光纤智能螺栓在螺栓预紧力测量中的应用

文章主题：patran螺栓预紧力的参考点在机械设计和工程中，螺栓预紧力是一个至关重要的参数。

它决定了螺栓的紧固效果和工作性能，直接关系到机械设备的安全和可靠性。

而patran螺栓预紧力作为一个常用的预紧力工具，在工程领域中应用广泛。

1. patran螺栓预紧力的概念与原理patran螺栓预紧力是一种通过计算机辅助设计软件来模拟和计算螺栓预紧力的方法。

其原理是利用有限元分析方法，对螺栓和螺母的连接进行模拟，通过施加预紧加载，得出螺栓的预紧力大小。

这种方法可以直观地呈现出螺栓连接的受力状态，对于工程师来说非常直观和便捷。

2. patran螺栓预紧力的应用领域在实际的工程设计中，patran螺栓预紧力可广泛应用于各种机械设备、车辆和建筑工程中。

汽车发动机的螺栓连接、高铁轨道的螺栓紧固、建筑结构的螺栓连接等。

通过对螺栓预紧力的计算和分析，可以有效地提高设备的安全性和可靠性，减少故障的发生。

3. patran螺栓预紧力的计算方法通常，计算patran螺栓预紧力需要考虑一系列因素，包括螺栓的材料、螺纹形状、预紧加载力的施加方式等。

在实际工程中，可以通过调整这些参数，来优化螺栓的预紧效果。

并且，通过有限元分析软件的模拟，可以得到更加准确和可靠的预紧力数值。

4. 个人观点和理解从个人的角度来看，patran螺栓预紧力的应用对于机械工程设计和制造来说无疑是一项十分重要的技术。

它不仅可以提高产品的质量和性能，也能够减少因螺栓脱落或故障而造成的安全事故。

在未来，我相信随着计算机辅助设计技术的不断发展，patran螺栓预紧力的应用将会更加普及和成熟。

总结回顾通过本文的讨论，我们对patran螺栓预紧力有了更加深入和全面的了解。

我们从概念与原理、应用领域、计算方法及个人观点等方面进行了探讨，以期帮助读者更加深入地理解和应用这一技术。

patran螺栓预紧力的参考点是机械工程设计和制造中的一个重要技术，它为我们提供了一种模拟和计算螺栓预紧力的便捷方法，对于提高产品性能和安全性具有重要意义。

螺栓预紧力测量立创工控-吕云飞螺栓预紧力是在拧螺栓过程中拧紧力矩作用下的螺栓与被联接件之间产生的沿螺栓轴心线方向的预紧力。

螺栓预紧力的测量为生产安全、设备运维等提供可靠的依据，预紧力传感器及警示螺栓可直接将螺栓所收到的拉伸或压缩力直接输出，测量更精准，数据更可靠，同时我们可以根据不同工况提供不同形式的螺栓预警力测量方案。

在汽车制造、重工、航海航空、航天、军工、风电矿产、生产及研究机构等多个领域广泛应用。

以下将介绍螺栓式预紧力传感器、环形预紧力传感器和警示螺栓三种螺栓预紧力测量方式。

螺栓式预紧力测量传感器螺栓式预紧力传感器将传感器置于螺栓内部，此种方式将传感器与螺栓融入一体，使测量方式更为直接简单，数据精确度极高，传感器的使用也及其方便。

环形预紧力测量传感器环形测力传感器又称为垫圈式传感器、法兰式传感器，此传感器较螺栓式在测量方式上具有更多的优势，使其在预紧力测量上应用更广泛。

应用说明:螺栓式预紧力测量传感器应用案例——风电行业应用应用场景:紧固力设计值的验证、监测风叶紧固度验证：风机在设计定型时，风叶是通过紧固螺栓进行固定的，而紧固螺栓的选型需要预紧力作为重要的选型技术参数来支持选型。

此时使用螺栓式预紧力传感器进行测试，则可得到实际预紧力。

监测：风电叶片在风力带动下运转,在运转的过程中会产生振动效应。

振动的环境下螺栓产生松动是难以避免的,当螺栓松动可能会引发事故的时候，螺栓松动的提前发现变得尤为重要。

（风电风叶预紧力的监测方案在样机的试运行过程中被广泛应用）环形式预紧力测量传感器应用案例环形式预紧力传感器在一般情况下是可取代螺栓式预紧力传感器的，环形式这一优势使其应用更为广泛。

以下我们将介绍环形式别与螺栓式的一个应用案例。

应用环境：当前的产品组装自动化程度、人工效率要求越来越高，螺栓枪已成为装配线上的必备工具。

在使用螺栓枪时我们必须考虑螺栓枪产生的预紧力对产品造成的损伤，特别是外示件的外观损伤。

超声波螺栓预紧力测试的创新应用摘要本文通过研究超声波螺栓的测试原理，并结合实际测试，了解了超声波螺栓的实际效果，通过试验对后续风力发电机组螺栓预紧力智能监测提供依据支撑，对其他制造工序的推广应用提供参考经验。

关键词超声波螺栓预紧力测试0前言随着风电行业的竞争压力不断加大，风力发电机组越来越趋向于大型化、智能化，永磁直驱风力发电机组更是如此。

以某公司8MW永磁直驱发电机组为例，其发电机重量约为160吨，机舱约140吨，此两大部件全靠螺栓进行连接，因此对螺栓的预紧力要求更为严格。

众所周知，螺栓紧固的主要体现在预紧力上，在机组生产过程中及后期运行时，需要定期对螺栓的预紧力进行监测，以防止螺栓力矩值受温度、拧紧顺序、材料强度、震动、表面粗糙度等方面的影响造成衰减，但预紧力又不像力矩值那样可以直接测得，只能通过间接的方式测得，传统方式有应变片法、垫圈传感器法等，而超声波法具有无损测量、真实测量、信息快速保存、成本低廉等特点。

1超声波测试螺栓原理超声波螺栓主要由螺栓及压电陶瓷片组成，如图1所示。

其测量原理是螺栓在自由状态下，发射和接收电信号之间的时间差为T0，螺栓在紧固状态下，由于受到预紧力的作用，螺栓将发生形变，此时螺栓发射和接收电信号之间的时间差为T1，由此依据电信号收发时间差与螺栓的变形量的关系，得到螺栓的变形量ΔL，如公式1所示。

超声波预紧力测量系统依据ΔL与预紧力F之间的数学关系，计算得到预紧力F，如公式2所示。

图1超声波螺栓组成图图2超声波螺栓测试原理图（公式1）（公式2）公式1中，V为机械纵波在螺栓传播的速度；公式2中，F为螺栓的预紧力；E为螺栓的弹性模量；S为螺栓横截面积；ΔL为螺栓的变形量；L为螺栓副的装夹长度。

2超声波测试螺栓原理取2根M30×220-10.9螺栓标定试验，该螺栓做试验时，需要在螺栓头部和垫圈接触处及螺纹部分涂抹道康宁牌二硫化钼。

经查得工艺要求，M30螺栓的预紧力为422KN，在0至440KN范围内以40KN为步长进行加载试验，同时使用超声波预紧力测量系统进行测量，2根螺栓测量值取平均值，并计算应力补偿系数，如表1所示。

螺栓预紧力测量方法螺栓预紧力是指在螺栓连接中，通过施加一定的力使螺栓拉伸，从而提供足够的紧固力以防止连接松动或失效。

螺栓预紧力的准确测量对于确保连接的可靠性和安全性至关重要。

本文将介绍一种常用的螺栓预紧力测量方法。

一、螺栓预紧力的重要性在各种工程领域中，螺栓连接广泛应用于机械装配、结构连接和设备安装等方面。

螺栓预紧力的准确控制对于确保连接的可靠性至关重要。

如果螺栓预紧力过低，连接可能会松动；如果螺栓预紧力过高，可能导致螺栓断裂或连接件损坏。

因此，螺栓预紧力的测量是确保连接安全可靠的关键步骤。

二、螺栓预紧力测量的方法1. 直接测量法直接测量法是一种常见的螺栓预紧力测量方法。

它通过使用专门的螺栓预紧力测量工具，如扭矩扳手或张力测量仪器，直接施加力量到螺栓上，并测量施加力量的大小。

根据螺栓的材料和规格，可以通过查阅相应的标准或手册，确定所需的预紧力数值范围。

通过逐步调整施加力量，直到达到规定的预紧力为止。

这种方法简单直观，可以在实际操作中快速测量螺栓的预紧力。

2. 隔板法隔板法是一种间接测量螺栓预紧力的方法。

它利用螺栓连接中的弹性变形原理，通过测量隔板的变形量来间接推断螺栓的预紧力。

具体操作方法是，在螺栓连接处安装一个隔板，然后施加一定的力量，使螺栓产生弹性变形。

通过测量隔板的变形量，结合材料的弹性模量和螺栓连接的几何参数，可以计算出螺栓的预紧力。

这种方法相对复杂，需要一定的计算和分析，但在某些情况下可以提供更准确的预紧力测量结果。

3. 超声波法超声波法是一种非接触式的螺栓预紧力测量方法。

它利用超声波的传播特性，通过测量超声波在螺栓连接中的传播速度和反射信号的强度来推断螺栓的预紧力。

具体操作方法是，在螺栓连接处安装超声波传感器，将超声波信号发送到螺栓上，并接收反射信号。

通过分析反射信号的特征，可以推断螺栓的预紧力。

这种方法无需接触螺栓，可以在不破坏连接的情况下进行预紧力测量，因此在某些特殊情况下具有较大的优势。

光纤智能螺栓在螺栓预紧力测量中的应用--------沈阳智航智能系统有限公司螺栓预紧可以提高螺栓连接的可靠性、防松能力和螺栓的疲劳强度，增强连接的紧密性和刚性。

事实上，大量的试验和使用经验证明：较高的预紧力对连接的可靠性和被连接的寿命都是有益的，特别对有密封要求的连接更为必要。

当然，过高的预紧力，如若控制不当或者偶然过载，也常会导致连接的失效。

因此，准确确定螺栓的预紧力是非常重要的。

对于螺栓预紧力，目前工程实践中，大多通过扭矩—转角法进行控制，需要获得螺栓的扭矩—转角—预紧力关系曲线，其中预紧力的准确测量尤为关键。

（受螺纹摩擦力、螺栓头部摩擦力、夹层应力释放等因素影响，扭矩转换为预紧力的分散性较大，当然最好的方法是对每个螺栓的预紧力进行现场检测，但受技术和成本限制，暂难以规模化应用）利用光纤光栅精准测量螺栓的预紧力，拉力，剪切力的技术早在2011年沈阳飞机设计研究所就用于国内多个型号军机的结构强度试验中，该技术直到2017年才作为军转民的技术投入到民用市场中，目前与沈阳智航智能系统有限公司合作研发的光纤智能螺栓就是应用该技术面向民用市场推出的第一代高科技产品。

光纤智能螺栓对于螺栓的预紧力检测效果及验证温度对预紧力的影响我们通过大量的试验得以证明。

检测步骤：1)针对硬连接螺栓，通过测量螺栓拧紧扭矩、转角以及轴力之间的关系曲线，得出光纤智能螺栓对预紧力的直接检测效果；2)在恒定预紧力下，通过改变环境温度，分别测量不带温度和带温度补偿功能的智能螺栓预紧力随温度变化曲线，得出光纤智能螺栓的温度补偿误差水平。

试验件为国标8.8级M10螺栓及配套螺栓，采用硬连接，在螺母一侧安装垫圈，螺栓固定，扭矩施加在螺母上，分别针对螺纹无润滑和有润滑两种状态进行试验，加载工具为量程200Nm(±3%)扭矩扳手。

图2a从图2a所示转角—扭矩曲线图得出，基于扭矩转角方法的测量分散性较大、重复性较差，特别是在有无润滑条件下差异明显，表明摩擦力、测量次数对扭矩损耗的影响巨大，符合实践经验和工程预期；图2b从图2b所示转角—轴力曲线图得出，转角与预紧轴力之间严格相关，受摩擦力影响较小，测量分散性小、重复性好。

螺栓连接预紧力测量技术分析省市：湖南省株洲市邮编：412007摘要：在螺栓连接预紧力测量中，工作人员要对不同测量技术有正确认识，明确定性测量技术方式，以及定量测量方式中植入应变片式螺栓预紧力测量技术，植入光纤式螺栓预紧力测量技术的具体优势，从而根据螺栓具体情况，做好测量工作，将测量误差控制在最小范围内。

关键词：螺栓连接；预紧力；测量技术螺栓组经常会被应用在航天器的关键承力部位中，主要目的是实现紧固连接。

在这一过程中，工作人员需要注意，螺栓预紧力控制工作的开展，会在不同程度上对螺栓连接质量产生直接影响。

因此，要对螺栓连接预紧力测量技术进行合理利用，这样可以对螺栓连接预紧力情况进行科学检测与监测，从而及时发现在螺栓连接预紧力中存在的不合理情况。

针对不合理情况可以给出相应解决措施，避免问题影响范围的进一步扩大。

1、螺栓连接预紧力分析紧固件实际上属于通用的基础产品，在我国工业发展中得到广泛应用，航空航天也不例外，紧固件在很多不同航天型号产品中得到普遍应用，比如，应用在运载火箭、卫星飞船中，在具体应用期间会涉及到很多不同环节。

在航天型号产品中使用的紧固连接件，在实际发射与飞行期间，需要承受很多复杂且苛刻的力学环境，与此同时，还要经受其他因素影响，比如，剧烈的高频震动影响、低频震动影响、噪声影响以及冲击载荷影响等[1]。

基于此，在航天型号产品中，对于此类紧固连接件的稳定性、质量以及安全性有着极高要求，如果出现连接失败情况，那么会对产品性能产生严重情况，甚至无法成功完成任务。

航天型号产品使用的紧固连接，具有使用范围广特点、环境多样特点以及承力条件苛刻特点等。

紧固连接可靠性，会受到紧固件自身性能影响，以及装配质量影响。

在实际紧固件的使用装配、过程监控中，仍然存在一定的风险与技术漏洞情况。

在紧固连接中使用较为普遍的就是螺栓连接方式，比如，在航天器发动机等很多关键性承力部位，主要就是利用螺栓组进行紧固连接。

该种方式主要是基于扭拉关系，通过扭矩扳手或者预置式定力扳手方式，实现对拧紧力矩的全面控制，也就是说，能够实现预紧力的控制。

螺栓预紧力的应用
我们经常会遇到通过螺栓连接的零件需要进行强度和安全可靠
性分析的情况。

如果螺栓本身的强度考察是次要的，主要关注点在于通过它连接的那些零件上，那可以在分析过程中对螺栓进行简化，如果要考虑螺栓拧紧过程中的预紧力，需要在仿真时加上“螺栓预紧力”，以符合实际情况。

螺栓连接单元如图1所示。

图1
其中：
中间的绿色显示的Beam单元（显示为BM）用来模拟螺栓的轴。

上下两端的1D RBE2单元（显示为RL）将Beam单元与周围的网格连接起来。

中间红色显示的是螺栓预紧力。

实际操作的时候，可用CBAR或者CBEAM类型的单元模拟螺栓轴，用RBE2或者RBE2（比RBE2有柔性）进行1D网格连接。

预紧力参与解算的公式如下：
（u2-u1)/L=P/AE
式中：u1和u2为Beam单元两端节点的位移。

L为螺栓的初始长度。

P为定义的预紧力。

A为螺栓轴的截面积。

E为螺栓材料的弹性模量。

以具体模型为例，查看螺栓预紧力在分析中的影响。

有限元模型如图2所示，底面固定，上下两部分定义接触，中间孔部分定义螺栓连接，给定螺栓预紧力。

图2
结果如图3所示（变形放大），能够看到模型在螺栓预紧力的作用下弯曲变形。

图3。

专利名称：一种数字化智能螺栓及其预紧力检测方法专利类型：发明专利
发明人：王慧,姜招喜,唐海中,许佳焱,陈祖强,王备均申请号：CN201910914228.4
申请日：20190926
公开号：CN112556900A
公开日：
20210326
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明涉及螺栓领域，具体的说是一种数字化智能螺栓及其预紧力检测方法，包括螺栓、安置腔、连接通道、密封塞、转换模块、数据采集器、供电模块、无线中继、基站、云平台和终端。

智能螺栓的内部以全桥方式安装有四个应变片，其中应变片R1设置在连接通道的尾端，应变片R2、R3与R4设置在螺栓头部或非受力变形部位。

螺栓在使用过程中遇到温度变化时，螺栓在不受外力变化的情况下由于热胀冷缩的作用，自身产生变形，从而导致应变片变形，进一步导致应变片电阻的改变，最后导致测量桥路电压改变，影响测量的准确性。

通过在R1或R2串联电阻Rt，对桥路电阻进行正负补偿从而实现对温度变化的补偿，保证应变、应力测量的准确性。

申请人：浙江国检检测技术股份有限公司
地址：314000 浙江省嘉兴市海盐县武原街道盐北路211号东区1幢,2幢
国籍：CN
代理机构：深圳市千纳专利代理有限公司
代理人：何耀煌
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㊀２０２０年㊀第１２期仪表技术与传感器Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ㊀Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ㊀ａｎｄ㊀Ｓｅｎｓｏｒ２０２０㊀Ｎｏ．１２㊀基金项目：国家重点研发计划（２０１６ＹＦＣ０７０１１０７）；国家自然科学基金项目（５１６７８１０９）收稿日期：２０１９－１１－０５基于光纤光栅传感器的智能螺栓开发及应用师㊀琪１，任㊀亮２，尤润州２，王嘉健２（１．大连理工大学光电工程与仪器科学学院，辽宁大连㊀１１６０２４；２．大连理工大学土木工程学院，辽宁大连㊀１１６０２４）㊀㊀摘要：研发了一种基于光纤光栅（ＦＢＧ）传感器的智能螺栓，其能够实现螺栓预紧力和温度的实时同步监测，从而保障结构安全㊂文中详细分析了智能螺栓的设计原理，介绍了智能螺栓中使用的ＦＢＧ应变传感器，并设计了万能试验机标定试验以验证智能螺栓的性能，智能螺栓与轴向力的线性拟合系数可达０．９９９以上㊂文章最后，在实际工程中使用智能螺栓对盾构式管片进行长期监测，监测数据的分析结果更进一步地证实了智能螺栓性能的可靠度，说明了智能螺栓能够有效地应用于实际工程㊂关键词：智能螺栓；ＦＢＧ传感器；轴向力监测中图分类号：ＴＮ２４７㊀㊀㊀文献标识码：Ａ㊀㊀㊀文章编号：１００２－１８４１（２０２０）１２－００１０－０６ＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＳｍａｒｔＢｏｌｔＢａｓｅｄｏｎＦＢＧＳｅｎｓｏｒｓＳＨＩＱｉ１，ＲＥＮＬｉａｎｇ２，ＹＯＵＲｕｎ⁃ｚｈｏｕ２，ＷＡＮＧＪｉａ⁃ｊｉａｎ２（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＯｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＳｃｉｅｎｃｅ，ＤａｌｉａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｄａｌｉａｎ１１６０２４，Ｃｈｉｎａ；２．ＳｃｈｏｏｌｏｆＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＤａｌｉａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｄａｌｉａｎ１１６０２４，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ａｓｍａｒｔｂｏｌｔｂａｓｅｄｏｎｆｉｂｅｒＢｒａｇｇｇｒａｔｉｎｇ（ＦＢＧ）ｓｅｎｓｏｒｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄ，ｗｈｉｃｈｃａｎｍｏｎｉｔｏｒｔｈｅｂｏｌｔｐｒｅｔｉｇｈｔｅｎｉｎｇｆｏｒｃｅａｎｄｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｌｙｉｎｒｅａｌ⁃ｔｉｍｅ，ｔｈｕｓｅｎｓｕｒｉｎｇｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｓａｆｅｔｙ．Ｔｈｅｄｅｓｉｇｎｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｔｈｅｓｍａｒｔｂｏｌｔｗａｓａｎａｌｙｚｅｄｉｎｄｅｔａｉｌ，ｔｈｅＦＢＧｓｔｒａｉｎｓｅｎｓｏｒｕｓｅｄｉｎｓｍａｒｔｂｏｌｔｓｉｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ａｕｎｉｖｅｒｓａｌｔｅｓｔｉｎｇｍａｃｈｉｎｅｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎｔｅｓｔｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄｔｏｖｅｒｉｆｙｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｔｈｅｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｂｏｌｔａｎｄｔｈｅｌｉｎｅａｒｆｉｔｔｉｎｇｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｏｆｓｍａｒｔｂｏｌｔｓａｎｄａｘｉａｌｆｏｒｃｅｃａｎｒｅａｃｈａｂｏｖｅ０．９９９．Ｉｎｔｈｅｅｎｄｉｎｇ，ｔｈｅｓｍａｒｔｂｏｌｔｓｗｅｒｅａｐｐｌｉｅｄｔｏｍｏｎｉｔｏｒｓｈｉｅｌｄｓｅｇｍｅｎｔｓｆｏｒｌｏｎｇｔｅｒｍｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｈｅａｌｔｈｙｍｏｎｉｔｏ⁃ｒｉｎｇ，ｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｒｅｓｕｌｔｓｏｆｔｈｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｄａｔａｆｕｒｔｈｅｒｃｏｎｆｉｒｍｔｈｅｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｔｈｅｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｂｏｌｔ，ｗｈｉｃｈｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｂｏｌｔｃａｎｂｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙａｐｐｌｉｅｄｔｏｐｒａｃｔｉｃａｌｐｒｏｊｅｃｔｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｍａｒｔｂｏｌｔ；ＦＢＧｓｅｎｓｏｒ；ａｘｉａｌｆｏｒｃｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ０㊀引言螺栓连接具有拆卸简单㊁连接可靠㊁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㊂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㊁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㊂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㊂有关螺栓预紧力的监测，目前国内外已经有许多相关研究㊂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㊁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㊂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㊂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］㊂ＦＢＧ传感器因体积小㊁抗电磁干扰能力强㊁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㊂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㊂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㊀㊀㊀㊀㊀第１２期师琪等：基于光纤光栅传感器的智能螺栓开发及应用１１㊀㊀术能够精确测量螺栓预紧力的智能螺栓㊂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㊂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㊂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㊂１㊀智能螺栓设计原理１．１㊀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㊁２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４ｍｍ㊂２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５０ｍｍ和２５０ｍｍ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㊂图１㊀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㊂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３００ｍｍ，其余部分不做改变㊂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㊂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）㊂（ａ）螺栓实物图（ｂ）埋设传感器实物图图２㊀智能螺栓实物图１．２㊀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：ε１＝ＦＥＡ（１）ε２＝ＦＥＡ（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㊂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㊁２号微型传感器的波长变化量㊂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＝ｋＥＡ㊂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㊂所以，在实际工程应用中，螺栓受到的轴向力表述为：Ｆ＝Ａε＝Ａ（ｋ１Δλ１＋ｋ２Δλ２－αΔＴ２）（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；ｋ１ｔ㊁ｋ２ｔ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㊂１．３㊀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］㊂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㊂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㊂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］㊂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㊂图４是微型传感器实物图㊂封装后的微型传感器㊀㊀㊀㊀㊀１２㊀ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＴｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄＳｅｎｓｏｒＤｅｃ．２０２０㊀图３㊀微型传感器结构图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：ε＝ＬｆλＦＢＧ１．２Ｌ（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㊂图４㊀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１．２με／ｐｍ，线性拟合系数在０．９９９７２㊂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㊂图５为封装完成的光纤光栅温度传感器㊂图５㊀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１０．５ｐｍ／ħ，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㊂２㊀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㊂用万能试验机对螺栓施加轴向荷载，每６ｋＮ进行一次力保载，记录传感器波长㊂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 ６０ｋＮ，每６ｋＮ保载１０ｓ，采用光纤光栅波长同步解调仪记录传感器波长变化㊂由于试验在室内进行，且持续时间较短，因此忽略温度影响㊂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㊂图６㊀螺栓应变标定试验图７㊀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０．０８２０４ｋＮ／ｐｍ和０．０９８４７ｋＮ／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㊂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㊂３㊀螺栓的实际工程应变监测３．１㊀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㊂其夹江隧道段采用盾构式管片结构，外径１５ｍ，长度约为１．１５８ｋｍ，全部隧道施工线路分为左线及右线㊂为了㊀㊀㊀㊀㊀第１２期师琪等：基于光纤光栅传感器的智能螺栓开发及应用１３㊀㊀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㊂智能螺栓安装在设定的监测断面上㊂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，Ｌ１㊁Ｌ２表示临接块１和临接块２，Ｆ表示封顶块，Ｂ１Ｂ７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㊂（ａ）环向螺栓安装示意图（ｂ）纵向螺栓安装示意图图８㊀智能螺栓安装示意图３．２㊀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㊂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㊂３．２．１㊀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㊂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㊂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］㊂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㊂图９㊀环向螺栓预紧力变化时程图表１㊀环向螺栓预紧力变化数据螺栓编号初始预紧力／ｋＮ截止时受力／ｋＮＲ３８８－ＨＸＬＳ－Ｂ３｜Ｂ２３４．９０４９２４．９８１４Ｒ３８８－ＨＸＬＳ－Ｂ６｜Ｂ５－１７．９１８８－４３．７３０７Ｒ３８８－ＨＸＬＳ－Ｂ１｜Ｂ２０．８０９７－１８．４２５４Ｒ３８８－ＨＸＬＳ－Ｌ１｜Ｆ１３．８４７４－１．２２３８Ｒ３８８－ＨＸＬＳ－Ｆ｜Ｌ２－１３．９５４９－２６．４０８３３．２．２㊀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㊂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㊂图１０㊀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㊀㊀㊀㊀㊀１４㊀ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＴｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄＳｅｎｓｏｒＤｅｃ．２０２０㊀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㊂４　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㊂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㊂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㊂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㊂参考文献：［１］㊀ＩＺＵＭＩＳ，ＹＯＫＯＹＡＭＡＴ，ＩＷＡＳＡＫＩＡ，ｅｔａｌ．Ｔｈｒｅｅ⁃ｄｉｍｅｎ⁃ｓｉｏｎａｌｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｉｇｈｔｅｎｉｎｇａｎｄｌｏｏｓｅｎｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｔｈｒｅａｄｅｄｆａｓｔｅｎｅｒ［Ｊ］．ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＦａｉｌｕｒｅＡ⁃ｎａｌｙｓｉｓ，２００５，１２（４）：６０４－６１５．［２］㊀ＢＡＳＡＶＡＳ，ＨＥＳＳＤＰ．Ｂｏｌｔｅｄｊｏｉｎｔｃｌａｍｐｉｎｇｆｏｒｃｅｖａｒｉａｔｉｏｎｄｕｅｔｏａｘｉａｌｖｉｂｒａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｏｕｎｄａｎｄＶｉｂｒａｔｉｏｎ，１９９８，２１０（２）：２５５－２６５．［３］㊀ＮＡＳＳＡＲＳＡ，ＹＡＮＧＸ．Ａｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｆｏｒｖｉｂｒａｔｉｏｎ⁃ｉｎｄｕｃｅｄｌｏｏｓｅｎｉｎｇｏｆｐｒｅｌｏａｄｅｄｔｈｒｅａｄｅｄｆａｓｔｅｎｅｒｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＶｉｂｒａｔｉｏｎａｎｄＡｃｏｕｓｔｉｃｓ，２００９，１３１（２）：０２１００９．［４］㊀ＴＡＯＷ，ＳＨＡＯＰＥＮＧＬ，ＪＵＮＨＵＡＳ，ｅｔａｌ．Ｈｅａｌｔｈｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｏｆｂｏｌｔｅｄｊｏｉｎｔｓｕｓｉｎｇｔｈｅｔｉｍｅｒｅｖｅｒｓａｌｍｅｔｈｏｄａｎｄｐｉｅｚｏｅ⁃ｌｅｃｔｒｉｃｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ［Ｊ］．ＳｍａｒｔＭａｔｅｒｉａｌｓａｎｄＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，２０１６，２５（２）：０２５０１０．［５］㊀ＷＡＮＧＴ，ＳＯＮＧＧ，ＬＩＵＳ，ｅｔａｌ．Ｒｅｖｉｅｗｏｆｂｏｌｔｅｄｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ［Ｊ］．ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｏｆＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＳｅｎｓｏｒＮｅｔｗｏｒｋｓ，２０１３，９（１２）：８７１２１３．［６］㊀刘卓乾．航空发动机螺栓连接转子的振动特性研究［Ｄ］．天津：天津大学，２０１６．［７］㊀ＬＩＡＮＧＤ，ＹＵＡＮＳ．Ｄｅｃｉｓｉｏｎｆｕｓｉｏｎｓｙｓｔｅｍｆｏｒｂｏｌｔｅｄｊｏｉｎｔｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ［Ｊ］．ＳｈｏｃｋａｎｄＶｉｂｒａｔｉｏｎ，２０１５（１）：１－１１．［８］㊀王术新，姜哲．基于结构振动损伤识别技术的研究现状及进展［Ｊ］．振动与冲击，２００４（４）：１０１－１０４；１５３．［９］㊀ＣＡＣＣＥＳＥＶ，ＭＥＷＥＲＲ，ＶｅｌＳＳ．Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎｏｆｂｏｌｔｌｏａｄｌｏｓｓｉｎｈｙｂｒｉｄｃｏｍｐｏｓｉｔｅ／ｍｅｔａｌｂｏｌｔｅｄｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｓ［Ｊ］．ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，２００４，２６（７）：８９５－９０６．［１０］㊀ＺＵＣＣＡＳ，ＦＩＲＲＯＮＥＣＭ．Ｎｏｎｌｉｎｅａｒｄｙｎａｍｉｃｓｏｆｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｙｓｔｅｍｓｗｉｔｈｆｒｉｃｔｉｏｎｃｏｎｔａｃｔｓ：ｃｏｕｐｌｅｄｓｔａｔｉｃａｎｄｄｙｎａｍｉｃｍｕｌｔｉ⁃ｈａｒｍｏｎｉｃｂａｌａｎｃｅｍｅｔｈｏｄａｎｄｍｕｌｔｉｐｌｅｓｏｌｕｔｉｏｎｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｏｕｎｄａｎｄＶｉｂｒａｔｉｏｎ，２０１４，３３３（３）：９１６－９２６．［１１］㊀ＦＡＲＲＡＲＣＲ，ＰＡＲＫＧ，ＳＯＨＮＨ，ｅｔａｌ．Ｏｖｅｒｖｉｅｗｏｆｐｉｅｚｏｅ⁃ｌｅｃｔｒｉｃｉｍｐｅｄａｎｃｅ⁃ｂａｓｅｄｈｅａｌｔｈｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇａｎｄｐａｔｈｆｏｒｗａｒｄ［Ｊ］．ＳｈｏｃｋａｎｄＶｉｂｒａｔｉｏｎＤｉｇｅｓｔ，２００３，３５（６）：４５１－４６３．［１２］㊀ＴＳＥＮＧＫＫＨ，ＮＡＩＤＵＡＳＫ．Ｎｏｎ⁃ｐａｒａｍｅｔｒｉｃｄａｍａｇｅｄｅ⁃ｔｅｃｔｉｏｎａｎｄｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎｕｓｉｎｇｓｍａｒｔｐｉｅｚｏｃｅｒａｍｉｃｍａｔｅｒｉａｌ［Ｊ］．ＳｍａｒｔＭａｔｅｒｉａｌｓａｎｄＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，２００２，１１（３）：３１７．［１３］㊀王丹生，朱宏平，鲁晶晶，等．基于压电导纳的钢框架螺栓松动检测试验研究［Ｊ］．振动与冲击，２００７（１０）：１５７－１６０；１９４－１９５．［１４］㊀ＡＮＮＡＭＤＡＳＶＧＭ，ＲＡＤＨＩＫＡＭＡ．Ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌｉｍ⁃ｐｅｄａｎｃｅｏｆｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓｆｏｒｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｍｅｔａｌｌｉｃａｎｄｎｏｎ⁃ｍｅｔａｌｌｉｃｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ：Ａｒｅｖｉｅｗｏｆｗｉｒｅｄ，ｗｉｒｅｌｅｓｓａｎｄｅｎｅｒｇｙ⁃ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇｍｅｔｈｏｄｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＭａｔｅｒｉａｌＳｙｓｔｅｍｓａｎｄＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，２０１３，２４（９）：１０２１－１０４２．［１５］㊀ＳＵＤＡＭ，ＨＡＳＵＯＹ，ＫＡＮＡＹＡＡ，ｅｔａｌ．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｕｌ⁃ｔｒａｓｏｎｉｃａｘｉａｌｂｏｌｔｉｎｇｆｏｒｃｅｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｆｏｒｔｕｒｂｉｎｅｂｏｌｔｓｉｎｔｈｅｒｍａｌｐｏｗｅｒｐｌａｎｔｓ［Ｊ］．ＪＳＭＥｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌｊｏｕｒｎａｌ．Ｓｅｒ．１，Ｓｏｌｉｄｍｅｃｈａｎｉｃｓ，ｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｍａｔｅｒｉａｌｓ，１９９２，３５（２）：２１６－２１９．［１６］㊀ＨＩＲＡＯＭ，ＯＧＩＨ，ＹＡＳＵＩＨ．Ｃｏｎｔａｃｔｌｅｓｓｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｏｆｂｏｌｔａｘｉａｌｓｔｒｅｓｓｕｓｉｎｇａｓｈｅａｒ⁃ｗａｖｅｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃａｃｏｕｓｔｉｃｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ［Ｊ］．ＮＤＴａｎｄＥＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，２００１，３４（３）：１７９－１８３．［１７］㊀ＪＨＡＮＧＫＹ，ＱＵＡＮＨＨ，ＨＡＪ，ｅｔａｌ．Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｅｓｔｉｍａｔｉｏｎｏｆｃｌａｍｐｉｎｇｆｏｒｃｅｉｎｈｉｇｈ⁃ｔｅｎｓｉｏｎｂｏｌｔｓ［Ｃ］／／ＫｅｙＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＭａｔｅｒｉａｌｓ．ＴｒａｎｓＴｅｃｈＰｕｂｌｉｃａｔｉｏｎｓ，２００６，３２１：２４０－２４３．［１８］㊀ＣＨＡＫＩＳ，ＣＯＲＮＥＬＯＵＰＧ，ＬＩＬＬＡＭＡＮＤＩ，ｅｔａｌ．Ｃｏｍｂｉｎａ⁃ｔｉｏｎｏｆｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌａｎｄｔｒａｎｓｖｅｒｓｅｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｗａｖｅｓｆｏｒｉｎｓｉｔｕｃｏｎｔｒｏｌｏｆｔｈｅｔｉｇｈｔｅｎｉｎｇｏｆｂｏｌｔｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＰｒｅｓｓｕｒｅＶｅｓｓｅｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００７，１２９（３）：３８３－３９０．［１９］㊀孙国峰．基于超声波技术的螺栓紧固轴力测量应用研究［Ｄ］．杭州：浙江工业大学，２０１２．［２０］㊀ＷＡＮＧＴ，ＳＯＮＧＧ，ＷＡＮＧＺ，ｅｔａｌ．Ｐｒｏｏｆ⁃ｏｆ⁃ｃｏｎｃｅｐｔｓｔｕｄｙｏｆｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｂｏｌｔｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｓｔａｔｕｓｕｓｉｎｇａｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃｂａｓｅｄａｃｔｉｖｅｓｅｎｓｉｎｇｍｅｔｈｏｄ［Ｊ］．ＳｍａｒｔＭａｔｅｒｉａｌｓａｎｄＳｔｒｕｃ⁃ｔｕｒｅｓ，２０１３，２２（８）：０８７００１．［２１］㊀ＤＯＹＬＥＤ，ＺＡＧＲＡＩＡ，ＡＲＲＩＴＴＢ，ｅｔａｌ．Ｄａｍａｇｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎｉｎｂｏｌｔｅｄｓｐａｃｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＭａｔｅｒｉａｌＳｙｓｔｅｍｓａｎｄＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，２０１０，２１（３）：２５１－２６４．［２２］㊀ＭＩＴＡＡ，ＦＵＪＩＭＯＴＯＡ．Ａｃｔｉｖｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎｏｆｌｏｏｓｅｎｅｄｂｏｌｔｓｕｓｉｎｇｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｗａｖｅｓａｎｄｓｕｐｐｏｒｔｖｅｃｔｏｒｍａｃｈｉｎｅｓ［Ｃ］／／Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｏｆｔｈｅ５ｔｈｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌｗｏｒｋｓｈｏｐｏｎｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｈｅａｌｔｈｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ．２００５：１０１７－１０２４．［２３］㊀ＰＡＲＫＳＨ，ＹＵＮＣＢ，ＲＯＨＹ．ＰＺＴ－ｉｎｄｕｃｅｄＬａｍｂｗａｖｅｓａｎｄｐａｔｔｅｒｎｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎｓｆｏｒｏｎ⁃ｌｉｎｅｈｅａｌｔｈｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｏｆｊｏｉｎｔｅｄｓｔｅｅｌｐｌａｔｅｓ［Ｃ］／／ＳｍａｒｔＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓａｎｄＭａｔｅｒｉａｌｓ２００５：ＳｅｎｓｏｒｓａｎｄＳｍａｒｔＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｆｏｒＣｉｖｉｌ，㊀㊀㊀㊀㊀第１２期师琪等：基于光纤光栅传感器的智能螺栓开发及应用１５㊀㊀Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ，ａｎｄＡｅｒｏｓｐａｃｅＳｙｓｔｅｍｓ．ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＳｏｃｉｅｔｙｆｏｒＯｐｔｉｃｓａｎｄＰｈｏｔｏｎｉｃｓ，２００５，５７６５：３６４－３７６．［２４］㊀ＡＭＥＲＩＮＩＦ，ＢＡＲＢＩＥＲＩＥ，ＭＥＯＭ，ｅｔａｌ．Ｄｅｔｅｃｔｉｎｇｌｏｏｓｅ⁃ｎｉｎｇ／ｔｉｇｈｔｅｎｉｎｇｏｆｃｌａｍｐｅｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｕｓｉｎｇｎｏｎｌｉｎｅａｒｖｉｂｒａ⁃ｔｉｏｎｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ［Ｊ］．Ｓｍａｒｔｍａｔｅｒｉａｌｓａｎｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，２０１０，１９（８）：０８５０１３．［２５］㊀ＲＥＮＬ，ＦＥＮＧＴ，ＨＯＭ，ｅｔａｌ．Ａｓｍａｒｔ ｓｈｅａｒｓｅｎｓｉｎｇ ｂｏｌｔｂａｓｅｄｏｎＦＢＧｓｅｎｓｏｒｓ［Ｊ］．Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，２０１８，１２２：２４０－２４６．［２６］㊀ＬＩＨＮ，ＬＩＤＳ，ＳＯＮＧＧＢ．Ｒｅｃｅｎｔａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆｆｉｂｅｒｏｐｔｉｃｓｅｎｓｏｒｓｔｏｈｅａｌｔｈｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｉｎｃｉｖｉｌｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ［Ｊ］．Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，２００４，２６（１１）：１６４７－１６５７．［２７］㊀ＲＡＯＹＪ．Ｒｅｃｅｎｔｐｒｏｇｒｅｓｓｉｎａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆｉｎ⁃ｆｉｂｒｅＢｒａｇｇｇｒａｔｉｎｇｓｅｎｓｏｒｓ［Ｊ］．ＯｐｔｉｃｓａｎｄｌａｓｅｒｓｉｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，１９９９，３１（４）：２９７－３２４．［２８］㊀ＰＥＩＨＦ，ＴＥＮＧＪ，ＹＩＮＪＨ，ｅｔａｌ．Ａｒｅｖｉｅｗｏｆｐｒｅｖｉｏｕｓｓｔｕｄｉｅｓｏｎｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆｏｐｔｉｃａｌｆｉｂｅｒｓｅｎｓｏｒｓｉｎｇｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌｈｅａｌｔｈｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ［Ｊ］．Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，２０１４，５８：２０７－２１４．［２９］㊀ＬＡＵＫＴ．ＳｔｒｕｃｔｕｒａｌｈｅａｌｔｈｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｆｏｒｓｍａｒｔｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｕｓｉｎｇｅｍｂｅｄｄｅｄＦＢＧｓｅｎｓｏｒｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ［Ｊ］．Ｍａｔｅｒｉａｌｓｓｃｉｅｎｃｅａｎｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１４，３０（１３）：１６４２－１６５４．［３０］㊀ＲＯＶＥＲＩＮ，ＣＡＲＣＡＴＥＲＲＡＡ，ＳＥＳＴＩＥＲＩＡ．Ｒｅａｌ⁃ｔｉｍｅｍｏ⁃ｎｉｔｏｒｉｎｇｏｆｒａｉｌｗａｙｉｎｆｒａｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｕｓｉｎｇｆｉｂｒｅＢｒａｇｇｇｒａｔｉｎｇｓｅｎｓｏｒｓ［Ｊ］．ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓａｎｄＳｉｇｎａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，２０１５，６０：１４－２８．［３１］㊀黄永阔．基于光纤光栅的高温法兰螺栓紧固力测量技术研究［Ｄ］．上海：华东理工大学，２０１７．［３２］㊀王永洪，张明义，张春巍，等．夹持式封装低温敏ＦＢＧ应变传感器的设计［Ｊ］．传感技术学报，２０１８，３１（３）：３４７－３４９．［３３］㊀任亮，李宏男，胡志强，等．一种增敏型光纤光栅应变传感器的开发及应用［Ｊ］．光电子．激光，２００８（１１）：１４３７－１４４１．［３４］㊀任亮，姜涛，李东升，等．微型ＦＢＧ应变传感器在大坝模型试验中的应用［Ｊ］．振动．测试与诊断，２０１３，３３（２）：２７７－２８３；３４１．［３５］㊀贾子光，任亮，李宏男，等．应用光纤光栅传感器监测复合材料固化过程［Ｊ］．中国激光，２０１０，３７（５）：１２９８－１３０３．［３６］㊀ＲＥＮＬ，ＣＨＥＮＪ，ＬＩＨＮ，ｅｔａｌ．ＤｅｓｉｇｎａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆａｆｉｂｅｒＢｒａｇｇｇｒａｔｉｎｇｓｔｒａｉｎｓｅｎｓｏｒｗｉｔｈｅｎｈａｎｃｅｄｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｉｎｔｈｅｓｍａｌｌ⁃ｓｃａｌｅｄａｍｍｏｄｅｌ［Ｊ］．ＳｍａｒｔＭａｔｅｒｉａｌｓａｎｄＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，２００９，１８（３）：０３５０１５．［３７］㊀徐望国，罗青，杨智，等．衡阳市湘江盾构隧道管片结构受力分析［Ｊ］．矿业工程研究，２０１８，３３（３）：５８－６３．［３８］㊀林荣安，刘伯莹．富水淤泥质软土地层盾构隧道管片受力特征研究［Ｊ］．中国公路学报，２０１８，３１（９）：１１２－１１８．［３９］㊀姜燕，杨光华，陈富强，等．湛江湾高水头跨海盾构隧道管片结构典型断面受力计算与监测反馈分析［Ｊ］．岩土力学，２０１８，３９（１）：２７５－２８６．［４０］㊀林伟波，杨小平，严振瑞，等．湛江湾跨海盾构隧道管片变形与受力分析［Ｊ］．隧道建设，２０１６，３６（３）：２８８－２９４．［４１］㊀陈晓坚．跨海地铁盾构隧道管片结构受力分析［Ｊ］．南昌航空大学学报（自然科学版），２０１４，２８（４）：６７－７１．作者简介：师琪（１９９６ ），硕士研究生，主要研究方向为光纤光栅传感器的应用㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：２７１２０２２９２２＠ｑｑ．ｃｏｍ任亮（１９７９ ），副教授，主要从事结构健康监测的关键技术研究，光纤传感器的开发及应用㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｒｅｎｌｉａｎｇ＠ｄｌｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ（上接第９页）平台数据采集做了测试㊂结果表明：该系统可以在满足精度要求的条件下稳定地将调焦调平传感器所产生的光强信号采集至上位机，测量精度高于４ｎｍ（３σ），满足调焦调平传感器光电探测系统的设计要求㊂参考文献：［１］㊀姚汉明，胡松，邢廷文．光学投影曝光微纳加工方法［Ｍ］．北京：北京工业大学出版社，２００６：６１－６２．［２］㊀韦亚一．超大规模集成电路先进光刻理论与应用［Ｍ］．北京：科学出版社，２０１６：１１７－１１９．［３］㊀ＢＯＯＮＭＡＮＭ，ＶＡＮＤＥＶＩＮＣ，ＴＥＭＰＥＬＡＡＲＳＳ，ｅｔａｌ．Ｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆａｄｕａｌｓｔａｇｅｓｙｓｔｅｍ［Ｃ］．ＳＰＩＥ，２００４，５３７７：７４２－７５７．［４］㊀曾爱军，王向朝，徐德衍．投影光刻机调焦调平传感技术的研究进展［Ｊ］．激光与光电子学进展，２００４，４１（７）：２４－３０．［５］㊀ＭＯＤＤＥＲＭＡＮＴＭ，ＮＩＪＭＥＩＪＥＲＧＪ，ＪＡＳＰＥＲＪＣＭ．Ｏｆｆ⁃ａｘｉｓｌｅｖｅｌｉｎｇｉｎｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｉｃｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎａｐｐａｒａｔｕｓ：７２０６０５８Ｂ２［Ｐ］．２００７－０４－１７．［６］㊀ＤＥＮＢＯＥＦＡＪ，ＢＥＮＳＣＨＯＰＪＰＨ，ＢＲＩＮＫＨＯＦＲ，ｅｔａｌ．Ｌｅｖｅｌｓｅｎｓｏｒ，ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｉｃａｐｐａｒａｔｕｓ，ａｎｄｓｕｂｓｔｒａｔｅｓｕｒｆａｃｅｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇｍｅｔｈｏｄ：ＵＳ２０１３／００７７０７９Ａ１［Ｐ］．２０１３－０３－２８．［７］㊀ＶＡＮＤＥＲＷＥＲＦＪＥ．Ｏｐｔｉｃａｌｆｏｃｕｓａｎｄｌｅｖｅｌｓｅｎｓｏｒｆｏｒｗａｆｅｒｓｔｅｐｐｅｒｓ［Ｊ］．ＪＶａｃＳｃｉＴｅｃｈｎｏｌＢ，１９９２，１０（２）：７３５－７４０．［８］㊀孙裕文，李世光，宗明成．基于空间分光的纳米级调焦调平测量技术［Ｊ］．光学学报，２０１６，３６（５）：１０５－１１２．［９］㊀ＢＯＲＮＥＢＲＯＥＫＦ．ＥｘｔｅｎｄｉｎｇＡｒＦｉｉｍｍｅｒｓｉｏｎｓｃａｎｎｅｒｃａｐａｂｉｌｉｔｙｉｎｓｕｐｐｏｒｔｏｆ１ｘｎｍｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｎｏｄｅｓ［Ｃ／ＯＬ］．ＳＰＩＥＡｄｖａｎｃｅｄｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ．（２０１４－０３－０５）．ｈｔｔｐ：／／ｓｔａｔｉｃｗｗｗ．ａｓｍｌ．ｃｏｍ／ｄｏｃｌｉｂ／ｍｉｓｃ／ａｓｍｌ＿２０１４０３０６＿Ｅｘｔｅｎｄｉｎｇ＿ＡｒＦｉ＿ｉｍｍｅｒｓｉｏｎ＿ｓｃａｎｎｅｒ＿ｃａ⁃ｐａｂｉｌｉｔｙ＿ｉｎ＿ｓｕｐｐｏｒｔ＿ｏｆ＿１ｘｎｍ＿ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ＿ｎｏｄｅｓ．ｐｄｆ．［１０］㊀毕延帅．面向双工件台的ＶｘＷｏｒｋｓ实时嵌入式系统设计与优化［Ｄ］．哈尔滨：哈尔滨工业大学，２０１３．作者简介：龚士彬（１９９４ ），硕士研究生，主要从事光刻技术与电控方面的研究㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｇｏｎｇｓｈｉｂｉｎ＠ｉｍｅ．ａｃ．ｃｎ通讯作者：宗明成（１９６３ ），研究员，博士，主要从事光刻技术㊁精密测控技术㊁精密计量等方面的研究㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｚｏｎｇｍｉｎｇｃｈｅｎｇ＠ｉｍｅ．ａｃ．ｃｎ。