利汇是专利免费检索,专利查询,专利分析-国家发明专利查询检索分析平台，是提供专利分析，专利查询，专利检索等数据服务功能的知识产权数据服务商。
我们的产品包含105个国家的1.26亿组数据，免费查、免费专利分析。
分析报告
专利汇分析报告产品可以对行业情报数据进行梳理分析，涉及维度包括行业专利基本状况分析、地域分析、技术分析、发明人分析、申请人分析、专利权人分析、失效分析、核心专利分析、法律分析、研发重点分析、企业专利处境分析、技术处境分析、专利寿命分析、企业定位分析、引证分析等超过60个分析角度，系统通过AI智能系统对图表进行解读，只需1分钟，一键生成行业专利分析报告。
QQ群二维码
意见反馈
意见反馈