基于内置钢弦式传感器的测力螺栓、螺栓应力测量系统及方法与流程

本发明涉及工程结构安全监测技术领域，尤其涉及一种基于内置钢弦式传感器的测力螺栓、螺栓应力测量系统及方法。

背景技术：

随着我国社会发展，工程建设量逐年增大，相应的工程建设安全监测保障需求也日益增加。现代工程建筑中大量使用钢结构件、混凝土构件等各类建筑物构件，通常使用紧固螺栓确保各构件之间连接牢固，因此对于紧固螺栓的应力测量是保障工程安全的一项重要监测内容。

目前螺栓的应力测量有多种方式，常见的有在螺柱表面安装光纤光栅传感器、电阻应变片式传感器和表面安装钢弦式传感器来测量螺栓，但这些方法均只能测得螺柱表面的应变，无法消除偏心误差的影响，会带来较大的测量误差，有的甚至不能测量直径较小的螺栓。

常规测力螺栓受工作原理的限制，存在如下缺点：1)通过测量螺栓表面应变转换为螺栓应力的方式，会带来更大的测量误差；2)为抵消偏心影响，需要多个传感器，可靠性差。3)传感器布置在表面，安装中容易受到外部磕碰的影响，难以保护，易于损坏，同时表面安装的传感器会增加螺栓的外形尺寸，且大多不适合小直径的螺栓，通用性差。

技术实现要素：

为解决现有技术的不足，本发明提出一种基于内置钢弦式传感器的测力螺栓、螺栓应力测量系统及方法，使用内置的钢弦式传感器在不改变螺栓外形的前提下实现螺栓应力精准测量，具有结构简单、相对精度更高、安装方便实用的优点。

为实现以上目的，本发明所采用的技术方案包括：

一种基于内置钢弦式传感器的测力螺栓，包括螺栓本体、钢弦式传感器和信号传输电缆；

所述螺栓本体包括一体成型的螺栓螺帽与螺栓柱体以及沿螺栓本体纵向轴线设置的传感器安装孔和沿与螺栓本体纵向轴线垂直方向设置于螺栓柱体上并穿至传感器安装孔的两个顶丝；所述传感器安装孔从螺栓螺帽一端延伸入螺栓柱体一定深度以便将钢弦式传感器沿传感器安装孔置入螺栓柱体内；

所述钢弦式传感器包括钢弦、电感线圈、设置于电感线圈内部的磁铁、两个钢弦固定端块以及信号导线；所述钢弦两端分别各固定设置有一个钢弦固定端块，且钢弦在被钢弦固定端块固定的同时带有预应力使钢弦处于张紧状态；所述钢弦长度以及两钢弦固定端块之间距离匹配螺栓柱体上的两个顶丝位置，使两个顶丝能够分别对应一个钢弦固定端块旋进固定从而螺栓本体与钢弦式传感器之间相对固定；所述内部设置有磁铁的电感线圈设置于两钢弦固定端块之间并环绕钢弦；所述信号导线一端连接电感线圈，另一端连接信号传输电缆；

所述信号传输电缆连接钢弦式传感器的信号导线并向钢弦式传感器传输变频交流信号同时将钢弦式传感器产生的振动频率信号输出。

进一步地，钢弦式传感器内置于螺栓本体内部并与螺栓本体保持同轴。

进一步地，所述螺栓本体与钢弦之间相对固定指当螺栓本体受到应力发生拉伸或压缩形变时，与之相对固定的钢弦式传感器中的钢弦同样发生拉伸或压缩。

一种基于内置钢弦式传感器的螺栓应力测量系统，其特征在于，包括如上所述的测力螺栓，还包括远程设置的测量仪表，所述测力螺栓的信号传输电缆远程连接测量仪表从而将钢弦式传感器产生的振动频率信号输出至测量仪表；所述测量仪表向钢弦式传感器发出变频交流信号同时根据振动频率信号计算并显示螺栓本体的荷载变化。

一种采用如上所述的基于内置钢弦式传感器的测力螺栓的螺栓应力测量方法，包括以下步骤：

a、设置安装内置钢弦式传感器的测力螺栓；

b、设定测力螺栓正常应力形变状态下的基准振动频率信号；

c、校准测力螺栓由于受力变化所造成应力形变幅度与振动频率信号变化量关系；

d、测量仪表持续向钢弦式传感器发送变频交流信号并接收返回的实时振动频率信号，通过将返回的实时振动频率信号与基准振动频率信号相对比得到振动频率信号变化量并据此计算得到螺栓本体的实时受力情况。

进一步地，所述步骤a包括以下分步骤：

a1、根据预定的螺栓安装位置规格选择合适尺寸的螺栓本体以及钢弦式传感器；

a2、将钢弦式传感器插入螺栓本体的传感器安装孔中，使用顶丝旋进固定钢弦式传感器的两钢弦固定端块，使螺栓本体与钢弦式传感器之间相对固定；

a3、将钢弦式传感器的信号导线与信号传输电缆一端相连接，同时将信号传输电缆另一端与测量仪表相连接；

a4、将内置有钢弦式传感器的螺栓本体安装在预定的螺栓安装位置。

进一步地，所述步骤b包括以下分步骤：

b1、螺栓本体安装到位后，测量仪表向钢弦式传感器发送变频交流信号并在特定时间内保持发送状态；

b2、钢弦式传感器的电感线圈接收到变频交流信号产生磁场，所述磁场使钢弦产生机械谐振并切割磁场磁力线产生对应的振动频率信号；

b3、电感线圈拾取由钢弦机械谐振产生的振动频率信号并通过信号导线和信号传输电缆输出至测量仪表；

b4、测量仪表接收并记录所述特定时间内产生的振动频率信号，通过算数平均值计算或统计平均值计算或正态分布均值计算得到对应该螺栓本体的基准振动频率信号。

进一步地，所述步骤c包括以下分步骤：

c1、对处于正常应力形变状态下的螺栓本体施加一额外应力并在特定时间内保持额外应力施加状态，同时测量仪表向钢弦式传感器发送变频交流信号并在所述特定时间内保持发送状态；

c2、钢弦式传感器的电感线圈接收到变频交流信号产生磁场，所述磁场使钢弦产生机械谐振并切割磁场磁力线产生对应的振动频率信号；

c3、额外应力导致螺栓本体产生形变，同时与螺栓本体相对固定的钢弦式传感器中钢弦长度发生相对应变化；

c4、磁场内钢弦长度变化使钢弦产生的机械谐振频率发生改变，电感线圈拾取由频率改变后的机械谐振产生的振动频率信号并通过信号导线和信号传输电缆输出至测量仪表；

c5、测量仪表接收并记录所述特定时间内产生的振动频率信号，通过算数平均值计算或统计平均值计算或正态分布均值计算得到对应该螺栓在额外应力作用下的振动频率信号；

c6、更改作用在螺栓上的额外应力，针对每个不同的额外应力重复步骤c1至c5，测量仪表得到振动频率信号；

c7、通过额外应力与振动频率信号之间的对应关系得到螺栓由于受力变化所造成应力形变幅度与振动频率信号变化量关系。

本发明的有益效果为：

采用本发明所述基于内置钢弦式传感器的测力螺栓、螺栓应力测量系统及方法，测力螺栓的螺栓本体包括一体成型的螺栓螺帽与螺栓柱体，并设置从螺栓螺帽一端延伸入螺栓柱体一定深度的传感器安装孔，以将钢弦式传感器沿传感器安装孔置入螺栓柱体内，形成内置式钢弦式传感器且同时也是一种微型钢弦式应变传感器。使用时，因为测力螺栓与普通螺栓外形完全相同，只需根据所需测力螺栓直径、长度及螺纹规格等外形尺寸订制等同规格的测力螺栓，与普通的螺栓相比，除测力螺栓的螺栓螺帽端多一根信号传输电缆外，在使用上则完全相同，故能够在不改变螺栓外形的前提下实现螺栓应力的精准测量；利用钢弦式传感器内置的方法，不需要改变螺栓外形，同时不需要占用螺栓外部空间布置钢弦式传感器，适合各种直径尺寸的螺栓使用，且不会受到外部碰撞影响，不易损坏；钢弦式传感器技术成熟，特定结构的螺栓本体与钢弦式传感器相结合，钢弦式传感器沿传感器安装孔置入螺栓柱体内，钢弦长度以及两钢弦固定端块之间距离匹配螺栓柱体上的两个顶丝位置，也就是说，固定钢弦式传感器的钢弦两端的钢弦固定端块使用顶丝固定在螺栓本体的传感器安装孔，防止其松弛，长期稳定性好，能够适应工程结构的永久监测使用；钢弦式传感器同轴内置于螺栓中心，用以同步测量螺栓在轴向产生的拉/压形变，有效减少偏心荷载的影响，避免了使用多个传感器抵消偏心影响带来的可靠性降低、稳定性差的问题，同时当螺栓柱体受力被拉伸或压缩时，钢弦的张力随螺栓柱体变形同步变形，从而导致钢弦的张力改变即频率的变化，通过测量钢弦的谐振频率的变化量并进行校准，即可得到螺栓柱体的变形即荷载变化，最终实现螺栓应力的远程在线测量，相较现有技术先测量螺栓外部表面应变再转换为螺栓应力的方法能够实现更小的测量误差；本发明的测力螺栓乃至整个螺栓应力测量系统整体结构简单可靠，抗振、抗摔、防水，可在各种特殊环境下使用，特别涉及个钢结构、混凝土构件的紧固螺栓的应力测量，如用于桥梁、各类建筑物钢结构件、混凝土构件等各类建筑物构件。

附图说明

图1为本发明基于内置钢弦式传感器的测力螺栓以及采用该测力螺栓的螺栓应力测量系统外观示意图。

图2为本发明基于内置钢弦式传感器的测力螺栓以及采用该测力螺栓的螺栓应力测量系统结构示意图。

附图编号说明：1-螺栓本体、101-顶丝、102-传感器安装孔、2-钢弦式传感器、201-钢弦、202-电感线圈、203-磁铁、204-钢弦固定端块、205-信号导线、3-信号传输电缆、4-测量仪表。

具体实施方式

为了更清楚的理解本发明的内容，将结合附图和实施例详细说明。

本发明涉及了基于内置钢弦式传感器的测力螺栓、采用该测力螺栓的螺栓应力测量系统及方法，利用钢弦所受张力与钢弦在磁场内谐振频率成比例关系的特点，当螺栓柱体受力被拉伸或压缩时，钢弦的张力随螺栓柱体变形同步变形，从而导致钢弦的张力改变即频率的变化，通过测量钢弦的谐振频率的变化量并进行校准，即可得到螺栓柱体的变形即荷载变化，最终实现螺栓应力的远程在线测量。

使用本发明所述内置钢弦式传感器的测力螺栓以及采用该测力螺栓的螺栓应力测量系统，无需对螺栓外形及外部结构做出更改，如图1所示为本发明基于内置钢弦式传感器的测力螺栓以及采用该测力螺栓的螺栓应力测量系统外观示意图，从图上可见内置钢弦式传感器的测力螺栓包括螺栓本体1(内置钢弦式传感器)和信号传输电缆3，基于内置钢弦式传感器的螺栓应力测量系统包括该测力螺栓，还包括远程设置的测量仪表4，其测力螺栓部分外形与普通螺栓完全相同，只需根据所需螺栓直径、长度及螺纹规格等外形尺寸订制等同规格的内置钢弦式传感器的测力螺栓。与普通的螺栓相比，除螺栓的螺帽端多一根信号传输电缆外，在使用上完全相同。

如图2所示为本发明基于内置钢弦式传感器的测力螺栓以及采用该测力螺栓的螺栓应力测量系统结构示意图，测力螺栓包括螺栓本体1、钢弦式传感器2和信号传输电缆3，也就是说，测力螺栓包括图2中除测量仪表4以外的左边部分，螺栓应力测量系统包括高强度的螺栓本体1、微型的钢弦式传感器2、信号传输电缆3、测量仪表4；其中所述螺栓本体1包括一体成型的螺栓螺帽与螺栓柱体以及沿螺栓本体1纵向轴线设置的传感器安装孔102和沿与螺栓本体1纵向轴线垂直方向设置于螺栓柱体1上并穿至传感器安装孔102的两个顶丝101，所述传感器安装孔102从螺栓螺帽一端延伸入螺栓柱体但不穿透，也就是延伸入一定深度，以便将钢弦式传感器2沿传感器安装孔102置入螺栓柱体内；钢弦式传感器2内置于螺栓本体1内部并与螺栓本体1保持同轴；钢弦式传感器2作为测力敏感元件，安装在螺栓本体1内部的传感器安装孔102内，所述钢弦式传感器2(也可称为是钢弦式应变传感器)包括钢弦201、微型的电感线圈202、设置于电感线圈202内部的磁铁203、两个钢弦固定端块204以及信号导线205；所述钢弦201两端分别各固定设置有一个钢弦固定端块204，两钢弦固定端204块可以采用焊接工艺分别固定于钢弦201两端，且钢弦201在被钢弦固定端块204固定的同时带有预应力使钢弦201处于张紧状态，也就是说，在被固定前钢弦201使用一定的预应力被张紧，钢弦201受到的张力与钢弦201的谐振频率成比例关系；所述钢弦201长度以及两钢弦固定端块204之间距离匹配螺栓柱体上的两个顶丝101位置，使两个顶丝101能够分别对应一个钢弦固定端块204旋进固定，固定钢弦式传感器2的钢弦201两端的钢弦固定端块204使用顶丝101固定在螺栓本体1的传感器安装孔102，防止其松弛，将螺栓本体1与钢弦式传感器2之间相对固定，钢弦式传感器2工作原理为：通过在电感线圈202两端施加变频交流信号，即会在电感线圈202内产生交变磁场，从而导致钢弦201产生机械谐振并切割磁力线，其振动频率信号被电感线圈202所感应并通过信号导线205及信号传输电缆3远程输出到测量仪表4。当螺栓本体1受到应力发生拉伸或压缩形变时，与之相对固定的钢弦式传感器2中的钢弦201同样发生拉伸或压缩，即钢弦201的张力随螺栓本体1变形同步变形，从而导致钢弦201的张力改变即频率的变化，通过测量钢弦201的谐振频率的变化量并进行校准，即可得到螺栓本体1的变形即荷载变化，最终实现螺栓应力的远程在线测量；所述内部设置有磁铁203的电感线圈202设置于两钢弦固定端块204之间并环绕钢弦201；所述信号导线205一端连接电感线圈202，另一端连接信号传输电缆3；所述信号传输电缆3连接钢弦式传感器2的信号导线205并向钢弦式传感器2传输变频交流信号同时将钢弦式传感器2产生的振动频率信号输出至测量仪表4，所述测量仪表4向钢弦式传感器2发出变频交流信号同时根据振动频率信号计算并显示螺栓本体1的荷载变化。

使用过程中，测量仪表4向钢弦式传感器2发出变频交流信号，电感线圈202接收到变频交流信号产生磁场使钢弦201产生机械谐振，通过机械谐振使钢弦201有规律的切割磁场磁力线产生振动频率信号并回传至测量仪表4，测量仪表4根据该振动频率信号计算并显示螺栓本体1的荷载变化。

本发明还涉及一种基于内置钢弦式传感器的螺栓应力测量方法，是采用上述的内置钢弦式传感器的测力螺栓的螺栓应力测量方法，包括以下步骤：

a、设置安装内置钢弦式传感器的测力螺栓；该步骤具体可优选为下述步骤a1-a4：

a1、根据预定的螺栓安装位置规格选择合适尺寸的螺栓本体以及钢弦式传感器；

a2、将钢弦式传感器插入螺栓本体的传感器安装孔中，使用顶丝旋进固定钢弦式传感器的两钢弦固定端块，使螺栓本体与钢弦式传感器之间相对固定；

a3、将钢弦式传感器的信号导线与信号传输电缆一端相连接，同时将信号传输电缆另一端与测量仪表相连接；

a4、将内置有钢弦式传感器的螺栓本体安装在预定的螺栓安装位置。

b、设定测力螺栓正常应力形变状态下的基准振动频率信号；该步骤具体可优选为下述步骤b1-b4：

b1、螺栓本体安装到位后，测量仪表向钢弦式传感器发送变频交流信号并在特定时间t内保持发送状态；

b2、钢弦式传感器的电感线圈接收到变频交流信号产生磁场，所述磁场使钢弦产生机械谐振并切割磁场磁力线产生对应的振动频率信号；

b3、电感线圈拾取由钢弦机械谐振产生的振动频率信号并通过信号导线和信号传输电缆输出至测量仪表；

b4、测量仪表接收并记录该特定时间t内产生的振动频率信号，通过算数平均值计算或统计平均值计算或正态分布均值计算得到对应该螺栓本体的基准振动频率信号。

c、校准测力螺栓由于受力变化所造成应力形变幅度与振动频率信号变化量关系；该步骤具体可优选为下述步骤c1-c7：

c1、对处于正常应力形变状态下的螺栓本体施加一额外应力f1并在特定时间t内保持额外应力施加状态，同时测量仪表向钢弦式传感器发送变频交流信号并在该特定时间t内保持发送状态；

c2、钢弦式传感器的电感线圈接收到变频交流信号产生磁场，所述磁场使钢弦产生机械谐振并切割磁场磁力线产生对应的振动频率信号；

c3、额外应力f1导致螺栓本体产生形变，同时与螺栓本体相对固定的钢弦式传感器中钢弦长度发生相对应变化；

c4、磁场内钢弦长度变化使钢弦产生的机械谐振频率发生改变，电感线圈拾取由频率改变后的机械谐振产生的振动频率信号并通过信号导线和信号传输电缆输出至测量仪表；

c5、测量仪表接收并记录该特定时间t内产生的振动频率信号，通过算数平均值计算或统计平均值计算或正态分布均值计算得到对应该螺栓在额外应力f1作用下的振动频率信号f1；

c6、更改作用在螺栓上的额外应力为f2至fn，针对每个不同的额外应力重复步骤c1至

c5，测量仪表得到振动频率信号f2至fn，其中n为根据测量需要确定的任意大于2的正整数；

c7、通过额外应力f1至fn与振动频率信号f1至fn之间的对应关系得到螺栓由于受力变化所造成应力形变幅度与振动频率信号变化量关系。

d、测量仪表持续向钢弦式传感器发送变频交流信号并接收返回的实时振动频率信号，通过将返回的实时振动频率信号与基准振动频率信号相对比得到振动频率信号变化量并据此计算得到螺栓本体的实时受力情况。

以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换等都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。