光纖墊片傳感器監測螺栓預緊力技術方案
1 螺栓監測概述
1.1 螺栓監測的必要性
隨著科學技術的發展，使用螺栓連接的結構件越來越大（如風力發電機、水輪機、鋼結構橋梁等），由此對螺栓連接的可靠性提出了非常高的要求。有關研究表明：“螺栓不松不斷，一松即斷”，螺栓斷裂后將對生產造成重大危險和損失。對螺栓松動的檢測傳統采用定期或不定期的人工巡檢，對巡檢人員的責任心和工作態度等依賴比較大，成本大且難以避免突發性事件的發生。而通過在線監測螺栓預緊力系統，可準確判斷螺栓是否發生松動或斷裂，及時控制結構件整體健康狀態或維護螺栓，可避免重大事故的發生。
1.2 常用螺栓監測優劣勢對比
應用優勢 | 應用劣勢 | |||
感應式 | ? 直觀判斷螺栓預緊力松緊 ? 無需額外布線和數據采集設備 | ? 螺栓需埋入傳感器，孔徑大于2mm ? 無法做到精準應力監測，只有松/中度緊/完全緊 狀態量 ? 不支持遠程維護，需人工巡檢判斷預緊力松/緊，被動監測自身工作狀態好壞無法監控 | ||
電阻式 | ? 數據采集系統成本低 | ? 螺栓需要打孔、并通過打磨、膠粘、電焊方式加工完成傳感器 ? 安裝部署復雜，引線多 ? 抗干擾能力差，易受電磁、潮濕等環境影響 | ||
超聲波式 | ? 各行業應用廣 ? 單次測量成本低 ? 不需對螺栓打孔 | ? 對螺栓兩端表面平滑度質量要求高，現場打磨受工況條件影響 ? ? 超聲波探頭成本高，每個傳感器需配置一個，不具備規模應用 ? 不適合長期監測 | ||
智航產品 | 光纖螺栓式 | u 布線少，多路傳感器共享一根光纖傳輸，組網方便 u 抗電磁、振動等干擾能力強 u 適合長期監測 | u 螺栓需打孔預留給傳感器，孔徑1-1.4mm u 螺栓使用變形較小的場所 | |
光纖墊片式 | u 墊片傳感器高度為（8-15mm） | |||
2 產品介紹
ZHOS-OPD光纖墊片傳感器，將光纖光柵應變傳感器埋入墊片中，形成對軸向力敏感的墊片傳感器，可有效監測螺栓的健康狀態。
圖1 墊片傳感器圖
墊片除厚度外本體尺寸滿足《平墊圈倒角型A級》GB/T97.2-2002的要求，其厚度為8mm～15mm，墊片的側面為直徑不大于φ3的光纜傳輸傳感器信號。墊片傳感器，是通過金屬材料在彈性形變內應力σ=F/S，應變? =σ/ E，即?= F/（S·E）的關系式，結構尺寸確定的墊片在固定的截面S下應力?與施加力F成正比。在墊片內通過特殊的結構設計，置入光纖光柵應變傳感器測量該應變?，獲得施加在墊片上的力F。ZHOS-OPD光纖墊片傳感器，其輸出波長變化量與墊片軸向力F成正比例關系。ZHOS-OPD光纖墊片傳感器可有效監測螺栓預緊力大小、是否過載以及是否處于松動或斷裂等健康狀態的判斷。由于墊片與螺母、法蘭接觸面平整度和螺栓與法蘭端面垂直度的影響，墊片傳感器承受的應力會存在偏載，單個測點的墊片傳感器對預緊力測量精度因此受到影響，但不會影響對螺栓松動的判斷。因此，對不止需要對螺栓松動進行監測還需要對預緊力進行準確測量的環境和場所，采用如下多個測點提高其測量精度（單個測點的精度在±10% F·S，兩個測點的精度在±5% F·S，三個測點的精度可提高至±2% F·S）。
圖2 三個測點墊片傳感器三維及實物圖
3 產品特點
? 高精度、高穩定性、高可靠性；
? 光纖傳感器的特征：本質安全，不受電磁干擾、抗腐蝕、抗污染、抗雷擊能力強，可在強電磁干擾、高雷擊、易燃、易爆等惡劣條件下應用；
? 附近安裝一只光纖光柵溫度傳感器，提高全溫范圍內的測量精度；
? 布置簡單，可與其他類型光纖傳感器串聯或并聯混合使用，提高解調儀的利用率；
? 通用其他類型傳感器使用的解調儀，良好的兼容性；
4 主要技術參數
參數名稱 | 單位 | 參數值 | |
墊片規格 | mm | 常用公稱螺紋大徑M24、M30、M36、M42、M48、M56、M64 | |
預緊力測量大小 | kN | M24（300）、M30（400）、M36（600）、M42（750）、M48（950）、M56（1300）、M64（1400） | |
過載能力 | —— | 1.5～2倍過載 | |
靈敏度 | —— | 40% F·S/nm～60% F·S/nm | |
分辨率 | F·S | 0.1% | |
波長范圍 | nm | 1525～1565 | |
波長解調精度 | pm | ±3 | 綜合精度≤±2% F·S |
線性度 | F·S | ±1％ | |
遲滯性 | F·S | ±1％ | |
重復性 | F·S | ±0.5％ | |
溫度漂移 | F·S | ±0.5％（使用溫度范圍內溫度補償后） | |
作用范圍 | —— | 0kN至預緊力的150%可準確判斷螺栓狀態 | |
工作溫度 | ℃ | -40～70 | |
傳感器引出線 | —— | 直徑φ3mm鎧裝光纜1.5m | |
連接方式 | —— | 熔接、FC/APC、LC/APC | |
外形尺寸 | mm | 厚度8mm～15mm，其余尺寸與標準平墊片保持一致（GB/T97.2-2002） | |
5 安裝及典型應用
5.1 墊片傳感器推薦安裝方式
墊片傳感器安裝于螺栓上的安裝方式如圖3所示，墊片傳感器安裝于標準平墊片的下方，平墊片將預緊力傳遞至墊片傳感器。平墊片與墊片傳感器的接觸面積大同時比較容易保持一致，有利于對接觸力的準確檢測，同時可以穩定檢測較大的過載預緊力。
圖3 墊片傳感器在螺栓上的安裝圖
