CN108362773A - 螺栓检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本公开实施例提供一种螺栓检测系统及方法，涉及检测技术领域。系统中的超声波激励电路用于向超声波探头发射超声波激励信号，以使超声波探头向待检测螺栓发射超声波信号；超声波探头用于在超声波激励信号的激励下向待检测螺栓发射超声波信号，以及接收射入待检测螺栓后反射回的超声波信号，并转换为电信号后发送至超声波接收电路，超声波接收电路用于将接收到的电信号处理后发送至现场可编程门阵列进行存储；微处理器用于获取现场可编程门阵列存储的超声波信号，得到原始超声波信号，计算超声波信号的总能量并进行比对，根据比对结果得到待检测螺栓是否存在裂纹，以及在存在裂纹时的裂纹状况。该螺栓检测系统及方法，实现便捷，适用性较高。

Description

螺栓检测系统及方法

技术领域

本公开涉及检测技术领域，具体而言，涉及一种螺栓检测系统及方法。

背景技术

螺栓是工业装备中的标准配件之一，作为各种设备的连接件，具有施工简单、受力性能好、可拆换、耐疲劳以及在动力载荷作用下不致松动等优点，是目前重要的连接、密封器件。但是，也正因为螺栓的广泛应用，其工作环境也千差万别，往往处于复杂的应力、高温高压、周期振动等各种恶劣工况下，因此螺栓很容易产生疲劳裂纹。这些裂纹一般不易被发现，裂纹发展到一定程度的时候，经常会发生脆性断裂，从而造成重大的安全事故，严重威胁人身安全。为了确保工业生产的安全，必须及早发现裂纹缺陷，以便及时更换，把隐患扼杀在摇篮里。

发明内容

有鉴于此，本公开实施例的目的在于提供一种螺栓检测系统及方法。

第一方面，本公开实施例提供了一种螺栓检测系统，包括：超声波探头、超声波激励电路、超声波接收电路、现场可编程门阵列和微处理器，所述超声波激励电路和超声波接收电路与所述现场可编程门阵列电连接，所述现场可编程门阵列与所述微处理器电连接；

所述超声波激励电路用于在所述现场可编程门阵列的控制下按设定频率向所述超声波探头发射超声波激励信号，以使所述超声波探头向待检测螺栓发射超声波信号；

所述超声波探头用于在所述超声波激励信号的激励下向待检测螺栓发射超声波信号，以及接收射入所述待检测螺栓后反射回的超声波信号，并将接收到的超声波信号转换为电信号后发送至所述超声波接收电路；

所述超声波接收电路用于将接收到的电信号处理后发送至所述现场可编程门阵列；

所述现场可编程门阵列用于控制所述超声波激励电路按设定频率向所述超声波探头发射超声波激励信号，以及接收所述超声波接收电路发送的超声波信号并进行存储；

所述微处理器用于获取所述现场可编程门阵列存储的超声波信号，去除获取的所述超声波信号中的噪声得到原始超声波信号，计算从所述超声波信号发射波的结束时刻至经所述待检测螺栓产生底波的开始时刻之间超声波信号的总能量，将计算得到的总能量和预设的总能量与螺栓裂纹对应数据进行比对，根据比对结果得到所述待检测螺栓是否存在裂纹，以及在存在裂纹时的裂纹状况。

所述超声波探头用于提高对螺栓裂纹的检测精度，将超声波声束中心的能量更好的对焦到裂纹进行检测，减少能量的衰减，提高对微小缺陷的检测能力。

可选地，所述微处理器具体用于，在去除获取的所述超声波信号中的噪声得到原始超声波信号的过程中执行以下步骤：

按设定的小波基对获取的所述超声波信号进行小波分解；

对进行小波分解后的所述超声波信号进行阈值去噪后得到小波系数；

根据所述小波系数对进行小波分解后的所述超声波信号进行小波重构，得到去除噪声后的原始超声波信号。

可选地，所述微处理器具体用于，将Sym5作为所述设定的小波基，所述微处理器采用以下公式计算得到小波系数：

其中，W_i，j为各层的小波系数，λ为选取的阈值，为所述各层的小波系数的平均值；

所述微处理器用于根据所述各层的小波系数的平均值对进行小波分解后的所述超声波信号进行小波重构。

可选地，所述微处理器具体用于，采用以下公式计算得到总能量：

其中，t1为超声波信号发射波的结束时刻，t2为所发射的超声波信号经所述待检测螺栓产生底波的开始时刻，|A|为所述开始时刻下的声波幅值的绝对值。

可选地，预设的总能量与螺栓裂纹对应数据通过以下步骤获得：

预先制造具有同一位置不同裂纹深度以及同一裂纹深度不同位置的多个螺栓；

针对所述多个螺栓中的每个螺栓，分别计算与该螺栓对应的超声波信号的总能量；

根据计算得到的与各螺栓对应的超声波信号的总能量，标定与不同裂纹深度分别对应的总能量数值，从而得到总能量与螺栓裂纹对应数据。

可选地，所述微处理器在确定所述待检测螺栓中存在裂纹时，还用于根据以下公式计算得到裂纹的位置：

s＝v×t/2

其中，s为裂纹所在位置距探测面的距离，v为超声波在待检测螺栓中的传播速度，t为所述超声波接收电路接收到裂纹波的时间。

可选地，所述超声波激励电路包括高压脉冲发射电路，所述超声波探头包括超声波换能器，所述高压脉冲发射电路用于激励所述超声波换能器产生超声波；

所述超声波接收电路包括信号调理电路和A/D转换电路，所述信号调理电路的输出端与所述A/D转换电路连接，所述信号调理电路用于对接收到的电信号限幅、放大和滤波处理后传输至所述A/D转换电路，所述A/D转换电路将接收到的模拟信号转换为数字信号后存储至所述现场可编程门阵列的内部缓存中。

可选地，所述超声波探头为单晶斜探头；所述高压脉冲发射电路为高压窄脉冲发射电路；

所述微处理器还连接有显示屏，所述显示屏用于在所述微处理器的控制下显示检测结果。

第二方面，本公开实施例提供一种螺栓检测方法，应用于上述的螺栓检测系统，所述螺栓检测方法包括：

超声波激励电路在现场可编程门阵列的控制下按设定频率向超声波探头发射超声波激励信号，以使所述超声波探头向待检测螺栓发射超声波信号；

所述超声波探头在所述超声波激励信号的激励下向待检测螺栓发射超声波信号，以及接收射入所述待检测螺栓后反射回的超声波信号，并将接收到的超声波信号转换为电信号后发送至超声波接收电路；

所述超声波接收电路将接收到的电信号处理后发送至所述现场可编程门阵列；

所述现场可编程门阵列接收所述超声波接收电路发送的超声波信号并进行存储；

所述微处理器获取所述现场可编程门阵列存储的超声波信号，去除获取的所述超声波信号中的噪声得到原始超声波信号，计算从所述超声波信号发射波的结束时刻至经所述待检测螺栓产生底波的开始时刻之间超声波信号的总能量，将计算得到的总能量和预设的总能量与螺栓裂纹对应数据进行比对，根据比对结果得到所述待检测螺栓是否存在裂纹，以及在存在裂纹时的裂纹状况。

可选地，去除获取的所述超声波信号中的噪声得到原始超声波信号的步骤，包括：

按设定的小波基对获取的所述超声波信号进行小波分解；

对进行小波分解后的所述超声波信号进行阈值去噪后得到小波系数；

根据所述小波系数对进行小波分解后的所述超声波信号进行小波重构，得到去除噪声后的原始超声波信号。

本公开实施例提供的螺栓检测系统及方法，通过对螺栓检测系统的巧妙设计，实现了对螺栓裂纹的自动化检测，以及存在裂纹时分析出裂纹状况，显著降低了人力成本，螺栓检测系统整体结构较为简单，在实现螺栓裂纹自动化检测的同时，性价比较高，适用性较强。

为使本公开的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本公开的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本公开实施例提供的一种螺栓检测系统的方框示意图。

图2为本公开实施例提供的一种螺栓检测系统的另一方框示意图。

图3为本公开实施例提供的一种对一组信号进行小波分解得到的各尺度波形示意图。

图4为本公开实施例提供的一种进行小波去噪前后的波形示意图。

图5为本公开实施例提供的一种检测原理的波形示意图。

图6为本公开实施例提供的一种螺栓检测方法的流程图。

图7为本公开实施例提供的一种角度计算示意图。

图标：10-现场可编程门阵列；11-超声波探头；111-超声波激励电路；1111-超声波换能器；1112-高压脉冲发射电路；112-超声波接收电路；1121-限幅放大电路；1122-带通滤波电路；1123-可控增益放大电路；1124-A/D转换电路；12-内部缓存；13-电平转换电路；14-电源模块；15-时钟复位电路；16-通用I/O口；17-仿真接口；20-微处理器；21-电源电路；22-时钟模块；23-显示器；24-存储器。

具体实施方式

为了及早发现螺栓裂纹缺陷，需对螺栓裂纹进行检测，经发明人研究发现，可以采用扭矩检测法对螺栓裂纹进行检测，但是扭矩检测法的缺陷在于检测精度不够高，不能对裂纹做出定量分析，而且现阶段也没有针对扭矩检测法检测裂纹的操作标准，施加的扭矩大小全凭操作人员的经验，费时费力。也可以采用超声波检测螺栓裂纹，超声波检测是利用超声波在被测物体中传播时，由于被测物体材料的声学特性或者其内部结构的变化，导致超声波的传播产生一定的影响，通过对超声波受影响程度和状况的探测来了解材料的性能和结构的变化。但是超声波检测对操作人员要求较高，需要对操作人员进行专业的培训，消耗大量人力物力，而且超声波形的判断没有统一的依据，大多凭借操作人员的经验而定，探伤效果不稳定。因而，实现螺栓裂纹的自动判断具有重大意义。

基于上述研究，本公开实施例提供了一种螺栓检测系统及方法，取代操作人员利用经验判断螺栓中是否存在裂纹的检测方式，实现对螺栓裂纹的自动化检测，显著降低了人力成本，提高螺栓裂纹检测的效率和便捷性。

下面将结合本公开实施例中附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本公开实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本公开的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本公开的范围，而是仅仅表示本公开的选定实施例。基于本公开的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

如图1所示，是本公开实施例提供的螺栓检测系统的一种方框示意图。本公开实施例中的螺栓检测系统包括：超声波探头11、超声波激励电路111、超声波接收电路112、现场可编程门阵列10和微处理器20。

其中，所述超声波激励电路111和超声波接收电路112与所述现场可编程门阵列10电连接，所述现场可编程门阵列10与所述微处理器20电连接。

鉴于裂纹一般发生在螺纹与螺母的交界处附近，与检测面呈一定的角度，为了提高对螺栓裂纹的检测精度，可选地，本公开实施例中采用单晶斜探头对螺栓裂纹进行检测。经验证，相同频率和相同晶片大小的情况下，相比于单晶直探头，单晶斜探头检测微小缺陷的能力更大，由于超声波波束的中心能量最高，故单晶斜探头能够更好的对焦裂纹进行检测，减少能量的衰减，大大提高检测精度。可选地，本公开实施例选用频率为10M、晶片大小为8mm的单晶斜探头进行检测，经验证，采用该种选择能够实现1mm以上缺陷裂纹的检测。

所述超声波激励电路111用于在所述现场可编程门阵列10的控制下按设定频率向所述超声波探头11发射超声波激励信号，以使所述超声波探头11向待检测螺栓发射超声波信号。

请结合参阅图2，所述超声波激励电路111可以包括高压脉冲发射电路1112，所述超声波探头11可以包括超声波换能器1111，所述高压脉冲发射电路1112用于激励所述超声波换能器1111产生超声波。所述超声波激励电路111的具体工作原理如下：现场可编程门阵列10(Field－Programmable Gate Array，FPGA)产生一个脉冲信号控制高压脉冲发射电路1112产生高压窄脉冲，该高压窄脉冲激励超声波换能器1111产生设定频率的超声波信号，超声波信号射入工件如待检测螺栓后返回的回波信号进入超声波探头11，超声波探头11用于在所述超声波激励信号的激励下向待检测螺栓发射超声波信号，以及接收射入所述待检测螺栓后反射回的超声波信号，并将接收到的超声波信号转换为电信号后发送至超声波接收电路112。

高压脉冲发射电路1112用于激励超声波换能器1111产生相应的超声波，激励信号的质量往往决定了超声波的质量，激励信号越好，产生的超声波毛刺与杂波越少，质量越高。可选地，本公开实施例的高压脉冲发射电路1112采用高压窄脉冲发射电路，以产生尖脉冲激励，可以采用RC(Resistance-Capacitance Circuits)放电电路为原理，选择设定的参数，产生多种高压窄脉冲，例如可以产生50ns的高压窄脉冲，从而激励超声波探头11产生高质量的超声波信号。

超声波接收电路112用于接收超声波探头11发送的电信号(超声波信号)，并将接收到的超声波信号处理后发送至现场可编程门阵列10。其中，超声波接收电路112可以包括信号调理电路和A/D转换电路1124，所述信号调理电路的输出端与所述A/D转换电路1124连接，所述信号调理电路用于对超声波探头11发送的电信号进行限幅、放大和滤波等处理后传输至所述A/D转换电路1124，相应地，信号调理电路可以包括限幅放大电路1121、带通滤波电路1122、可控增益放大电路1123等，所述A/D转换电路1124将接收到的模拟信号转换为数字信号后存储至所述现场可编程门阵列10的内部缓存12如先入先出(First InputFirst Output，FIFO)存储器中。

所述现场可编程门阵列10用于控制所述超声波激励电路111按设定频率向所述超声波探头11发射超声波激励信号，以及接收所述超声波接收电路112发送的超声波信号并进行存储。现场可编程门阵列10与微处理器20通信，例如，现场可编程门阵列10的FIFO存储器与微处理器20可以进行数据通信。

现场可编程门阵列10还可以包括其他器件，例如，在现场可编程门阵列10与高压脉冲发射电路1112之间可以连接电平转换电路13，以确保现场可编程门阵列10与高压脉冲发射电路1112输入/输出逻辑的协调性。根据实际需求，现场可编程门阵列10还可以连接电源模块14、时钟复位电路15、通用I/O口16、仿真接口17等。

所述微处理器20用于获取所述现场可编程门阵列10存储的超声波信号，去除获取的所述超声波信号中的噪声得到所需的原始超声波信号，计算从超声波信号发射波的结束时刻至经所述待检测螺栓产生底波的开始时刻之间超声波信号的总能量，将计算得到的总能量和预设的总能量与螺栓裂纹对应数据进行比对，根据比对结果得到所述待检测螺栓是否存在裂纹，以及在存在裂纹时的裂纹状况。

为了进一步提高检测结果的准确性，本公开实施例中，在微处理器20获取到超声波信号后再次去除超声波信号中的噪声，提高信噪比，使得微小的裂纹信号不被淹没在噪声信号中。可选地，微处理器20在去除获取的所述超声波信号中的噪声得到原始超声波信号的过程中执行以下步骤：按设定的小波基对获取的所述超声波信号进行小波分解，对进行小波分解后的所述超声波信号进行阈值去噪后得到小波系数，根据所述小波系数对进行小波分解后的所述超声波信号进行小波重构，得到去除噪声后的原始超声波信号。

其中，微处理器20可以将Sym5作为所述设定的小波基，所述微处理器20采用以下公式计算得到小波系数：

其中，W_i，j为各层的小波系数，λ为选取的阈值，为所述各层的小波系数的平均值。相应地，所述微处理器20用于根据所述各层的小波系数的平均值对进行小波分解后的所述超声波信号进行小波重构。

为了实现对螺栓裂纹大小的判断以及定位，本公开实施例中基于超声波波包能量的总和判断待检测螺栓中是否存在裂纹，以及裂纹状况，基于总能量进行裂纹检测诊断面更大，检测结果更为准确。基于总能量进行裂纹检测的具体实现流程如下所示。

在微处理器20中预设总能量与螺栓裂纹对应数据。总能量与螺栓裂纹对应数据通过以下步骤获得：预先制造具有同一位置不同裂纹深度以及同一裂纹深度不同位置的多个螺栓，针对所述多个螺栓中的每个螺栓，分别计算与该螺栓对应的超声波信号的总能量，根据计算得到的与各螺栓对应的超声波信号的总能量，标定与不同裂纹深度分别对应的总能量数值，从而得到总能量与螺栓裂纹对应数据。

通过将检测待检测螺栓的超声波信号的总能量和预设的总能量与螺栓裂纹对应数据进行匹配，即可得出待检测螺栓中是否存在裂纹以及裂纹的深度。

可选地，微处理器20具体用于采用以下公式计算得到总能量：

其中，t1为超声波信号发射波的结束时刻，t2为所发射的超声波信号经所述待检测螺栓产生底波的开始时刻，|A|为所述开始时刻下的声波幅值的绝对值。

在分析得出待检测螺栓中是否存在裂纹，以及裂纹深度的同时，微处理器20可以通过以下方式对待检测螺栓中的裂纹进行定位。所述微处理器20在确定所述待检测螺栓中存在裂纹时，还可以根据超声波在待检测螺栓中的传播速度和传播时间，实现裂纹的定位，其中，传播时间可以通过提取裂纹波波峰采样点位置的形式计算得到，相应地，可以根据以下公式计算得到裂纹的位置：

s＝v×t/2

其中，s为裂纹所在位置距探测面的距离，v为超声波在待检测螺栓中的传播速度，t为所述超声波接收电路112接收到裂纹波的时间。

本公开实施例中，微处理器20可以为ARM(Advanced RISC Machines)，微处理器，还可以连接电源电路21、时钟模块22、显示器23如触控显示屏、存储器24如SD卡(SecureDigital Memory Card/SD card)、报警器如蜂鸣器等。通过连接报警器和显示器23，微处理器20可以在判定螺栓中存在裂纹时控制报警器报警，并在显示器23上显示检测结果如裂纹状况、检测波形等信息，从而实现对螺栓裂纹的智能检测，无需检测人员人工观察、分析，从而大大提高螺栓裂纹检测效率和便捷性。通过存储器24的设置，使得微处理器20可以进行数据存储以供后续的数据分析使用。通过时钟模块22的设置，现场可编程门阵列10可以实现与微处理器20同步通信，并为A/D转换电路1124提供时钟。

为了实现螺栓检测系统的便携化，系统中的电源可以选用可充电锂电池，以满足长时间续航工作需求。

通过上述设计，可将螺栓检测系统集成为便携式设备，例如，系统中的各器件模块可以集成在印制电路板(Printed Circuit Board，PCB)中，并采用3D打印的壳体进行封装，从而形成便携式检测设备。

为了更为清楚地阐述本公开实施例的实现流程，现以下述场景进行举例说明。

螺栓检测系统包括高压脉冲发射电路1112、超声波探头11、信号调理电路、高速A/D转换电路1124、现场可编程门阵列10(FPGA)、微处理器20(ARM)、触控显示屏、SD卡电路、蜂鸣器等，FPGA集成有FIFO存储器24。

FPGA与ARM同步通信，FPGA主要用于产生高压脉冲发射电路1112的控制信号，将经由高速A/D转换电路1124进行A/D转换以后的数据存入FIFO存储器24并与ARM进行数据通信，以及为高速A/D转换电路1124提供时钟。

ARM主要基于ucOS-II操作系统实现超声波信号的采集及处理，驱动触控显示屏、SD卡电路和蜂鸣器等，实现人机交互，ARM对超声波信号的处理包括根据小波去噪算法进行去噪处理，以及根据螺栓裂纹识别及定位算法实现裂纹识别及定位。

超声波探头11选用频率为10M、晶片大小为8mm的单晶纵波斜探头，以提高检测精度。

高压脉冲发射电路1112采用由IRFPG30场效应管、100K大功率电阻、51欧姆电阻、100pF电容以及MUR160高效快速整流二极管构成的高压窄脉冲发射电路，高压输入由高压电源提供。所选用的高压电源为美国Ultravolt公司生产的高压电源模块。从而能够实现脉冲幅度为300v，脉宽为50ns的高压尖脉冲进行超声波探头11中超声波换能器1111的激励。

信号调理电路包括前置限幅电路、前置放大电路、带通滤波电路1122和可控增益放大电路1123。限幅电路由4个1N4148快速开关二极管组成，可以将电压的峰值钳制在±1.4V，有效保护了后续电路的安全稳定。前置放大电路采用AD8099集成运放芯片构成的运算放大电路。带通滤波电路1122采用MAX4106集成运放构成的二阶Sallen-Key结构带通滤波器，通过计算外围电路的电阻和电容参数，将中心频率设定为10MHz，带宽设定为1MHz。可控增益放大电路1123采用AD603芯片构成的运算放大电路，通过调节输入AD603芯片的电位值可以调节可控增益放大电路1123的放大倍数，从而针对不同大小等级的超声波信号进行不同级别的放大。

A/D转换电路1124主要由高速A/D转换芯片构成，用于将模拟信号转化为FPGA能够识别和处理的数字信号，A/D转换芯片选用AD9433芯片。相比于其他A/D转换芯片，AD9433芯片具有杰出的动态性能，并采用了差分信号输入结构，能够大大降低输入共模噪声，从而确保检测可靠性。

FPGA为硬件电路的控制核心，选用EP4CE15E22C8芯片，用于控制超声波发射频率以及接受超声波信号并进行缓存，待ARM读取。FPGA主要实现的功能分为三个部分：发射脉冲控制信号、读取A/D输入信号以及构建FIFO缓存区域暂存数据。其中，FIFO存储器采用的是双口FIFO结构，FIFO存储器的存储端口由FPGA控制，读取端口由ARM控制。

ARM选用STM32F407ZE型号ARM芯片，主要负责数据的处理、结果和波形的显示以及报警存储等功能。ARM通过FIFO存储器与FPGA通信，提取FPGA存储的超声波信号数据，经过信号处理算法，滤除超声波信号中的噪声，得到原始超声波信号，显示到触控显示屏上。

ARM选取小波阈值去噪算法作为信号处理算法，其步骤分为小波分解、阈值去噪和小波重构三个部分。小波分解选取的小波基为sym5小波基，它与常用的db系列小波基相比具有更好的对称性，在分解与重构的过程中，信号的失真更小。小波分解层数为5层。作为一种实施例，对实际采集到的一组信号进行小波分解，得到的各尺度波形如图3所示。

阈值去噪过程中，采用固定阈值计算方法进行阈值计算，将中位数用平均值代替，以节省ARM的计算资源，提高运行速率。阈值函数选取硬阈值函数，计算公式为：

其中，W_i，j为各层小波系数，λ为选取的阈值。为各层的小波系数的平均值。

根据处理后小波系数进行小波重构，得到去噪后的超声波信号。作为一种实施例，对实际采集到的超声波波形进行小波去噪，得到的结果如图4所示。其中，图4(a)为采集到的原始信号波形，图4(b)为小波去噪后得到的波形。可以看出，采用本公开实施例中的超声信号处理算法能够有效去除超声波信号中的噪声。

ARM计算去除噪声后的超声波中裂纹敏感区域是否存在裂纹回波，若有裂纹回波，判断螺栓中裂纹的位置和深度信息，通过触控显示屏的触控功能提供人机交互接口，使得操作人员在操作过程中可以配置系统的参数以及进行其他操作。最终，将每一次采集到的超声波信号与判断结果存储到SD卡上。

通过小波去噪以后的超声波信号信噪比较高，噪声已经在很大程度上被滤除，因而进行螺栓裂纹识别的准确性更高。超声波波形一般包括发射波、裂纹波、裂纹多次回波、底波和底面多次回波。如果由超声波检测人员通过闸门阈值的方式进行人工判断，设定一个裂纹可能存在的区域，设定一个阈值，当区域内的波形幅值超过阈值便认为存在裂纹，在人工判断的情况下，此方法并不十分可靠。原因是，设定的区域范围可能不包含真正裂纹波产生的区域，由于多次回波的存在，阈值的判定可靠性有限。经过多次实验，本公开实施例中选择用超声波能量的方式进行判断。如下述公式所示：

其中，E为计算的总能量值，t1为超声波信号发射波的结束时刻，t2为发射的超声波信号经待检测螺栓产生底波的开始时刻，|A|为所述开始时刻下的声波幅值的绝对值。通过本公开实施例中的检测方式，检测区域可以覆盖整个螺栓，并且通过计算总能量，排除了多次回波的干扰，能够更好的进行螺栓裂纹的识别，增加可靠性。请结合参阅图5，列举了其中一种能量判断原理图。

通过线切割预制具有同一位置不同裂纹深度以及同一裂纹深度不同位置的多个的螺栓，对不同裂纹深度的螺栓进行总能量的计算并进行大量的实验，标定以后，选取对应的阈值进行螺栓裂纹的识别，若总能量E超过该阈值，即代表存在裂纹，并且细化标定以后，就能够判断螺栓裂纹的准确大小。其中，细化标定指：针对具有同一位置不同裂纹深度以及同一裂纹深度不同位置的多个螺栓中的每个螺栓，多次计算该螺栓对应的超声波信号的总能量，从而标定与不同裂纹深度和位置分别对应的总能量数值。进而将待检测螺栓对应的总能量与预先标定的内容进行比对，即可得出待检测螺栓是否存在裂纹，以及裂纹深度和位置。

本公开实施例采用的是基于脉冲反射法的探伤原理，因而可以得知，裂纹位置的确定主要依靠裂纹波信号返回的时间，与超声波在待检测螺栓中传播的速度，其公式如下：

s＝v×t/2

其中，s为裂纹位置距探测面的距离，v为超声波在待检测螺栓中的传播速度。在螺栓材质为钢，螺栓检测系统选用为超声纵波探头的情况下，查表可得超声波在螺栓中的传播速度v为5920米/秒。t为裂纹波返回超声纵波探头的时间，由于超声波从射出到返回的行程相等，故默认其传播时间也相等，则裂纹波的所在位置的传播时间为t的二分之一。因而只需要获取时间t的大小便可以计算裂纹的位置s。若A/D芯片所给的时钟为50M，则螺栓检测系统的采样频率为50MSps，即一个采样点代表的时间间隔为20ns。随后，近似选取裂纹波最大幅值处的采样点序号作为裂纹波返回时间的参考信息进行计算。若裂纹波波峰位置的采样点序号为1000，则计算可得裂纹波的位置为距离探测面59.2mm。

触控显示屏提供人机交互界面，上述螺栓检测流程可以由用户在触控显示屏上操作触发，FPGA接收到触发命令后，控制高压脉冲发射电路1112产生一次控制脉冲，实现对螺栓的检测，若螺栓存在裂纹，则控制蜂鸣器报警并在触控显示屏显示裂纹的深度和具体位置，并将检测结果进行存储。

如图6所示，在上述基础上，本公开实施例还提供一种螺栓检测方法，应用于上述的螺栓检测系统，所述螺栓检测方法包括：

步骤S21，超声波激励电路111在现场可编程门阵列10的控制下按设定频率向超声波探头11发射超声波激励信号，以使所述超声波探头11向待检测螺栓发射超声波信号。

步骤S22，超声波探头11在所述超声波激励信号的激励下向待检测螺栓发射超声波信号，以及接收射入所述待检测螺栓后反射回的超声波信号，并将接收到的超声波信号转换为电信号后发送至超声波接收电路；

步骤S23，超声波接收电路112将接收到的电信号处理后发送至所述现场可编程门阵列10。

步骤S23，所述现场可编程门阵列10接收所述超声波接收电路112发送的超声波信号并进行存储。

步骤S24，所述微处理器20获取所述现场可编程门阵列10存储的超声波信号，去除获取的所述超声波信号中的噪声得到原始超声波信号，计算从所述超声波信号发射波111发射超声波信号的结束时刻至经所述待检测螺栓产生底波的开始时刻之间超声波信号的总能量，将计算得到的总能量和预设的总能量与螺栓裂纹对应数据进行比对，根据比对结果得到所述待检测螺栓是否存在裂纹，以及在存在裂纹时的裂纹状况。

可选地，去除获取的所述超声波信号中的噪声得到原始超声波信号的步骤，包括：按设定的小波基对获取的所述超声波信号进行小波分解；对进行小波分解后的所述超声波信号进行阈值去噪后得到小波系数；根据所述小波系数对进行小波分解后的所述超声波信号进行小波重构，得到去除噪声后的原始超声波信号。

螺栓检测方法的实现流程和工作原理与前述螺栓检测系统类似，相应内容可以参阅前述螺栓检测系统，因而在此不作赘述。

可选地，本实施例中超声波探头是从螺栓螺帽处开始检测，并且具有一定角度，超声波探头的角度根据裂纹最可能发生的位置进行聚焦计算得到，例如，可以通过角θ的正切等于螺栓螺杆的半径M与从探测面至最可能发生裂纹的位置处(本实施例中指远离螺栓螺帽的一端、螺纹开始位置)距离N的比值计算得到，基于计算得到的角度进行旋转检测。以图7所示场景为例，假设待检测螺栓的N为87.5mm，M为6.5mm，那么，角度θ可以通过以下公式计算得到：

θ≈4.3°

从而可以得出，实际折射角度约为4～5度，可以标定为5度，从而控制超声波探头发射相对于螺栓中轴线倾斜5度的超声波。

鉴于本实施例中超声波探头具有方向性，为了更为全面地进行检测，在检测过程中，可以将超声波探头旋转360度，从而对待检测螺栓进行全面检测。

本公开实施例中的螺栓检测系统及方法，实现了对螺栓裂纹的自动化检测，在螺栓存在裂纹时能够分析出螺栓裂纹的深度及位置，无需人工判断，大大提高了检测效率，裂纹识别以及定位准确度较高。巧妙地选用单晶斜探头对螺栓裂纹进行检测，相同频率、相同晶片大小的情况下，相比于单晶直探头，单晶斜探头检测微小缺陷的能力更大，由于超声波波束的中心能量最高，故斜探头能够更好的对焦裂纹进行检测，减少能量的衰减，大大提高检测精度。采用尖脉冲(高压窄脉冲)激励产生超声波信号，所产生的的超声波毛刺与杂波较少，显著提高所产生超声波的质量。基于超声波波包能量的总和进行螺栓裂纹识别，根据超声波在螺栓内的传播速度和传播时间，实现裂纹定位，诊断面更大，更可靠。基于小波去噪算法对噪声进行过滤，使得信噪比显著提高，微小缺陷的裂纹能够被观察到，大大提高了螺栓检测的适用性。

在本公开实施例所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置和方法实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本公开的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

另外，在本公开各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。

所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本公开的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，电子设备，或者网络设备等)执行本公开各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本公开的可选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种螺栓检测系统，其特征在于，包括：超声波探头、超声波激励电路、超声波接收电路、现场可编程门阵列和微处理器，所述超声波激励电路和超声波接收电路与所述现场可编程门阵列电连接，所述现场可编程门阵列与所述微处理器电连接；

所述超声波激励电路用于在所述现场可编程门阵列的控制下按设定频率向所述超声波探头发射超声波激励信号，以使所述超声波探头向待检测螺栓发射超声波信号；

所述超声波探头用于在所述超声波激励信号的激励下向待检测螺栓发射超声波信号，以及接收射入所述待检测螺栓后反射回的超声波信号，并将接收到的超声波信号转换为电信号后发送至所述超声波接收电路；

所述超声波接收电路用于将接收到的电信号处理后发送至所述现场可编程门阵列；

所述现场可编程门阵列用于控制所述超声波激励电路按设定频率向所述超声波探头发射超声波激励信号，以及接收所述超声波接收电路发送的超声波信号并进行存储；

所述微处理器用于获取所述现场可编程门阵列存储的超声波信号，去除获取的所述超声波信号中的噪声得到原始超声波信号，计算从所述超声波信号发射波的结束时刻至经所述待检测螺栓产生底波的开始时刻之间超声波信号的总能量，将计算得到的总能量和预设的总能量与螺栓裂纹对应数据进行比对，根据比对结果得到所述待检测螺栓是否存在裂纹，以及在存在裂纹时的裂纹状况。

2.根据权利要求1所述的螺栓检测系统，其特征在于，所述微处理器具体用于，在去除获取的所述超声波信号中的噪声得到原始超声波信号的过程中执行以下步骤：

按设定的小波基对获取的所述超声波信号进行小波分解；

对进行小波分解后的所述超声波信号进行阈值去噪后得到小波系数；

根据所述小波系数对进行小波分解后的所述超声波信号进行小波重构，得到去除噪声后的原始超声波信号。

3.根据权利要求2所述的螺栓检测系统，其特征在于，所述微处理器具体用于，将Sym5作为所述设定的小波基，所述微处理器采用以下公式计算得到小波系数：

其中，W_i，j为各层的小波系数，λ为选取的阈值，为所述各层的小波系数的平均值；

所述微处理器用于根据所述各层的小波系数的平均值对进行小波分解后的所述超声波信号进行小波重构。

4.根据权利要求1所述的螺栓检测系统，其特征在于，所述微处理器具体用于，采用以下公式计算得到总能量：

其中，t1为超声波信号发射波的结束时刻，t2为所发射的超声波信号经所述待检测螺栓产生底波的开始时刻，|A|为所述开始时刻下的声波幅值的绝对值。

5.根据权利要求1所述的螺栓检测系统，其特征在于，预设的总能量与螺栓裂纹对应数据通过以下步骤获得：

预先制造具有同一位置不同裂纹深度以及同一裂纹深度不同位置的多个螺栓；

针对所述多个螺栓中的每个螺栓，分别计算与该螺栓对应的超声波信号的总能量；

根据计算得到的与各螺栓对应的超声波信号的总能量，标定与不同裂纹深度分别对应的总能量数值，从而得到总能量与螺栓裂纹对应数据。

6.根据权利要求1所述的螺栓检测系统，其特征在于，所述微处理器在确定所述待检测螺栓中存在裂纹时，还用于根据以下公式计算得到裂纹的位置：

s＝v×t/2

其中，s为裂纹所在位置距探测面的距离，v为超声波在待检测螺栓中的传播速度，t为所述超声波接收电路接收到裂纹波的时间。

7.根据权利要求1～6任一项所述的螺栓检测系统，其特征在于，所述超声波激励电路包括高压脉冲发射电路，所述超声波探头包括超声波换能器，所述高压脉冲发射电路用于激励所述超声波换能器产生超声波；

所述超声波接收电路包括信号调理电路和A/D转换电路，所述信号调理电路的输出端与所述A/D转换电路连接，所述信号调理电路用于对接收到的电信号限幅、放大和滤波处理后传输至所述A/D转换电路，所述A/D转换电路将接收到的模拟信号转换为数字信号后存储至所述现场可编程门阵列的内部缓存中。

8.根据权利要求7所述的螺栓检测系统，其特征在于，所述超声波探头为单晶斜探头；所述高压脉冲发射电路为高压窄脉冲发射电路；

所述微处理器还连接有显示屏，所述显示屏用于在所述微处理器的控制下显示检测结果。

9.一种螺栓检测方法，其特征在于，应用于权利要求1～8任一项所述的螺栓检测系统，所述螺栓检测方法包括：

超声波激励电路在现场可编程门阵列的控制下按设定频率向超声波探头发射超声波激励信号，以使所述超声波探头向待检测螺栓发射超声波信号；

所述超声波探头在所述超声波激励信号的激励下向待检测螺栓发射超声波信号，以及接收射入所述待检测螺栓后反射回的超声波信号，并将接收到的超声波信号转换为电信号后发送至超声波接收电路；

所述超声波接收电路将接收到的电信号处理后发送至所述现场可编程门阵列；

所述现场可编程门阵列接收所述超声波接收电路发送的超声波信号并进行存储；

所述微处理器获取所述现场可编程门阵列存储的超声波信号，去除获取的所述超声波信号中的噪声得到原始超声波信号，计算从所述超声波信号发射波的结束时刻至经所述待检测螺栓产生底波的开始时刻之间超声波信号的总能量，将计算得到的总能量和预设的总能量与螺栓裂纹对应数据进行比对，根据比对结果得到所述待检测螺栓是否存在裂纹，以及在存在裂纹时的裂纹状况。

10.根据权利要求9所述的螺栓检测方法，其特征在于，去除获取的所述超声波信号中的噪声得到原始超声波信号的步骤，包括：

按设定的小波基对获取的所述超声波信号进行小波分解；

对进行小波分解后的所述超声波信号进行阈值去噪后得到小波系数；

根据所述小波系数对进行小波分解后的所述超声波信号进行小波重构，得到去除噪声后的原始超声波信号。