光纤垫片传感器监测螺栓预紧力技术方案

1 螺栓监测概述

1.1 螺栓监测的必要性

随着科学技术的发展，使用螺栓连接的结构件越来越大（如风力发电机、水轮机、钢结构桥梁等），由此对螺栓连接的可靠性提出了非常高的要求。有关研究表明：“螺栓不松不断，一松即断”，螺栓断裂后将对生产造成重大危险和损失。对螺栓松动的检测传统采用定期或不定期的人工巡检，对巡检人员的责任心和工作态度等依赖比较大，成本大且难以避免突发性事件的发生。而通过在线监测螺栓预紧力系统，可准确判断螺栓是否发生松动或断裂，及时控制结构件整体健康状态或维护螺栓，可避免重大事故的发生。

1.2 常用螺栓监测优劣势对比

2 产品介绍

ZHOS-OPD光纤垫片传感器，将光纤光栅应变传感器埋入垫片中，形成对轴向力敏感的垫片传感器，可有效监测螺栓的健康状态。

图1  垫片传感器图

垫片除厚度外本体尺寸满足《平垫圈倒角型A级》GB/T97.2-2002的要求，其厚度为8mm～15mm，垫片的侧面为直径不大于φ3的光缆传输传感器信号。垫片传感器，是通过金属材料在弹性形变内应力σ=F/S，应变ɛ =σ/ E，即ɛ= F/（S·E）的关系式，结构尺寸确定的垫片在固定的截面S下应力ɛ与施加力F成正比。在垫片内通过特殊的结构设计，置入光纤光栅应变传感器测量该应变ɛ，获得施加在垫片上的力F。ZHOS-OPD光纤垫片传感器，其输出波长变化量与垫片轴向力F成正比例关系。ZHOS-OPD光纤垫片传感器可有效监测螺栓预紧力大小、是否过载以及是否处于松动或断裂等健康状态的判断。由于垫片与螺母、法兰接触面平整度和螺栓与法兰端面垂直度的影响，垫片传感器承受的应力会存在偏载，单个测点的垫片传感器对预紧力测量精度因此受到影响，但不会影响对螺栓松动的判断。因此，对不止需要对螺栓松动进行监测还需要对预紧力进行准确测量的环境和场所，采用如下多个测点提高其测量精度（单个测点的精度在±10% F·S，两个测点的精度在±5% F·S，三个测点的精度可提高至±2% F·S）。

图2  三个测点垫片传感器三维及实物图

3 产品特点

Ø 高精度、高稳定性、高可靠性；

Ø 光纤传感器的特征：本质安全，不受电磁干扰、抗腐蚀、抗污染、抗雷击能力强，可在强电磁干扰、高雷击、易燃、易爆等恶劣条件下应用；

Ø 附近安装一只光纤光栅温度传感器，提高全温范围内的测量精度；

Ø 布置简单，可与其他类型光纤传感器串联或并联混合使用，提高解调仪的利用率；

Ø 通用其他类型传感器使用的解调仪，良好的兼容性；

4 主要技术参数

5 安装及典型应用

5.1 垫片传感器推荐安装方式

垫片传感器安装于螺栓上的安装方式如图3所示，垫片传感器安装于标准平垫片的下方，平垫片将预紧力传递至垫片传感器。平垫片与垫片传感器的接触面积大同时比较容易保持一致，有利于对接触力的准确检测，同时可以稳定检测较大的过载预紧力。

图3  垫片传感器在螺栓上的安装图