一种螺栓载荷无线监测系统及监测方法技术方案

本发明专利技术涉及一种螺栓载荷无线监测系统及监测方法，该系统包括光纤光栅传感器、解调系统和用户数据处理系统，该系统具备分布式测量、集成化无线传输的特点，可以对部件上多个螺栓的载荷变化情况进行实时测量，并通过无线通信方式进行监测信息上传和控制指令下发，实现远距离智能化监控，解决螺栓载荷实时定量测量问题；本发明专利技术提出的被测螺栓的轴力信息和剪力信息计算方法，结合光纤光栅传感器的设置位置，可以进行地面的实时解算，并可以准确全面获取被测螺栓的轴力和剪力信息；解决了航天测量领域螺栓载荷实时定量测量问题，也可以推广应用于其他国防、工业领域对螺栓载荷进行测量的场合，具有较强的实用性。

A wireless monitoring system and method for bolt load

【技术实现步骤摘要】
一种螺栓载荷无线监测系统及监测方法
本专利技术涉及一种螺栓载荷无线监测系统及监测方法，具体属于航天测量

技术介绍
航天器结构中大量使用螺栓用于固定各部件，这些螺栓对整个航天器的结构起着非常重要的作用，当结构发生形变时，固定各部件的螺栓所承载的载荷将首先发生变化，而且在外界复杂环境力、热因素影响下，螺栓载荷变化规律极为复杂。此外，特殊场合下对螺栓载荷还有特种测量要求，比如测量螺栓在瞬时大载荷工况下的轴力、剪力，或者通过长期监测螺栓预紧力变化情况对大型结构长期运行的健壮性进行分析和预测。在传统工业中，螺栓这类机械零件通常仅作为结构件存在，不具备测量功能，例如火箭上目前使用的大量螺栓仅靠拧紧力矩、防松保险等手段进行安装保证，对螺栓载荷在运行中的发展变化情况缺乏实时监测手段。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种螺栓载荷无线监测系统，采用分布式测量、集成化无线传输的设计思路，实现对一个或多个螺栓的载荷变化情况进行远距离智能化监测；解决了航天测量领域螺栓载荷实时定量测量问题，具有较强的实用性。本专利技术的另外一个目的在于提供一种螺栓载荷无线监测方法。本专利技术的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：一种螺栓载荷无线监测系统，包括光纤光栅传感器、解调系统和用户数据处理系统，其中：光纤光栅传感器：设置在被测螺栓内部，用于敏感螺栓的结构形变，并将表征螺栓结构形变的光纤光栅传感器的波长变化信息发送给解调系统；解调系统：接收光纤光栅传感器输出的光纤光栅传感器的波长变化信息，将所述光纤光栅传感器的波长变化信息由光信号转换为电信号，再将所述电信号解算为光纤光栅传感器的波长变化信息数字信号，并发送给用户数据处理系统；用户数据处理系统：接收解调系统输出的光纤光栅传感器的波长变化信息数字信号，根据所述波长变化信息数字信号解算出被测螺栓的轴力信息和剪力信息，并进行存储和显示。在上述螺栓载荷无线监测系统中，所述光纤光栅传感器分别设置在被测螺栓根部剪切面处和被测螺栓光杆部分，分别用于剪力检测和轴力检测。在上述螺栓载荷无线监测系统中，所述用户数据处理系统根据光纤光栅传感器的波长变化信息数字信号，解算出被测螺栓的轴力信息和剪力信息的具体方法如下：其中：P为被测螺栓的轴力信息，Q为被测螺栓的剪力信息，Δλ1为螺栓根部剪切面处设置的光纤光栅传感器的波长变化信息；Δλ2为螺栓光杆部分设置的光纤光栅传感器的波长变化信息；A1为螺栓根部剪切面处设置的光纤光栅传感器的轴力系数；A2为螺栓光杆部分设置的光纤光栅传感器的轴力系数；S1为螺栓根部剪切面处设置的光纤光栅传感器的剪力系数、S2为螺栓光杆部分设置的光纤光栅传感器的剪力系数。在上述螺栓载荷无线监测系统中，所述光纤光栅传感器设置在被测螺栓内部开设的条形孔内，所述孔的直径小于或等于1.5mm。在上述螺栓载荷无线监测系统中，所述条形孔位于被测螺栓的中心位置，为非贯通孔，条形孔的轴线与被测螺栓的轴线重合。在上述螺栓载荷无线监测系统中，所述光纤光栅传感器放置于被测螺栓内部开设的条形孔内，采用胶粘或者焊接的方式对条形孔进行封堵。在上述螺栓载荷无线监测系统中，所述光纤光栅传感器为1-3个；所述解调系统对一个或多个被测螺栓进行信号处理。在上述螺栓载荷无线监测系统中，还包括所述光纤光栅传感器用于监测被测螺栓的温度。在上述螺栓载荷无线监测系统中，所述解调系统包括解调模块、数据处理模块、无线数传模块A、无线控传模块A和电源模块，其中：解调模块：接收光纤光栅传感器输出的光纤光栅传感器的波长变化信息，将所述光纤光栅传感器的波长变化信息由光信号转换为电信号，并发送给数据处理模块；数据处理模块：接收解调模块输出的电信号形式的光纤光栅传感器的波长变化信息，将所述电信号解算为光纤光栅传感器的波长变化信息数字信号，并发送给无线数传模块A；无线数传模块A：接收数据处理模块输出的光纤光栅传感器的波长变化信息数字信号，当接收到无线控传模块A发送的数据传输指令后，将所述波长变化信息数字信号发送给用户数据处理系统；无线控传模块A：接收用户数据处理系统发送的数据传输指令，控制无线数传模块A进行波长变化信息数字信号的发送；电源模块：用于为解调模块、数据处理模块、无线数传模块A、无线控传模块A进行供电。在上述螺栓载荷无线监测系统中，所述用户数据处理系统包括无线控传模块B、无线数传模块B、数据存储模块、数据解算模块、监控显示模块和电源模块，其中：无线控传模块B：将数据传输指令发送给无线控传模块A；无线数传模块B：接收无线数传模块A输出的光纤光栅传感器的波长变化信息数字信号，并发送给数据解算模块；数据解算模块：接收无线数传模块B输出的光纤光栅传感器的波长变化信息数字信号，根据所述光纤光栅传感器的波长变化信息数字信号解算出被测螺栓的轴力信息和剪力信息，发送给数据存储模块和监控显示模块；数据存储模块：接收数据解算模块输出的被测螺栓的轴力信息和剪力信息，进行存储；监控显示模块：接收数据解算模块输出的被测螺栓的轴力信息和剪力信息，进行显示；电源模块：用于为无线控传模块B、无线数传模块B、数据存储模块、数据解算模块、监控显示模块进行供电。在上述螺栓载荷无线监测系统中，所述数据解算模块接收无线数传模块B输出的光纤光栅传感器的波长变化信息数字信号，根据所述光纤光栅传感器的波长变化信息数字信号解算出被测螺栓的轴力信息和剪力信息的具体方法如下：其中：P为被测螺栓的轴力信息，Q为被测螺栓的剪力信息，Δλ1为螺栓根部剪切面处设置的光纤光栅传感器的波长变化信息；Δλ2为螺栓光杆部分设置的光纤光栅传感器的波长变化信息；A1为螺栓根部剪切面处设置的光纤光栅传感器的轴力系数；A2为螺栓光杆部分设置的光纤光栅传感器的轴力系数；S1为螺栓根部剪切面处设置的光纤光栅传感器的剪力系数、S2为螺栓光杆部分设置的光纤光栅传感器的剪力系数。一种螺栓载荷无线监测方法，包括如下步骤：(1)、将光纤光栅传感器设置在被测螺栓内部，用于敏感螺栓的结构形变，并将表征螺栓结构形变的光纤光栅传感器的波长变化信息发送给解调系统；(2)、解调系统接收光纤光栅传感器输出的光纤光栅传感器的波长变化信息，将所述光纤光栅传感器的波长变化信息由光信号转换为电信号，再将所述电信号解算为光纤光栅传感器的波长变化信息数字信号，并发送给用户数据处理系统；(3)、用户数据处理系统接收解调系统输出的光纤光栅传感器的波长变化信息数字信号，根据所述波长变化信息数字信号解算出被测螺栓的轴力信息和剪力信息，并进行存储和显示。本专利技术与现有技术相比具有如下有益效果：(1)、本专利技术设计了一种新型的螺栓载荷无线监测系统，包括光纤光栅传感器、解调系统和用户数据处理系统，该系统具备分布式测量、集成化无线传输的特点，可以对部件上多个螺栓的载荷变化情况进行实时测量，并通过本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种螺栓载荷无线监测系统，其特征在于：包括光纤光栅传感器、解调系统和用户数据处理系统，其中：/n光纤光栅传感器：设置在被测螺栓内部，用于敏感螺栓的结构形变，并将表征螺栓结构形变的光纤光栅传感器的波长变化信息发送给解调系统；/n解调系统：接收光纤光栅传感器输出的光纤光栅传感器的波长变化信息，将所述光纤光栅传感器的波长变化信息由光信号转换为电信号，再将所述电信号解算为光纤光栅传感器的波长变化信息数字信号，并发送给用户数据处理系统；/n用户数据处理系统：接收解调系统输出的光纤光栅传感器的波长变化信息数字信号，根据所述波长变化信息数字信号解算出被测螺栓的轴力信息和剪力信息，并进行存储和显示。/n

【技术特征摘要】
1.一种螺栓载荷无线监测系统，其特征在于：包括光纤光栅传感器、解调系统和用户数据处理系统，其中：
光纤光栅传感器：设置在被测螺栓内部，用于敏感螺栓的结构形变，并将表征螺栓结构形变的光纤光栅传感器的波长变化信息发送给解调系统；
解调系统：接收光纤光栅传感器输出的光纤光栅传感器的波长变化信息，将所述光纤光栅传感器的波长变化信息由光信号转换为电信号，再将所述电信号解算为光纤光栅传感器的波长变化信息数字信号，并发送给用户数据处理系统；
用户数据处理系统：接收解调系统输出的光纤光栅传感器的波长变化信息数字信号，根据所述波长变化信息数字信号解算出被测螺栓的轴力信息和剪力信息，并进行存储和显示。


2.根据权利要求1所述的螺栓载荷无线监测系统，其特征在于：所述光纤光栅传感器分别设置在被测螺栓根部剪切面处和被测螺栓光杆部分，分别用于剪力检测和轴力检测。


3.根据权利要求1或2所述的螺栓载荷无线监测系统，其特征在于：所述用户数据处理系统根据光纤光栅传感器的波长变化信息数字信号，解算出被测螺栓的轴力信息和剪力信息的具体方法如下：



其中：P为被测螺栓的轴力信息，Q为被测螺栓的剪力信息，Δλ1为螺栓根部剪切面处设置的光纤光栅传感器的波长变化信息；Δλ2为螺栓光杆部分设置的光纤光栅传感器的波长变化信息；A1为螺栓根部剪切面处设置的光纤光栅传感器的轴力系数；A2为螺栓光杆部分设置的光纤光栅传感器的轴力系数；S1为螺栓根部剪切面处设置的光纤光栅传感器的剪力系数、S2为螺栓光杆部分设置的光纤光栅传感器的剪力系数。


4.根据权利要求1所述的螺栓载荷无线监测系统，其特征在于：所述光纤光栅传感器设置在被测螺栓内部开设的条形孔内，所述孔的直径小于或等于1.5mm。


5.根据权利要求1所述的螺栓载荷无线监测系统，其特征在于：所述条形孔位于被测螺栓的中心位置，为非贯通孔，条形孔的轴线与被测螺栓的轴线重合。


6.根据权利要求4或5所述的螺栓载荷无线监测系统，其特征在于：所述光纤光栅传感器放置于被测螺栓内部开设的条形孔内，采用胶粘或者焊接的方式对条形孔进行封堵。


7.根据权利要求1所述的螺栓载荷无线监测系统，其特征在于：所述光纤光栅传感器为1-3个；所述解调系统对一个或多个被测螺栓进行信号处理。


8.根据权利要求1所述的螺栓载荷无线监测系统，其特征在于：还包括所述光纤光栅传感器用于监测被测螺栓的温度。


9.根据权利要求1所述的螺栓载荷无线监测系统，其特征在于：所述解调系统包括解调模块、数据处理模块、无线数传模块A、无线控传模块A和电源模块，其中：
解调模块：接收光纤光栅传感器输出的光纤光栅传感器的波长变化信息，将所述光纤光栅传感器的波长变化信息由光信号转换为电信号，并发送给数据处理模块；
数据处理模块：接收解调模块输出的电信号形式的光纤光栅传感器的波长变化...

【专利技术属性】
技术研发人员：耿胜男，王国辉，周广铭，夏国江，杨华，王锋，张金刚，路娟，张大铭，李亚群，俞达，
申请(专利权)人：北京宇航系统工程研究所，中国运载火箭技术研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11