螺栓是一种应用广泛且重要的紧固件,凭借其优秀的结构连接性能在工业应用领域发挥着举足轻重的作用。为了保证被连接件之间安全可靠的连接,需要对螺栓预紧及服役过程中的受力状态进行实时在线监测,尤其是在一些大型设备及设施上所用螺栓。为此,基于螺栓结构和工作原理开发出各种传感器对螺栓受力状态进行精确的测量与监测具有重要的意义。目前,电磁类传感器在螺栓受力状态的实时在线测量与监测上存在一些问题,如易受电磁干扰、线路繁杂和无法长距离信号传输等,而基于光纤光栅传感技术的光学传感器由于其采用光作为信息传递的媒介,具有抗电磁干扰、耐腐蚀,以及基于波分复用技术可实现准分布式或分布式测量等优势,可满足螺栓受力状态的长期实时监测要求。然而,目前已报道的光纤光栅传感器在螺栓受力监测方面存在一些不足,只是将传感器简单的嵌入或贴附于螺栓体中,而没有对螺栓的应力分布及受力形式进行具体的分析,尤其对于长螺栓,其受力状况更为复杂。为此,本文主要根据工程实际中螺栓的受力监测需求,设计了一种具有分布式测量和抗扭矩干扰性能的新型光纤布拉格光栅螺栓力传感器。主要工作如下:1)对螺栓受力状态监测技术研究现状进行了调研,根据基于电磁传感原理的相关研究所存在的不足提出了一种基于光纤光栅传感技术的螺栓受力监测方案。概述了现有光纤光栅螺栓力传感器的研究现状,指出了其所存在的问题,并对后续的研究工作进行了初步的构思。2)完成了分布式FBG力传感器的结构设计与原型制作:设计了一种具有多个应变测量单元的FBG力传感器,同时采用微型轴承降低了外部扭矩对应变测量单元的影响。通过理论推导,建立了螺栓所受载荷和光纤光栅波长偏移量之间的联系。根据所设计的结构制作出传感器原型,将制作好的传感器嵌入螺栓中心埋植孔内,获得一个具备应变、温度感知能力的智能螺栓。3)对所研制的分布式FBG力传感器进行了全面的性能测试,主要包括温度补偿特性测试、轴向载荷标定实验、蠕变性能测试、分布式测量性能测试、抗扭转性能测试和动态力检测测试。通过温度补偿特性测试和轴向载荷标定实验分别得到了分布式FBG力传感器的温度灵敏度和应变灵敏度;蠕变性能测试表明传感器能满足螺栓长期受力状态监测的要求;分布式测量结构能感知人为加载力的差异;相比于无抗扭结构的测量单元,设计的基于微型滚动轴承的抗扭转结构具有较低的扭矩响应;分布式FBG力传感器的工作带宽为0-606.8Hz,满足其动态力测量的要求。综合分析,传感器的各项性能指标表明其可满足长期螺栓分布式受力状态监测要求。