基于光纤光栅传感器的智能螺栓开发及应用

师 琪，任 亮，尤润州，王嘉健

(1.大连理工大学光电工程与仪器科学学院，辽宁大连 116024；2.大连理工大学土木工程学院，辽宁大连 116024)

0 引言

螺栓连接具有拆卸简单、连接可靠、承载力高等优点，是日常生活中最常见的连接方式，被广泛应用于各种大型工程应用中。然而，螺栓连接部位在一个完整的结构体系中属于较为薄弱的部分，在实际工程应用中由于振动、荷载的存在，以及结构服役过程中的各种其他因素综合作用下，会使得螺栓产生轴向松动[1-3]，从而对结构产生重大影响，降低结构可靠度和稳定性，产生较大的安全隐患。因此，需要对螺栓的预紧力进行监测提高结构可靠性，保证结构安全。

有关螺栓预紧力的监测，目前国内外已经有许多相关研究。近年来，随着各种技术的发展，提出了各种螺栓预紧力的监测方式[4-6]，常见的几种监测方式有：利用各种结构参数分析结构的振动信号分析法[7-10]；将压电材料粘贴在螺栓上，利用压电材料的特性变化来监测力的压电阻抗法[11-14]；利用超声波的飞行时间、回波等对螺栓进行检测的声弹效应法[15-19]；利用压电材料驱动和传感特性的压电有源传感法[20-24]等。但是，这几种方法存在无法实时监测，监测环境易受现场施工情况限制等问题。使用光纤光栅(FBG)传感器能够有效地解决实时监测的问题，利用光纤光栅传感器与螺栓结合进行螺栓预紧力监测是目前应用在螺栓预紧力上的新监测方法[25]。

FBG传感器因体积小、抗电磁干扰能力强、测量精度高等独特优势，已经被广泛应用于各种大型结构的健康监测[26-30]，大量应用证明了利用光纤光栅制作的各类传感器能够有效地对结构进行实时监测。黄永阔[31]等基于耐高温金属封装的光纤光栅传感器提出了高温法兰螺栓预紧力的测量方法，为应用光纤光栅传感器测量螺栓预紧力提供了参考。但是，目前关于FBG传感器测量螺栓预紧力的研究还较为缺乏，因此，本文的研究目的是开发出一种基于FBG传感器技术能够精确测量螺栓预紧力的智能螺栓。在螺栓关于中轴对称的两侧表面分别沿轴向埋设一只FBG微型传感器，用于测量螺栓的表面应力，进而通过测量结果判断螺栓在周围环境中的应力状态。智能螺栓的基础测量性能通过标定试验进行验证，并对试验结果进行处理，分析试验过程中遇到的问题。最后，将智能螺栓应用于实际工程，并对实际采集数据进行处理分析，得出相应结论。

1 智能螺栓设计原理

1.1 智能螺栓结构设计

智能螺栓的设计图如图1所示，图中1号、2号传感器为微型应变传感器，3号传感器为温度传感器，3个传感器均埋设在螺栓顶部作出的2个对称的槽孔中，槽孔直径为4 mm。2个微型应变传感器的安装位置不同，分别位于距离螺栓顶部50 mm和250 mm处，2个微型传感器能够测量螺栓轴向不同位置的应力，同时可以综合2个传感器的监测结果来近似计算螺栓预紧力。

图1 智能螺栓设计图

当螺栓连接2个部件时，沿着螺栓的轴向会产生拉力，螺栓两侧埋设的应变传感器能够根据波长的变化量计算出螺栓受到的应力。螺栓有螺纹部分及中间连接处不适合安装传感器，安装在螺栓前半部分能够使对传感器起到保护作用并且保障监测结果的有效性，所以智能螺栓槽孔长度设置为300 mm，其余部分不做改变。固定好传感器后，用环氧树脂填充满整个槽孔，目的是对传感器进行保护和固定。封装完成后的智能螺栓螺栓如图2(a)所示，由于螺栓整体较长，将埋设有传感器的部分放大，得到图2(b)。

(a)螺栓实物图

(b)埋设传感器实物图图2 智能螺栓实物图

1.2 智能螺栓轴力计算方法

螺栓受到轴向的荷载时，轴向力会引起轴向应变，同一个螺栓内的2个应变传感器的应变计算公式如下：

(1)

(2)

式中：ε1，ε2分别为1号微型传感器以及2号微型传感器的应变；E为螺栓的杨氏模量，A为螺栓在粘贴传感器处的横截面积；F为轴向力。

传感器的波长和应变之间的关系表示为：

ε1=k1Δλ1

(3)

ε2=k2Δλ2

(4)

式中：k1,k2为应变传递系数；Δλ1，Δλ2分别为1号微型传感器、2号微型传感器的波长变化量。

通过式(2)和式(4)联立，可得出荷载力与波长变化之间的关系：

FN=KΔλ

(5)

式中K=kEA。

同一个螺栓中埋设的2个光纤光栅应变传感器，2个传感器分布在不同位置，分别测量不同位置的应力，螺栓中埋设的温度传感器是为了消除温度对螺栓及传感器带来的影响。所以，在实际工程应用中，螺栓受到的轴向力表述为：

(6)

式中：ε为仅因荷载变化引起的应变量，με；α为温度相关系数，α=k1/k1t+k2/k2t；k1t、k2t为智能螺栓内微型应变传感器的温度标定系数，ΔT为温度变化量。

1.3 微型FBG传感器及温度传感器

本文针对智能螺栓设计了一种进行封装的微型FBG传感器[32-33]。该封装方式在对光纤起到保护作用的同时也提高了传感器的灵敏度。如图3所示，该传感器包括光纤光栅，2个夹持管和2个支座。光纤光栅的长度是固定的，其两侧延伸出来的光纤使用环氧树脂胶紧紧粘在2个夹持管中，这种封装方式能够消除FBG传感器部分涂敷的环氧树脂不固化而导致的传感器应变传递损失[34-36]。为了能够更好的与螺栓紧密贴合，在传感器的夹持管处又设计了2个小型的支座，粘贴时将支座首先固定在两侧的开槽中，继而把传感器固紧在支座上，保证传感器在后续安装及使用过程中位置不发生变动。

图3 微型传感器结构图

图4是微型传感器实物图。封装后的微型传感器的灵敏度的计算公式在文献[25]中有详细推导过程，而其应变测量结果结果则可表示为：

(7)

式中：ε为传感器应变；Lf为FBG部分的长度；ΔλFBG为微型传感器中心波长的变化量；L是2个小型支座之间的距离。

图4 微型传感器实物图

利用万能试验机对微型FBG应变传感器进行应变标定，将微型传感器与应变计分别固定在钢板两侧，用万能试验机对钢板进行拉伸，得到微型传感器的应变传递系数为1.2 με/pm，线性拟合系数在0.999 72。

由于应变传感器未采用低温敏结构封装，故环境温度对传感器的波长会产生一定影响，为了消除工程应用中环境温度变化对微型传感器的波长带来的影响，需要在智能螺栓布设微型应变传感器的位置增设温度传感器作为温度补偿。图5为封装完成的光纤光栅温度传感器。

图5 光纤光栅温度传感器实物图

温度传感器用水浴法进行标定，处理后得到光纤光栅温度传感器的温度传感器灵敏度系数为10.5 pm/℃，温度与波长的线性拟合系数在0.999以上，说明封装后的温度传感器与温度之间有良好的线性关系。

2 智能螺栓的标定试验

为了验证螺栓的工作性能，设计标定试验。用万能试验机对螺栓施加轴向荷载，每6 kN进行一次力保载，记录传感器波长。由于螺栓在安装时，应变传感器需要有一定的预拉伸，所以设置加载范围为6～60 kN，每6 kN保载10 s，采用光纤光栅波长同步解调仪记录传感器波长变化。由于试验在室内进行，且持续时间较短，因此忽略温度影响。固定在万能实验机上的螺栓如图6所示，图7为标定试验中智能螺栓受到的拉力与传感器波长变化之间的关系。

图6 螺栓应变标定试验

图7 智能螺栓应变标定结果

由图7可以看出，螺栓内埋设的微型传感器的波长变化和在螺栓上施加的拉力成正比，并且具有良好的线性关系，同一个螺栓两侧埋设的微型传感器的波长拉力线性拟合系数能够达到0.999以上，2个传感器的测量灵敏度分别为0.082 04 kN/pm和0.098 47 kN/pm，造成差异的原因主要在于，每个制作完成的微型应变传感器的应变传递系数本身具有差异性，且传感器的埋设条件不可能完全一致。在标定试验中，传感器测量结果能够很好的反映螺栓的实际受力状况，因此可以证明智能螺栓测量精度及可靠性。

3 螺栓的实际工程应变监测

3.1 螺栓的安装

南京市某桥是南京市绕城公路上的规范过江通道，其功能为干线公路间距城市快速路功能。其夹江隧道段采用盾构式管片结构，外径15 m，长度约为1.158 km，全部隧道施工线路分为左线及右线。为了保证隧道整体的安全可靠性，需要对该盾构式管片结构进行结构健康实时监测。

智能螺栓安装在设定的监测断面上。组成同一管环的管块与管块之间连接的智能螺栓称为环向螺栓，环向螺栓的具体安装环境如图8(a)所示，图8(a)中，L1、L2表示临接块1和临接块2，F表示封顶块，B1～B7表示标准块，不同管环之间进行环与环连接的智能螺栓为纵向螺栓，图8(b)为纵向智能螺栓连接管环示意图，环向螺栓及纵向螺栓均为倾斜安装。

(a)环向螺栓安装示意图

(b)纵向螺栓安装示意图图8 智能螺栓安装示意图

3.2 螺栓的应变数据分析

在预设的安装点将螺栓安装好后，用光纤光栅波长同步解调仪进行数据连续采集，时间长度为2个月。本文选取整个盾构式管片监测工程中位于靠近最大水深断面处下的R388管环为例进行分析。

3.2.1 环向螺栓轴力分析

环向螺栓安装在块与块之间的接缝处，图9是经过处理后的其中的5组受力数据，以图9中传感器编号HXLS-R388-B1|B2为例，HXLS代表横向螺栓，R388代表管环编号，B1|B2代表该螺栓位于B1块与B2块之间。从图9中可以看出，安装在环R388上的5个环向智能螺栓，受到的轴向力不断减小，且所有螺栓测得的数据在整体上表现有一致性。出现上述情况的原因可能是由于在外部土体的作用下，管环受压收缩变形，管块与管块间连接的智能螺栓受压[37-41]。智能螺栓的预紧力及变化如表1所示，可知管块B6与B5之间的连接螺栓预紧力变化量最大，可能的原因是此位置处的土质较差，地层抗性较小，管片变形较大。

图9 环向螺栓预紧力变化时程图

表1 环向螺栓预紧力变化数据

3.2.2 纵向螺栓轴力

纵向螺栓指的是环与环之间接缝处安装的螺栓，方向垂直于环缝，监测采集数据如图10所示，以图中ZXLS-R388-B3为例，ZXLS表示纵向螺栓，R388代表工程线编号，B3代表该螺栓位于与下一个管环相接的B3块上。从图10中可以看出，在环R388上设置的纵向螺栓所采集到的3组数据均表明智能螺栓处于受压状态，表明在盾构式隧道结构中，管环与管环间接缝处的间距随时间减小，说明外部土体的沉降等作用会引起盾构式隧道的纵向变形，管环接缝受压收缩。

图10 环缝纵向螺栓轴力

综上所述，长期采集数据分析证明，基于FBG传感器开发的智能螺栓能够测量螺栓轴力，并且在实际工程测量中发挥有效作用。

4 结论

本文发明了一种能基于光纤光栅传感器的智能螺栓，通过将微型FBG传感器及温度传感器分别埋设在螺栓的两侧，利用光纤光栅传感器的波长变化来监测螺栓轴力，实现了对螺栓轴力及温度的实时监测。首先在实验室内，通过万能试验机对螺栓施加的拉力进行标定试验，实验结果表明，施加在螺栓上的拉力与螺栓内埋设的传感器的波长变化量具有良好的线性关系，线性度在0.999以上。智能螺栓在实际工程应用中的数据分析表明，智能螺栓能够实时准确地测量出螺栓受到的力，实际工况能很好的解释螺栓预紧力的变化趋势。基于以上数据，表明对盾构式隧道管片上安装的智能螺栓预紧力的长期实时监测，对保证结构稳定性具有重要意义。