可同步预拉紧光纤光栅与螺栓的感测螺丝装置及系统

摘要

本发明提出以一种可同步预拉紧光纤光栅与螺栓的感测螺丝及利用其组成感应特性所制成的装置，进行检测大型公共工程结构或精密设备的反馈控制，以达成精密元件的产品制造，能发挥更精确的控制及工艺历程的记录。通过此感应螺丝装置所形成的精密系统结构，将使日益追求产品精良的期望得以更充分详细地记录其完整工艺及制造进行中的重点位置物理特性，其即时现况并行累积数据或参数预作反应，以避免错误的累积，进而提高良率或大型结构安全。

权利要求

1.一种可同步预拉紧光纤光栅与螺栓的感测螺丝装置，为一种紧固装置具有感测受力引起应变特性值显示或输出应变值的结构，该感测螺丝装置包括：一内置光纤光栅的螺栓；

一连接螺栓头部承载螺栓和连接物体施力的垫圈；

一连接螺帽承载连接物体施力的垫圈；

一与螺栓形成螺旋副自锁作用的螺帽；

一螺栓头位置光纤预拉固定点；

一螺栓杆尾位置光纤预拉固定点；及

一内置在螺栓内的光纤光栅及螺栓头位置光纤预拉固定点与螺栓杆尾位置光纤预拉固定点的光纤夹具材料所组成；其特征在于，被紧固物体被螺栓与螺帽旋紧力矩施力作用，其转变成螺栓轴向应变的螺栓伸长量长度感测，是由螺栓轴向轴心内置光纤光栅长度变化，所输出的波长变化量测量出来的一种螺丝感测结构，且其在紧固装置的预紧力预拉量测布拉格波长的预拉量和螺栓内置光纤光栅预拉量测布拉格波长的预拉量，两项预拉量同步或分段达成的紧固感测装置。

2.根据权利要求1所述的可同步预拉紧光纤光栅与螺栓的感测螺丝装置，其特征在于，内置在螺栓内的光纤光栅为布拉格光纤光栅结构。

3.根据权利要求1所述的可同步预拉紧光纤光栅与螺栓的感测螺丝装置，其特征在于，是以两条与螺栓轴心等距离对称，并平行于螺栓轴心的布拉格光纤光栅做感测的结构。

4.根据权利要求1所述的可同步预拉紧光纤光栅与螺栓的感测螺丝装置，其特征在于，是以四条与螺栓轴心等距离对称，并直交平行于螺栓轴心的布拉格光纤光栅做感测的结构。

5.根据权利要求1所述的可同步预拉紧光纤光栅与螺栓的感测螺丝装置，其特征在于，内置在螺栓内的光纤光栅为啁啾布拉格光纤光栅结构。

6.根据权利要求1所述的可同步预拉紧光纤光栅与螺栓的感测螺丝装置，其特征在于，内置在螺栓内的光纤光栅是采用固定式预拉完成于螺栓结构。

7.根据权利要求1所述的可同步预拉紧光纤光栅与螺栓的感测螺丝装置，其特征在于，内置在螺栓内的光纤光栅是采用微调式预拉完成于螺栓结构。

8.根据权利要求1所述的可同步预拉紧光纤光栅与螺栓的感测螺丝装置，其特征在于，内置光纤光栅的螺栓为高张力控制结构的螺栓结构。

9.根据权利要求1所述的可同步预拉紧光纤光栅与螺栓的感测螺丝装置，其特征在于，内置光纤光栅的螺栓为可调张力控制结构的螺栓结构。

说明书

可同步预拉紧光纤光栅与螺栓的感测螺丝装置及系统

技术领域

[0001] 本发明涉及一种螺丝扣件作为物理特性感测点或装置，且更具体而言，是以感测螺丝结构(Sensing Screw Structure)组成物理感测单元或装置的感测技术。

背景技术

[0002] 螺丝利用自身表面增长圆形旋转斜面摩擦力的物理学和数学原理，循螺道轨迹紧固两件或多件物体。自古发展出各种机械、设备、交通设备的车辆及引擎、铁路桥梁、建筑各种主副结构、各种工具仪器及各种生活电子消费产品等内部皆可看到其连接紧固作用的存在。螺丝紧固组合达成高强度连接、抗扭力断裂、抗冲击松脱或断裂、耐锁紧磨损及重复使用功能。

[0003] 现有以螺丝连接二个或二个以上机械结构元件，藉以扩大设备尺寸以制作更大产品或延伸产品连续制造的能力。这些现有连接的螺丝只在发挥固定两机械结构元件密合以避免脱离预定设计的控制空间而己。螺丝现有的扣接两物体，仅只作为两物体物理特性桥接及传导，例如重力连续支撑，作用力和反作用力的接续传导、温度热力传导…等作用；但对于一部昂贵且重要设备中，许多重要或关键接点物理特性传导时，其质与量的变化并无可以产生物理数据检测并输出信号的功能。虽然1959年美国ALI UMIT KUTSAY等以US2,873,341『ELECTRIC STRAIN GAUGE AND RESISTANCE』如图1现有电阻式感测螺栓应变计纵向剖视图所示的内藏于螺丝电阻丝来感测螺丝受压时螺栓长短微变化，造成电阻丝微长度变化所引起电阻值变化的结构至今，其图中，10为螺栓(bolt)，11为中心深洞(central bore)，12为距上缘深1寸处(1inch deep from the upper edge)，13及14为适当与螺栓中心交叉两孔(suitable cross holes)，15为螺栓头(head of the bolt)，16为环氧树脂制成胆心(a core is made of“Epoxy”potting compound)，17为电阻丝线(the resistance wire)，20及21为17电阻丝两端引出接线，22及23为20及21锚接17电阻丝两端点，24为20及
21接线间隙。但由于其以电子电阻元件结构形成的电路，电阻值变化形成电流微变化的信号，常受测试环境发出的电磁波或磁场噪声的影响失真。至今己难以符合数字时代即时信息取得或立即反应的需求。因此，数百年来螺丝位居重要关链位置所能发挥重要功能的进化作用，必须与时俱进并再予重新定义且赋予更新元件功能及任务。身肩全球螺丝业龙头，肩负开创使命领航员，若忽视此毫厘优势所潜藏百年变革良机的掌握，殊为可惜！[0004] 针对现有技术中螺丝既有功能外；本发明即在补足螺丝紧固功能中所应再发挥其内藏物理数值显出并输出及控制特定功能的目的。

发明内容

[0005] 『螺丝』常被社会有贡献人仕谦虚的自称，其贡献值在物理科技上应可以量化其贡献度并以表扬。

[0006] 对于现有现有技术电磁干扰EMI的缺点，本发明是利用两物体物理接合的螺丝，内置一FBG形成光纤感测螺丝，使其具有物理特性变化量顺利以光波变化感应输出的能力。光纤感测螺丝为一代表具有感测物理作用的光纤置入螺丝紧固扣件组的总称，包括在螺栓、螺母、螺钉或本发明再开发的各种紧固fastener上的各种感测或感应螺丝。

[0007] 为使现有螺丝具有感应传导各种物理特性的能力，本发明重新定义新世纪的螺丝功能，并赋予螺丝成为主动元件感测功能，脱离廉价元件或社会微不足道的代名词。

[0008] 螺丝紧固件组，常以螺栓(或螺杆)、螺帽(或称螺母)及垫圈(或称垫片)组成。螺丝紧固件组剖视图如图2所示，201为螺栓，202为螺帽，203为螺栓垫圈，204为螺帽垫圈，205为被连接物体A，206为被连接物体B。此螺丝紧固件组，维持A与B两物体连接紧固不离不断的功能，当此螺丝紧固件组的螺旋副自锁至预紧力值时，A及B物体主要靠201螺栓头组配203螺栓垫圈，与202螺帽组配204螺帽垫圈的紧旋施力压缩AB接合，而螺栓外螺纹与螺帽内螺纹形成螺旋副自锁功能，以安全预紧力的作用紧固住物体AB。此螺栓安全预紧力在AB两物体承受伸张拉力与压缩力值容许的安全预紧范围，可以保证螺栓不变形或断离、螺帽不受振动或负荷松脱。现有螺栓的预紧力是螺栓旋紧过程中，旋紧力矩作用下的螺栓与被紧固件间产生沿螺栓轴心线方向的预紧力；相反地，此螺栓轴心线方向的预紧力也相对使此螺栓延轴心方向产生增长的应变力，应变计内置此处可以量测出应变值变化。评量一特定螺栓，其紧固力的大小，与螺栓的旋紧力矩、螺栓与螺帽间的摩擦力、螺帽与被连接物之间的摩擦力、螺帽与被连接物内容是否具有动能传导(例如被紧固件为引擎盖)有关。现有测量此一螺栓的预紧力大小的工具，是以电阻应变计(Strain gauge)做精确量测的。例如此一电阻式应变计可精确量到公斤施力变化量，常应用做大型蒸汽锅炉如核子反应锅炉或各种引擎容器，其最大气密压力试验前的螺栓预紧力的量测，甚至全天候持续不断的即时控制量测。可惜的是如上述现有技术中所引述的电子电阻元件结构形成的电路，电阻值变化形成电流微变化的信号，常受测试环境发出的电磁波或磁场噪声的影响失真。电阻式应变计抗电磁干扰能力缺陷，必须以本发明的光纤感测螺丝技术来解决。

[0009] 上述201螺栓头与202螺帽组配204螺帽垫圈的紧旋施力压缩AB连接达到紧固目的，螺栓的预紧力是防止螺栓旋紧过程中，旋紧力矩作用下的螺栓与被紧固件间产生沿螺栓轴心线方向的安全预伸长度过度。因此，螺栓轴心线方向的预紧力的安全容许延伸长度，也可以此螺栓沿轴心方向产生增长的应变求得，应变计内置此处可以量测出应变值变化。图2螺栓安全伸长量的计算时，n个螺栓刚性抵抗联接物A及B的分离总拉力n个f时，每一螺栓承受拉力f为

[0010] f=(Δl/l)(Al/Ah)E=εkE  (1)

[0011] l为螺栓有效工作长度

[0012] Δl为螺栓拉伸后长度

[0013] E为螺栓材料的弹性模量

[0014] Al为螺栓截面积

[0015] Ah为对每一螺栓施力面积

[0016] k=Al/Ah为螺栓截面积与受力面积比，ε=Δl/l为螺栓相对伸长量为应变值，上式每一螺栓拖力f，仅与螺栓相对伸长量ε、螺栓截面积与受力面积比k及材料的弹性模量E有关。依应变定义，应变(Strain)为作用力所造成的主体变形总称。应变ε可定义为螺栓长度的局部变化，其应变受力方向和此螺栓杆轴方向一致。对给定的一螺栓，对螺栓施一分离拉力大小f值与相对伸长量ε成正比。而螺栓相对伸长量，即ε=Δl/l，与预紧力Q0的关系式：

[0017] Q0=(Δl/l)EAs  (2)

[0018] l为螺栓受力段长度(mm)，Δl为螺栓变形延伸长度(mm)，E为弹性模数(MPa)，As为螺栓平的截面积(mm2)，可知螺栓预紧力Q0可以由施拉联接物A及B所产生相对伸长量ε求得。

[0019] 电阻式感测螺丝应变计主要利用螺栓(的螺杆)在其弹性极限内受螺帽连接紧固物体拉伸时，其连接杆不会被拉断或产生永久变形下，将变长或变短的形变回复动作中，记录电阻变大或变小的原理。本发明和现有量测技术主要不同为：(1)以FBG取代电阻，并以光纤取代铜导线；(2)以光波变化量,取代电阻大小引起电流变化量；(3)以FBG光纤受螺栓受力形变伸缩量引起反射波长变化,取代以电阻受螺栓受力形变伸缩的线径粗细引起电流大小变化。本发明是在螺栓内置一FBG形成光纤感测螺丝的结构，图3为其剖视图。301为FBG光纤光栅，302为轴心穿孔螺栓，303为螺栓头位置光纤预拉固定点，304为螺栓杆尾位置光纤预拉固定点，305为光纤光栅周期长Λ，306为光纤光栅核心core，307为光纤光栅纤壳cladding，308为光纤光栅外被覆，309为光纤夹具。本光纤感测螺丝利用FBG感测螺栓增长或变短相对应变量的工作原理如下：

[0020] FBG为光纤光栅感测器，它是利用同调激光在光纤上曝光，以造成被照射段折射率永久改变，并成为该段折射率具有明暗周期性条纹间距Λ的光纤，称为光纤光栅(Fiber Grating)。又称为光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating)，它是利用布拉格绕射(Bragg Diffraction)所产生的反馈作用，将满足布拉格条件(Bragg condition)特定波长，与射入方向相反方向地反馈波长λB回来。此λB波长称回布拉格波长，以下式表示：

[0021] λB=2nΛ  (3)

[0022] Λ为布拉格光栅周期长，n为光纤有效折射率，当光纤光栅受到外力产生应变时，造成原本Λ间距的改变量为ΔΛ，代入式(3)可得

[0023] ΔλB=2nΔΛ   (4)

[0024] 依应变定义，且设l为受力体长度,Δl为受力变化长度

[0025] ε=Δl/l=ΔΛ/Λ  (5)

[0026] 可得

[0027] Δl=(ΔΛ/Λ)l=(ΔλB/2n)/(λB/2n)l

[0028] 因此

[0029] ε=Δl/l=ΔλB/λB  (6)

[0030] 故应力施加于l长光纤段长所产生Δl应变长的微变长度，其反射回来的布拉格波长λB变化量为ΔλB。在光发射即反馈反射端可接收到λB有ΔλB的波长飘移量。反过来说，若对光纤感测螺丝组施力而收到ΔλB波长飘移，表示螺栓拉长变化量为Δl长。也可衡量ε是否超限而发出断裂预警信号。但因布拉格光纤光栅物理特性会受温度变化影响而ΔλB的波长飘移量也会受到影响，因此利用FBG做感测装置时，常会以多感测装置取得温度变化参考值，并做温度补偿修正精确度。或在内置在螺栓内的光纤光栅，使用啁啾布拉格光纤光栅(Chirped Fiber Grating CFG)结构，以长短两波长的消除色散效应方法克服单一感测元件正确度，而不受温度影响。图3的301可改为CFG啁啾布拉格光纤光栅，做成以CFG啁啾布拉格光纤光栅的螺栓感测头。

[0031] 若在螺栓内置一FBG形成光纤感测螺丝，因内建FBG布拉格光栅的本感测螺丝装置，本身为波导光学中一项重要的光电元件外；并可广泛组合应用光纤通信、量测仪器控制及量测连接应变和温度等物理数据。此一感测元件又立即可做为智能结构研发制造及应用的最基础智能细胞元件。其优势来自其体积小重量轻、材料强度高、几何韧性强、光机能损失小、高速传输而有高频宽、抗高温与电磁干扰、在高辐射工作环境持续使用等恶劣环境时的稳定特性和耐用外，又符合单一光纤可同时串接同时多点量测应变物理量的精确分辨又简单化的极大优点。相对于传统现有电阻应变计电线成束去做多点量测的复杂性，在本发明己是大大进化的一项科学创举了。

[0032] 以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

[0033] 图1美国US2,873,341图1现有电阻式感测螺栓；

[0034] 图2螺丝紧固件组剖视图；

[0035] 图3 FBG内置光纤光栅感测螺栓剖视图；

[0036] 图4内置光纤光栅应变计的螺丝感测头剖视图；

[0037] 图5-1双光纤光栅螺丝感测头俯视图；

[0038] 图5-2双光纤光栅螺丝感测头剖视图；

[0039] 图6直交四光纤光栅螺丝感测头俯视图。

[0040] 其中，附图标记

[0041] 10   螺栓

[0042] 11   中心深洞

[0043] 12   距上缘深1寸处

[0044] 13及14  适当与螺栓中心交叉两孔

[0045] 15   螺栓头

[0046] 16   环氧树脂制成胆心

[0047] 17   电阻丝线

[0048] 20及21  电阻丝17两端引出接线

[0049] 22及23  20及21锚接17电阻丝两端点

[0050] 24   20及21接线间隙

[0051] 201   螺栓

[0052] 202   螺帽

[0053] 203   螺栓垫圈

[0054] 204   螺帽垫圈

[0055] 205    被连接物体A

[0056] 206    被连接物体B

[0057] 301    FBG光纤光栅

[0058] 302    轴心穿孔的螺栓

[0059] 303    螺栓头位置光纤预拉固定点

[0060] 304    螺栓杆尾位置光纤预拉固定点

[0061] 305    光纤光栅周期长Λ

[0062] 306    光纤光栅核心core

[0063] 307    光纤光栅纤壳cladding

[0064] 308    光纤光栅外被覆

[0065] 309    光纤夹具

具体实施方式

[0066] 下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作具体的描述：

[0067] 实施例：可同步预拉紧光纤光栅与螺栓的感测螺丝应变计感测头

[0068] 在桥梁、摩天楼、摩天轮、高速铁路、大型土木公共工程设备、船舰与飞行器等主体物件延长或分接结构间的物件连接，除了必须焊接连结外，必须使用螺丝组连接固定。图3的光纤光栅感测螺栓取代如图2所示螺丝紧固件组中的201螺栓即成一个光纤光栅应变计的感测头，如图4所示，可专门做各种规格及功能形状螺丝紧固件的应变值精确量测。图4中，201为螺栓，202为螺帽，203为螺栓垫圈，204为螺帽垫圈，205为被连接物体A，206为被连接物体B。301为FBG光纤光栅，302为轴心穿孔的螺栓，303螺栓头位置光纤预拉固定点，304为螺栓杆尾位置光纤预拉固定点，305为光纤光栅周期长Λ，306为光纤光栅核心core，307为光纤光栅纤壳cladding，308为光纤光栅外被覆，309为光纤夹具。此光纤光栅应变计的感测头，以紧固完整组合紧固在各种需要使用螺栓结合螺帽做组合联结的工程和设备中，都可以预先模拟测试或现场量测，以求得标准施工数据或现况分析。

[0069] 因为以螺丝元件做感测头，是一项可以到处锁住任何有螺丝联接位置去取样的最隹方法，只要需要拾取的感测点或物理检测特性，都可集中式、分散多点串联式或单点感测。但因现有以FBG光纤光栅作为物体物理特性在某一位置物理特性变化取样检测时，FBG光纤光栅为取得线性量测中心波长作上下限最佳应变反应，必先预拉后再以胶合方式贴在被测体表面进行测量。因怕穿过被测体破坏表面结构而影响量测点真正应变值，常因胶合表面不易密合难以取得正确数据。因此将FBG光纤置入螺丝并作成光纤感测螺丝，不但可不必再破坏被测物体，并且又可以选择进入或连接被测物体物理特性最隹取样位置而得最正确数据。更重要的是：FBG光纤光栅现有必需的预拉至量测最佳布拉格光栅中心波长λB作业，可和本感测螺丝感测头必须达到的预紧力的旋紧施力过程，同步密切配合观察控制且同时达成，并成为一项可同步预拉紧光纤光栅与螺栓的感测螺丝应变计或一感测头应变计。

[0070] 在上述大型工程钢构许多紧固螺栓施工，每一点安全联接的快速锁定作业，可利用可同步预拉紧光纤光栅与螺栓的感测螺丝，施工前、施工中或完工后做应变计感测头，甚或预留做永久的监控感测点。

[0071] 在同步预拉紧光纤光栅与螺栓螺帽间所同步产生的螺栓伸长量与预紧力的关系式，即式(2)：

[0072] Q0=(Δl/l)EAs  (2)

[0073] l为螺栓受力段长度(mm)，Δl为螺栓变形延伸长度(mm)，E为弹性模数(MPa)，As为螺栓平的截面积(mm2)。在弹性区域内，Δl正比于转动旋紧螺栓和螺帽相对角度θ，所以Q0为θ的函数，只要准确控制螺帽旋紧回转角度，便可准确控制预紧力。在加装本感测螺丝装置元件后，旋紧同时可由螺栓长度伸长量所产生光纤光栅受力引起应变，造成原本Λ间距的改变量为ΔΛ的微变长度，其反射回来的布拉格波长λB变化量为ΔλB。在检测控制端可接收到λB有ΔλB的波长飘移量信号而立判预紧力是否满足系统预定值。若预紧力己达到，而FBG预拉力未达到或超过布拉格光栅最隹操作中心波长，即λB；则由上式呈现AS的螺栓平均截面积去改选更适当螺栓杆直径或螺栓刚度，使预紧力与光纤预拉力同时达成。内置光纤光栅的螺栓可采用是高张力控制结构T.C(Torque Control)螺栓结构或低张力螺栓结构的调整做适当选择。当然此紧固组件施工的预紧力与光纤预拉力同时达成是最隹理想；但分阶段达成或在螺栓头位置光纤预拉固定点如图3的303或304的螺栓杆尾位置光纤预拉固定点间各设定一微调装置；或在螺栓头位置光纤预拉固定点及螺栓杆尾位置光纤预拉固定点间的螺栓内，沿轴心圆柱内腔中空供FBG光纤光栅通过的长孔内，制造各种形状的微调装置也可实现。本实施例虽仅举单一螺栓轴心内置一条光纤光栅感测而量出轴向应变而己；但同一螺栓内可以两条与螺栓轴心等距离对称，并平行于螺栓轴心的布拉格光纤光栅做对称方向感测的结构，来测出直线摆动在感测螺丝相对方向的应变而求出振幅大小或摆设方向的物理数值，如图5-1、图5-2上双光纤光栅螺丝感测头俯视、剖视图所示相对位置。同样可如图6直交四光纤光栅螺丝感测头俯视图所示相对位置，在同一螺丝感测头以4条与螺栓轴心等距离对称，并直交平行于螺栓轴心的布拉格光纤光栅做感测的结构，来测出任何摆动在感测螺丝所设矩阵向量分析各方向的应变而求出振幅大小或摆设方向的物理数值。

[0074] 以上本发明实施例阐述各种细节所引用各参考编号的元件，皆可视为相同或功能上类似的元件，且意欲以极简化的图解方式来图说实例所表示的主要实施特点；因此，此图示并非意欲描绘出实际实施例的所有特点，亦并非意欲描绘所绘元件的相对尺寸及数量，故所示的图并非按比例绘成，其是按本发明的结构制成光纤感测螺丝及其组成光纤感测螺丝紧固件中螺栓结构及其能完整实现感测结构组件的基本精神所绘成，且仅作为代表光纤感测螺丝可据以等效发挥功能及据以应用的各种样态，一如实施例所举如『当然此紧固组件施工的预紧力与光纤预拉力同时达成是最隹理想；但分阶段达成或在螺栓头位置光纤预拉固定点如图3的303或304的螺栓杆尾位置光纤预拉固定点间各设定一微调装置；或在螺栓头位置光纤预拉固定点及螺栓杆尾位置光纤预拉固定点间的螺栓内，沿轴心圆柱内腔中空供FBG光纤光栅通过的长孔内，制造各种形状的微调装置也可实现。』等各种紧固元件，可据以应用的一种补述，使光纤感测螺丝结构应用更为精彩及多元广阔。

[0075] 实例上所谈，本同步预拉紧光纤光栅与螺栓的感测螺丝应变计感测头，可用来表现在各种紧固组件作联接应用场合及各种高速施工且施工建设后必须大量安全监控使用历史信息累积的公共工程结构中，可以较低成本量产，且可以达到更安全持久且抗电磁干扰的省电结构达到节省能源的目的，而达到有益人类的综效价值。

[0076] 尽管本文是以同步预拉紧光纤光栅与螺栓的感测螺丝感测装置及其组成紧固组件的结构图解说明并阐述本发明的感测螺丝应变计感测头结构；但此并非意欲仅将本发明局限于此等图示细节，因为在以不脱离本发明精神的任何方式的前提下，可对本发明实施各种修改及结构的改变。

[0077] 无需再分析以上说明所全面披露本发明的要旨，其己可以一定数量的同步预拉紧光纤光栅与螺栓的感测螺丝应变计感测头单元组成阵列下，各输出并存取组成系统安全阵列连线，分别形成使人们能够应用现有知识在合并根据现有技术观点，以合理构成本发明的一般或具体样态的基本特征之前提下，可轻易地将本发明修改用于各种应用或改用其他材料应用于本发明，且因此，此等修改应该且己意欲包含在随附权利要求范围的等效意义及范围内。

[0078] 当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。