CN108375433A - 基于电磁超声技术检测螺栓的轴力的方法和设备 - Google Patents

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CN108375433A CN201810166260.4A CN201810166260A CN108375433A CN 108375433 A CN108375433 A CN 108375433A CN 201810166260 A CN201810166260 A CN 201810166260A CN 108375433 A CN108375433 A CN 108375433A
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Abstract

提供一种基于电磁超声技术检测螺栓的轴力的方法和设备。所述方法包括：建立数据库，存储参考环境温度和螺栓的规格参数，规格参数包括螺栓直径、螺母高度、与材料相关的第一参数以及与温度和材料两者相关的第二参数；在被测螺栓的表面产生横波，测量第一传播声时；在被测螺栓的表面产生纵波，测量第二传播声时；输入被测螺栓的型号和材料信息，查找规格参数；测量当前环境温度，计算环境温度差；测量法兰厚度，计算被测螺栓的受应力作用部分的等效长度；基于第一传播声时、第二传播声时、第一参数、第二参数、环境温度差和等效长度，计算被测螺栓所受的应力；基于螺栓直径计算有效截面积，进而计算被测螺栓的轴力。

Description

基于电磁超声技术检测螺栓的轴力的方法和设备
技术领域
本发明涉及大型机械设备中的螺栓轴力的计量，更具体地说，涉及一种在无需改变现役螺栓的使用状态的情况下对现役螺栓的轴力进行检测的方法和设备。
背景技术
在大型机械设备(例如风力发电机组等)中，各个法兰面的连接螺栓的轴力大小关系着设备的正常运转和操作人员的安全。因此针对现役螺栓的定期检查(包括预紧力、疲劳检测等)显得尤为重要。例如，对于风力发电机组来说，每台兆瓦风机，包括塔架螺栓、偏航轴承连接螺栓及变桨轴承连接螺栓在内的高强度螺栓数量达到了上千颗，这些螺栓的定期检修和维护关系到风力发电机组的正常安全生产。因而有必要定期对螺栓进行状态检测，避免由螺栓故障引起的人员和设备损伤。
发明内容
提供本发明可至少解决上述缺点并至少提供下述优点。
本发明的一方面在于提供一种电磁超声技术检测螺栓的轴力的方法和设备，该方法和设备使用电磁超声换能器，无需在螺栓表面涂抹耦合剂，也不存在接触压力变化的干扰，并且不用测量螺栓原长，就能够直接测得现役螺栓的轴力，改变了传统的定检打螺栓力矩的方式，节省了大量的人力物力，能够方便准确地测量现役螺栓的轴力。
本发明的另一方面还在于提供一种电磁超声技术检测螺栓的轴力的方法和设备，该方法和设备能够在螺栓轴力的测量过程中，通过超声波的信号可以分析出发生破坏性损伤的螺栓。
本发明的另一方面还在于提供一种电磁超声技术检测螺栓的轴力的方法和设备，该方法和设备能够对定期检测的每个螺栓的轴力进行数据库备份，并统计每个螺栓的轴力变化趋势。
根据本发明的一方面，提供一种基于电磁超声技术检测螺栓的轴力的方法，包括：建立数据库，其中，数据库存储参考环境温度以及螺栓的型号和材料对应的规格参数，其中，规格参数包括螺栓直径、螺母高度、与材料相关的第一参数以及与温度和材料两者相关的第二参数；通过将电磁超声换能器靠近被测螺栓的表面，利用电磁超声换能器在被测螺栓的表面产生横波，并测量产生的横波在被测螺栓内的第一传播声时；通过将电磁超声换能器靠近被测螺栓的表面，利用电磁超声换能器在被测螺栓的表面产生纵波，并测量产生的纵波在被测螺栓内的第二传播声时；输入被测螺栓的型号和材料信息，以从数据库中查找预先存储的被测螺栓的规格参数；测量被测螺栓的当前环境温度，以基于被测螺栓的当前环境温度和数据库中预先存储的参考环境温度计算环境温度差；测量被测螺栓的法兰厚度，以基于法兰厚度和螺母高度计算被测螺栓的受应力作用部分的等效长度；基于第一传播声时、第二传播声时、第一参数、第二参数、环境温度差以及等效长度，计算被测螺栓所受的应力；基于螺栓直径计算被测螺栓的有效截面积，并基于被测螺栓所受的应力和被测螺栓的有效截面积，计算被测螺栓的轴力。
第一参数可包括螺栓的纵波材料常数和线性膨胀系数。
第二参数可包括螺栓在参考环境温度下且在不受应力时的横波声速和纵横波声时之比、螺栓材料的纵波的与声弹性常数有关的量和横波的与声弹性常数有关的量。
电磁超声换能器可包括用于产生横波的第一电磁超声换能器和用于产生纵波的第二电磁超声换能器，其中，可通过切换靠近被测螺栓的表面的第一电磁超声换能器和第二电磁超声换能器来分别产生横波和纵波。
电磁超声换能器可包括用于产生横波的第一线圈和用于产生纵波的第二线圈，其中，第一线圈和第二线圈被分别布置在电磁超声换能器的第一和第二测量面上，通过切换电磁超声换能器靠近被测螺栓的表面的第一和第二测量面来分别产生横波和纵波。
电磁超声换能器可包括用于改变磁场方向的第一线圈和第二线圈以及用于产生横波和纵波的第三线圈，其中，第一线圈被布置为水平缠绕在电磁超声换能器的磁体上，第二线圈被布置为垂直缠绕在电磁超声换能器的磁体上，第三线圈被布置在作为电磁超声换能器下侧的测量面上，通过将电磁超声换能器的测量面靠近被测螺栓的表面，并切换电磁超声换能器的第一线圈和第二线圈的电流激励顺序以改变磁场方向来使第三线圈分别产生横波和纵波。
计算被测螺栓的受应力作用部分的等效长度的步骤可包括：通过下列等式计算被测螺栓的受应力作用部分的等效长度：被测螺栓的受应力作用部分的等效长度＝螺母高度×2×有效系数+法兰厚度，其中，有效系数大于0且小于1。
规格参数还可包括与螺母配套的垫片的厚度，其中，计算被测螺栓的受应力作用部分的等效长度的步骤可包括：通过下列等式计算被测螺栓的受应力作用部分的等效长度：被测螺栓的受应力作用部分的等效长度＝螺母高度×2×有效系数+法兰厚度+垫片的厚度，其中，有效系数大于0且小于1。
计算被测螺栓所受的应力的步骤可包括：通过下面的公式计算被测螺栓所受的应力：
其中，σ为被测螺栓所受的应力，Cs，0为被测螺栓在参考环境温度下且在不受应力时的横波声速，L1为被测螺栓的受应力作用部分的等效长度，kL为被测螺栓的纵波材料常数，α为被测螺栓的线性膨胀系数，ΔT为环境温度差，R0为被测螺栓在参考环境温度下且在不受应力时的纵横波声时之比、ts为第一传播声时，tL为第二传播声时，As和AL分别为被测螺栓的材料的横波的与声弹性常数有关的量和纵波的与声弹性常数有关的量。
计算被测螺栓的轴力的步骤可包括：通过下面的公式计算被测螺栓的轴力：
F＝σSa
其中，F为被测螺栓的轴力，Sa为被测螺栓的有效截面积。
所述方法还可包括：检测在被测螺栓内传播的横波或纵波的信号是否发生异常，并根据检测结果确定螺栓是否发生损伤。
所述方法还可包括：将定期检测的被测螺栓的轴力存储到建立的数据库或云端服务器的数据库中，并统计被测螺栓的轴力变化趋势。
根据本发明的另一方面，提供了一种基于电磁超声技术检测螺栓的轴力的设备，包括：存储器，被配置为存储数据库，其中，数据库存储参考环境温度以及螺栓的型号和材料对应的规格参数，其中，规格参数包括螺栓直径、螺母高度、与材料相关的第一参数以及与温度和材料两者相关的第二参数；电磁超声换能器，被配置为通过靠近被测螺栓的表面，在被测螺栓的表面产生横波和纵波；超声测量器，被配置为测量由电磁超声换能器产生的横波在被测螺栓内的第一传播声时，测量由电磁超声换能器产生的纵波在被测螺栓内的第二传播声时；环境温度测量器，被配置为测量被测螺栓的当前环境温度；厚度测量器，被配置为被测螺栓的法兰厚度；输入接口，被配置为输入被测螺栓的型号和材料信息；处理器，被配置为执行以下操作：根据输入的被测螺栓的型号和材料信息，从数据库中查找预先存储的被测螺栓的规格参数；基于测量的当前环境温度和数据库中预先存储的参考环境温度计算环境温度差；基于测量的法兰厚度和数据库中预先存储的螺母高度计算被测螺栓的受应力作用部分的等效长度；基于第一传播声时、第二传播声时、第一参数、第二参数、环境温度差以及等效长度，计算被测螺栓所受的应力；基于螺栓直径计算被测螺栓的有效截面积，并基于被测螺栓所受的应力和被测螺栓的有效截面积，计算被测螺栓的轴力。
第一参数可包括螺栓的纵波材料常数和线性膨胀系数。
第二参数可包括螺栓在参考环境温度下且在不受应力时的横波声速和纵横波声时之比、螺栓材料的纵波的与声弹性常数有关的量和横波的与声弹性常数有关的量。
电磁超声换能器可包括用于产生横波的第一电磁超声换能器和用于产生纵波的第二电磁超声换能器，其中，可通过切换靠近被测螺栓的表面的第一电磁超声换能器和第二电磁超声换能器来分别产生横波和纵波。
电磁超声换能器可包括用于产生横波的第一线圈和用于产生纵波的第二线圈，其中，第一线圈和第二线圈被分别布置在电磁超声换能器的第一和第二测量面上，通过切换电磁超声换能器靠近被测螺栓的表面的第一和第二测量面来分别产生横波和纵波。
电磁超声换能器可包括用于改变磁场方向的第一线圈和第二线圈以及用于产生横波和纵波的第三线圈，其中，第一线圈被布置为水平缠绕在电磁超声换能器的磁体上，第二线圈被布置为垂直缠绕在电磁超声换能器的磁体上，第三线圈被布置在作为电磁超声换能器下侧的测量面上，通过将电磁超声换能器的测量面靠近被测螺栓的表面，并切换电磁超声换能器的第一线圈和第二线圈的电流激励顺序以改变磁场方向来使第三线圈分别产生横波和纵波。
处理器可被配置为：通过下列等式计算被测螺栓的受应力作用部分的等效长度：被测螺栓的受应力作用部分的等效长度＝螺母高度×2×有效系数+法兰厚度，其中，有效系数大于0且小于1。
规格参数还可包括与螺母配套的垫片的厚度，其中，处理器被配置为：通过下列等式计算被测螺栓的受应力作用部分的等效长度：被测螺栓的受应力作用部分的等效长度＝螺母高度×2×有效系数+法兰厚度+垫片的厚度，其中，有效系数大于0且小于1。
处理器可被配置为：通过下面的公式计算被测螺栓所受的应力：
其中，σ为被测螺栓所受的应力，Cs，0为被测螺栓在参考环境温度下且在不受应力时的横波声速，L1为被测螺栓的受应力作用部分的等效长度，kL为被测螺栓的纵波材料常数，α为被测螺栓的线性膨胀系数，ΔT为环境温度差，R0为被测螺栓在参考环境温度下且在不受应力时的纵横波声时之比、ts为第一传播声时，tL为第二传播声时，As和AL分别为被测螺栓的材料的横波的与声弹性常数有关的量和纵波的与声弹性常数有关的量。
处理器可被配置为：通过下面的公式计算被测螺栓的轴力：
F＝σSa
其中，F为被测螺栓的轴力，Sa为被测螺栓的有效截面积。
所述设备还可包括：信号异常检测器，被配置为检测在被测螺栓内传播的横波或纵波的信号是否发生异常，其中，处理器还可被配置为根据检测结果确定螺栓是否发生损伤。
处理器可还被配置为将定期检测的被测螺栓的轴力存储到存储器中的数据库或云端服务器的数据库中，并在数据库中统计被测螺栓的轴力变化趋势。
根据本发明的基于电磁超声技术检测螺栓的轴力的方法和设备，能够在无需改变现役螺栓的使用状态的情况下，方便准确地对现役螺栓的轴力进行检测。此外，所述方法和设备还能够在螺栓轴力的测量过程中，通过超声波的信号可以分析出发生破坏性损伤的螺栓，从而有利于及时发现螺栓问题，避免发生机械设备故障的风险。此外，所述方法和设备还能够在数据库中针对识别出的被测现役螺栓存储定期检测的轴力，并统计其轴力变化趋势，有利于容易地监控螺栓的轴力变化。
附图说明
通过结合附图，从实施例的下面描述中，本发明这些和/或其它方面及优点将会变得清楚，并且更易于理解，其中：
图1示出根据本发明的实施例的螺栓轴力测试系统的示意图；
图2示出根据本发明的实施例的基于电磁超声技术检测螺栓的轴力的设备；
图3示出根据本发明的实施例的用于产生横波的第一电磁超声换能器的示意图；
图4示出根据本发明的实施例的用于产生纵波的第二电磁超声换能器的示意图；
图5示出根据本发明的实施例的纵波和横波一体的电磁超声换能器的示意图；
图6示出根据本发明的另一实施例的纵波和横波一体的电磁超声换能器的示意图；
图7示出根据本发明的实施例的基于电磁超声技术检测螺栓的轴力的方法。
具体实施方式
提供参照附图的以下描述以帮助对由权利要求及其等同物限定的本发明的实施例的全面理解。包括各种特定细节以帮助理解，但这些细节仅被视为是示例性的。因此，本领域的普通技术人员将认识到在不脱离本发明的范围和精神的情况下，可对描述于此的实施例进行各种改变和修改。此外，为了清楚和简洁，省略对公知的功能和结构的描述。
本发明提供了一种基于电磁超声技术检测螺栓的轴力的方法和设备。电磁超声技术的原理在于：处于交变磁场的金属导体，其内部将产生涡流，同时任何电流在磁场中都受到力的作用，而金属介质在交变应力的作用下将产生应力波，频率在超声波范围内的应力波即为超声波。如果把表面放有交变电流的金属导体放在一个固定的磁场内，则在金属的涡流透入深度σ内的质点将承受交变力。该力使透入深度σ内的质点产生振动，致使在金属中产生超声波。与此相反，由于此效应呈现可逆性，返回声压使质点的振动在磁场作用下也会使涡流线圈两端的电压发生变化，因此可以通过接收装置进行接收并放大显示。因此可把用这种方法激发和接收的超声波称为电磁超声。
电磁超声技术与传统的压电陶瓷超声技术同属于超声技术范畴，它们的本质区别就在于换能器不同，也就是发射接收方式不同，压电超声换能器是靠压电晶片的压电效应，发射和接收超声波的，它的能量转换是在晶片上进行的。而电磁超声技术则是靠电磁效应发射和接收超声波的，其能量转换则是在被测工件表面的趋肤层内直接进行的，所以它不需要任何耦合介质。
本发明利用上述电磁超声技术的工作原理，通过超声波横纵波的波速对比来测得螺栓轴力。下面将参照图1详细描述计算螺栓轴力的公式的推导过程。
图1示出根据本发明的实施例的螺栓轴力测试系统的示意图。
如图1所示，在一法兰面上固定螺栓，其中，标号101表示螺栓头，标号102表示法兰面，标号103表示螺母，标号104表示靠近螺栓表面的电磁超声换能器。电磁超声换能器在螺栓表面趋肤层产生超声波，并在螺栓另外一端反射回来，电磁超声换能器起到了超声波激励和接收的作用。
对于螺栓连接系统，当螺母拧紧时，螺栓受到拉力作用。假设，螺栓在温度T0(即，参考温度)时其原始长度为L0，则L0＝L1+L2，其中，受应力作用部分的长度等效为L1，不受应力作用部分的长度等效为L2＝L21+L22。
在各向同性固体介质中，各种波型的超声波声速为：
纵波声速：
横波声速：
其中，E为杨氏模量，γ为泊松系数，ρ为材料密度，下标L和S分别表示纵波和横波。
假设螺栓温度为T0时，螺栓不受应力作用的声速为C0，保持温度不变并在螺栓上加载螺母，设向两端的拉伸应力为σ，则应力引起的声速变化为：
纵波声速：CL(T0，σ)＝CL，0[1-AL(T0)σ] (3)
横波声速：CS(T0，σ)＝CS，0[1-AS(T0)σ] (4)
其中，AL(T0)和AS(T0)分别为螺栓材料的纵波和横波的与声弹性常数有关的量，其值与环境温度相关，是环境温度的函数。
同时，拉伸应力的作用还使螺栓长度相应增加，则受力作用后的螺栓长度为：
L(T0，σ)＝L1(1+σ/E)+L2 (5)
假设螺栓的环境温度发生变化，环境温度的变化同样会引起螺栓的声速和长度发生变化。假定整个螺栓的温度是均匀的，当螺栓同时受到应力和温度变化的作用时，螺栓中的声速可以分为两部分，即，受等效应力长度区域声速和不受等效应用长度区域的声速。实际上螺栓沿轴向各段的应力分布是不均匀的，此处采用等效应力。
受等效应力长度区域的纵波声速为：
C(T，σ)L＝CL，0[1-AL(T)σ][1-k(T-T0))] (6)
受等效应力长度区域的横波声速为：
C(T，σ)S＝CS，0[1-AS(T)σ][1-k(T-T0)] (7)
其中，T为当前环境温度。k为温度对超声波速度的影响系数，单位是摄氏度℃-1。
此外，不受等效应用长度区域的纵波声速为：
C(T，0)L＝CL，0[1-kL(T-T0)] (8)
不受等效应用长度区域的横波声速为：
C(T，0)S＝CS，0[1-kS(T-T0)] (9)
此外，螺栓的受等效应力长度区域在受温度变化以及应力作用后，受等效应力长度为：
L1(T，σ)＝L1[1+α(T-T0)+σ/E] (10)
其中，α为螺栓材料的线性膨胀系数。
此外，螺栓的不受等效应力部分的长度只受温度变化影响，不受等效应力长度为：
L2(T)＝L2[1+α(T-T0)] (11)
假设，螺栓不受应力时，在温度为T的情况下，纵横波在螺栓中传播的声时分别为tL，0，tS，0：
纵波声时：
横波声时：
其中，ΔT为当前环境温度T与参考环境温度T0的温度差。
根据上面的公式(12)和(13)，可得到纵横波在不受应力时且温度为T时tL，0与tS，0比值：
其中，kS和kL是只与材料有关的常数，其数量级在10^(-4)，ΔT<10^2摄氏度。
上式取近似，则R0和ΔT近似一条直线，斜率当ΔT为0时，也就是说，当温度T为参考温度T0时，即，螺栓在参考环境温度下且在不受应力时的横波与纵波波速之比。
由于超声波波速无法直接测量，需要通过横纵波的传播时间间接得出。传播时间等于传播距离(即，螺栓长度)除以超声波波速，因此，波速之比相当于声时的反比。因此，在实际测量中，可以测量螺栓在参考环境温度下且在不受应力时的纵波与横波的声时之比，作为R0。
假设，螺栓在受应力σ时，在温度为T的情况下，纵横波在螺栓内的传播声时为tL，tS。
纵波声时：
上式中表示超声波的传播声时分为两部分，进一步化简：
同理，横波声时：
根据公式(14)、(15)和(16)，可以化简得到螺栓的应力为：
根据文献和试验可知，AL的数量级在10^(-5)＝10^(-11)m^2/N，As的数量级在10^(-12)m^2/N。一般情况下，大型机械设备(例如，风力发电机组)中使用的高强度螺栓的轴力为750MPa，σ(As+AL)＜＜1，所以公式(17)可以进一步简化为：
其中，σ为被测螺栓所受的应力，Cs，0为被测螺栓在参考环境温度下且在不受应力时的横波声速，L1为螺栓的受应力作用部分的等效长度，kL为被测螺栓的纵波材料常数，α为被测螺栓的线性膨胀系数，ΔT为环境温度差，R0为被测螺栓在参考环境温度下且在不受应力时的纵横波声时之比、ts为横波在被测螺栓内的传播声时，tL为纵波在被测螺栓内的传播声时，As和AL分别为被测螺栓的材料的横波的与声弹性常数相关的量和纵波的与声弹性常数相关的量。
在计算出螺栓的应力之后，可根据下述公式来计算得到螺栓轴力。
F＝σSa (19)
其中，F是螺栓轴力，Sa是被测螺栓的有效截面积，其可由被测螺栓的直径计算得出。
可见，可由公式(18)和(19)快速计算出螺栓的轴力。当然，公式(18)不限于此，还可根据实践或经验对计算应力的公式(18)进行各种变形或简化。
也就是说，根据上述推导，在计算螺栓轴力时，在不需要知道螺栓的原长的情况下，只需要使用螺栓的一些规格参数(例如，与材料相关的参数(例如，kL，α)，与温度和材料两者相关的参数(例如，Cs，0，As，AL)，基本参数(Sa，L1))、测量参数(ts，tL)以及参考环境温度与测量环境测试之间的温度差ΔT的量就能计算出螺栓的轴力。
根据本发明的实施例，各个螺栓的直径、Cs，0，kL，α，R0，As和AL等参数以及参考环境温度T0均可在实测之前测量并记录在数据库中。在实测时，在螺栓受应力时，可测量当前环境温度以计算温度差，并计算螺栓的有效截面积，并由电磁超声探头分别测得ts和tL，即可快速计算出螺栓的轴力。
根据上述原理，本发明提供了一种基于电磁超声技术检测螺栓的轴力的设备。图2示出根据本发明的实施例的基于电磁超声技术检测螺栓的轴力的设备。
参照图2，本发明的实施例的基于电磁超声技术检测螺栓的轴力的设备200可包括存储器201、电磁超声换能器202、超声测量器203、环境温度测量器204、厚度测量器205、输入接口206以及处理器207。
存储器201可被配置为存储数据库，其中，数据库可存储参考环境温度以及螺栓的型号和材料对应的规格参数。这里，规格参数可包括螺栓直径、螺母高度、与材料相关的第一参数以及与温度和材料两者相关的第二参数等。根据本发明的实施例，在数据库中可按照螺栓的型号和/或材料来存储螺栓的规格参数。
根据本发明的示例性实施例，与材料相关的第一参数可包括螺栓的纵波材料常数和线性膨胀系数。
根据本发明的示例性实施例，与温度和材料两者相关的第二参数可包括螺栓在参考环境温度下且在不受应力时的横波声速和纵横波声时之比、螺栓材料的纵波的与声弹性常数有关的量和横波的与声弹性常数有关的量。
电磁超声换能器202可被配置为通过靠近被测螺栓的表面，在被测螺栓的表面产生横波和纵波。
通常，电磁超声换能器包含三部分：1)高频线圈：用于产生高频激发磁场，2)磁铁：用来提供外加磁场，它可以是永久磁铁或直流电磁铁，也可以是交流电磁铁或脉冲电磁铁，3)被测样件(在本发明中，即螺栓)：检测对象，它是EMAT的一部分。这三个部分简称EMAT三要素。
根据本发明的示例性实施例，电磁超声换能器202可包括用于产生横波的第一电磁超声换能器和用于产生纵波的第二电磁超声换能器。参照图3和图4，图3和图4分别示出用于产生横波的第一电磁超声换能器和用于产生纵波的第二电磁超声换能器，简称探头。作为示例，图3和图4中示出的电磁超声换能器采用永磁铁，但本发明不限于此。
如图3所示，当线圈贴于金属表面，金属内的磁力线垂直于被测样件金属表面，贴附于金属表面的涡流线圈通以交变电流时，将在金属表面感应出涡流，在外磁场作用下，涡流受力方向平行于金属表面。某一时刻的方向向右，半个周期后质点将受一个向左的力。这样，质点在交变力的作用下产生一个与作用力方向相垂直的弹性波，即超声横波。
如图4所示，当线圈贴于金属表面，金属内的磁力线平行于被测样件金属表面，线圈内通过高频电流时，将在金属表面感应出涡流，且涡流平面与磁力线平行，在磁场作用下，涡流上将受一个力的作用。某一时刻的方向如图所示方向向上，半个周期后将受一个向下的力，这样，质点受交变力的作用，因此在作用力方向上产生一个弹性波。由干振动方向和波的传播方向一致，此波为超声纵波。
因此，可通过切换靠近被测螺栓的表面的第一电磁超声换能器和第二电磁超声换能器来分别产生横波和纵波。
根据本发明的另一示例性实施例，参照图5，电磁超声换能器202可包括被分别布置在第一和第二测量面上的用于产生纵波的第一线圈(即，线圈A)和用于产生横波的第二线圈(即，线圈B)。图5示出根据本发明的实施例的纵波和横波一体的电磁超声换能器的示意图。作为示例，图5中示出的电磁超声换能器采用永磁铁，但本发明不限于此。
如图5所示，电磁超声换能器202可包括2个测量面，用于产生纵波的第一线圈(即，线圈A)和用于产生横波的第二线圈(即，线圈B)分别被布置在第一和第二测量面上，通过将这两个测量面分别靠近被测样件的金属表面，控制电压电流即可产生纵波和横波。因此，可通过切换电磁超声换能器靠近被测螺栓的表面的第一和第二测量面来分别产生横波和纵波。
根据本发明的另一示例性实施例，参照图6，电磁超声换能器202可包括用于改变磁场方向的第一线圈(即，线圈A)和第二线圈(即，线圈B)以及用于产生横波和纵波的第三线圈(即，线圈B)。作为示例，图6中示出的电磁超声换能器采用软磁材料，但本发明不限于此。图6示出根据本发明的另一实施例的纵波和横波一体的电磁超声换能器的示意图。
如图6所示，电磁超声换能器202可包括1个测量面(例如，下侧)，第一线圈(即，线圈A)被布置为水平缠绕在电磁超声换能器202的磁体上，第二线圈(即，线圈B)被布置为垂直缠绕在电磁超声换能器202的磁体上，第三线圈(即，线圈B)被布置在作为电磁超声换能器202的下侧的测量面上，通过将电磁超声换能器202的测量面靠近被测螺栓的表面，并切换电磁超声换能器202的第一线圈和第二线圈的电流激励顺序以改变由软磁材料产生的磁场的方向来使第三线圈分别产生横波和纵波。
本发明的电磁超声换能器202不限于上述示例，可利用其它任何结构的用于产生纵波和横波的电磁超声换能器来实现。
超声测量器203可被配置为测量由电磁超声换能器202产生的横波在被测螺栓内的第一传播声时，测量由电磁超声换能器产生的纵波在被测螺栓内的第二传播声时。
环境温度测量器204可被配置为测量被测螺栓的当前环境温度。
厚度测量器205可被配置为被测螺栓的法兰厚度。
输入接口206可被配置为输入被测螺栓的型号和材料信息。
处理器207可被配置为执行以下操作：根据输入接口206输入的被测螺栓的型号和材料信息，从数据库中查找预先存储的被测螺栓的规格参数；基于环境温度测量器204测量的当前环境温度和数据库中预先存储的参考环境温度计算环境温度差；基于厚度测量器205测量的法兰厚度和数据库中预先存储的螺母高度计算被测螺栓的受应力作用部分的等效长度；基于第一传播声时、第二传播声时、第一参数、第二参数、环境温度差以及等效长度，计算被测螺栓所受的应力；基于螺栓直径计算被测螺栓的有效截面积，并基于被测螺栓所受的应力和被测螺栓的有效截面积，计算被测螺栓的轴力。
根据本发明的示例性实施例，当被测螺栓具有螺栓头时，处理器207在计算被测螺栓的受应力作用部分的等效长度时，需要考虑法兰厚度、螺母高度以及螺栓头高度，由于螺栓头高度等于螺母高度，因此，只需要考虑法兰厚度和两个螺母高度。具体地说，被测螺栓的受应力作用部分的等效长度＝螺母高度×2×有效系数+法兰厚度。其中，有效系数是根据实验数据得出的大于0且小于1经验系数，例如，有效系数可以是0.5，但有效系数不限于此。
此外，当被测螺栓为双头螺柱时，处理器207在计算被测螺栓的受应力作用部分的等效长度时，无需考虑螺栓头高度，因此，也只需要考虑法兰厚度和两个螺母高度。因此，处理器207同样可通过上述公式来计算被测螺栓的受应力作用部分的等效长度。
根据本发明的另一示例性实施例，当被测螺栓还具有与螺母配套的垫片时，数据库中存储的被测螺栓的规格参数还可包括与螺母配套的垫片的厚度。因此，处理器207在计算被测螺栓的受应力作用部分的等效长度时，需要考虑法兰厚度、两个螺母高度以及垫片的厚度。具体地说，被测螺栓的受应力作用部分的等效长度＝螺母高度×2×有效系数+法兰厚度+垫片的厚度。其中，有效系数是根据实验数据得出的大于0且小于1经验系数，例如，有效系数可以是0.5，但有效系数不限于此。
根据本发明的示例性实施例，处理器207可通过下面的公式来计算被测螺栓所受的应力：
其中，σ为被测螺栓所受的应力，Cs，0为被测螺栓在参考环境温度下且在不受应力时的横波声速，L1为被测螺栓的受应力作用部分的等效长度，kL为被测螺栓的纵波材料常数，α为被测螺栓的线性膨胀系数，ΔT为环境温度差，R0为被测螺栓在参考环境温度下且在不受应力时的纵横波声时之比、ts为第一传播声时，tL为第二传播声时，As和AL分别为被测螺栓的材料的横波的与声弹性常数有关的量和纵波的与声弹性常数有关的量。
然而，计算被测螺栓所受的应力的方法不限于上述公式，还可根据实践或经验对计算被测螺栓所受的应力的上述公式进行各种变形或简化。
根据本发明的示例性实施例，在计算出被测螺栓所受的应力之后，处理器207可通过下面的公式来计算被测螺栓的轴力：
F＝σSa
其中，F为被测螺栓的轴力，Sa为被测螺栓的有效截面积。
根据本发明的示例性实施例，处理器207还可被配置为将定期检测的被测螺栓的轴力存储到数据库(例如，存储器201中的数据库或云端服务器的数据库)中，并在数据库中统计被测螺栓的轴力趋势变化。例如，可对每个被测螺栓进行编号，通过身份识别技术(例如，二维码或者无线射频识别芯片等)来识别被测螺栓，在数据库中针对识别出的被测螺栓编号存储定期检测的轴力，并统计其轴力变化趋势。
根据本发明的示例性实施例，本发明的实施例的基于电磁超声技术检测螺栓的轴力的设备200还可包括信号异常检测器(未示出)。信号异常检测器可被配置为检测在被测螺栓内传播的横波或纵波的信号是否发生异常，例如，无反射信号或信号失真等。处理器207可根据检测结果确定螺栓是否发生损伤。例如，如果信号异常检测器检测出无反射信号或信号失真，则处理器207可确定螺栓发生破坏性损伤。这有利于及时发现螺栓问题，避免发生机械设备故障的风险。
根据本发明的示例性实施例，本发明的实施例的基于电磁超声技术检测螺栓的轴力的设备200还可包括输出接口(未示出)，例如，显示器、扬声器等。输出接口可向外部提供由处理器207计算的被测螺栓的轴力，由处理器207统计的被测螺栓的轴力变化趋势，或关于螺栓发生破坏性损伤的警报。
图7示出根据本发明的实施例的基于电磁超声技术检测螺栓的轴力的方法。
参照图7，在步骤701，可建立数据库，其中，数据库可存储参考环境温度以及螺栓的型号和材料对应的规格参数。这里，规格参数可包括螺栓直径、螺母高度、与材料相关的第一参数以及与温度和材料两者相关的第二参数等。根据本发明的实施例，在数据库中可按照螺栓的型号和/或材料来存储螺栓的规格参数。
根据本发明的示例性实施例，与材料相关的第一参数可包括螺栓的纵波材料常数和线性膨胀系数。
根据本发明的示例性实施例，与温度和材料两者相关的第二参数可包括螺栓在参考环境温度下且在不受应力时的横波声速和纵横波声时之比、螺栓材料的纵波的与声弹性常数有关的量和横波的与声弹性常数有关的量。
在步骤702，可通过将电磁超声换能器靠近被测螺栓的表面，利用电磁超声换能器在被测螺栓的表面产生横波，并可测量产生的横波在被测螺栓内的第一传播声时。
在步骤703，可通过将电磁超声换能器靠近被测螺栓的表面，利用电磁超声换能器在被测螺栓的表面产生纵波，并可测量产生的纵波在被测螺栓内的第二传播声时。
根据本发明的示例性实施例，电磁超声换能器可包括用于产生横波的第一电磁超声换能器和用于产生纵波的第二电磁超声换能器。可通过切换靠近被测螺栓的表面的第一电磁超声换能器和第二电磁超声换能器来分别产生横波和纵波。
根据本发明的另一示例性实施例，电磁超声换能器可包括用于产生横波的第一线圈和用于产生纵波的第二线圈。第一线圈和第二线圈可被分别布置在电磁超声换能器的第一和第二测量面上，并可通过切换电磁超声换能器的靠近被测螺栓的表面的第一和第二测量面来分别产生横波和纵波。
根据本发明的另一示例性实施例，电磁超声换能器可包括用于改变磁场方向的第一线圈和第二线圈以及用于产生横波和纵波的第三线圈。第一线圈可被布置为水平缠绕在电磁超声换能器的磁体上，第二线圈可被布置为垂直缠绕在电磁超声换能器的磁体上，第三线圈可被布置在作为电磁超声换能器下侧的测量面上，并可通过将电磁超声换能器的测量面靠近被测螺栓的表面，并切换电磁超声换能器的第一线圈和第二线圈的电流激励顺序以改变磁场方向来使第三线圈分别产生横波和纵波。
在步骤704，可输入被测螺栓的型号和材料信息，以从数据库中查找预先存储的被测螺栓的规格参数。
在步骤705，可测量被测螺栓的当前环境温度，以基于被测螺栓的当前环境温度和数据库中预先存储的参考环境温度计算环境温度差。
在步骤706，可测量被测螺栓的法兰厚度，以基于法兰厚度和螺母高度计算被测螺栓的受应力作用部分的等效长度。
根据本发明的示例性实施例，当被测螺栓具有螺栓头时，在计算被测螺栓的受应力作用部分的等效长度时，需要考虑法兰厚度、螺母高度以及螺栓头高度，由于螺栓头高度等于螺母高度，因此，只需要考虑法兰厚度和两个螺母高度。具体地说，被测螺栓的受应力作用部分的等效长度＝螺母高度×2×有效系数+法兰厚度。其中，有效系数是根据实验数据得出的大于0且小于1经验系数，例如，有效系数可以是0.5，但有效系数不限于此。
此外，当被测螺栓为双头螺柱时，在计算被测螺栓的受应力作用部分的等效长度时，无需考虑螺栓头高度，因此，也只需要考虑法兰厚度和两个螺母高度。因此，同样可通过上述公式来计算被测螺栓的受应力作用部分的等效长度。
根据本发明的另一示例性实施例，当被测螺栓还具有与螺母配套的垫片时，数据库中存储的被测螺栓的规格参数还可包括与螺母配套的垫片的厚度。因此，在计算被测螺栓的受应力作用部分的等效长度时，需要考虑法兰厚度、两个螺母高度以及垫片的厚度。具体地说，被测螺栓的受应力作用部分的等效长度＝螺母高度×2×有效系数+法兰厚度+垫片的厚度。其中，有效系数是根据实验数据得出的大于0且小于1经验系数，例如，有效系数可以是0.5，但有效系数不限于此。
在步骤707，可基于第一传播声时、第二传播声时、第一参数、第二参数、环境温度差以及等效长度，计算被测螺栓所受的应力。
根据本发明的示例性实施例，可通过下面的公式来计算被测螺栓所受的应力：
其中，σ为被测螺栓所受的应力，Cs，0为被测螺栓在参考环境温度下且在不受应力时的横波声速，L1为被测螺栓的受应力作用部分的等效长度，kL为被测螺栓的纵波材料常数，α为被测螺栓的线性膨胀系数，ΔT为环境温度差，R0为被测螺栓在参考环境温度下且在不受应力时的纵横波声时之比、ts为第一传播声时，tL为第二传播声时，As和AL分别为被测螺栓的材料的横波的与声弹性常数有关的量和纵波的与声弹性常数有关的量。
然而，计算被测螺栓所受的应力的方法不限于上述公式，还可根据实践或经验对计算被测螺栓所受的应力的上述公式进行各种变形或简化。
在步骤708，可基于螺栓直径计算被测螺栓的有效截面积，并可基于被测螺栓所受的应力和被测螺栓的有效截面积，计算被测螺栓的轴力。
根据本发明的示例性实施例，可通过下面的公式来计算被测螺栓的轴力：
F＝σSa
其中，F为被测螺栓的轴力，Sa为被测螺栓的有效截面积。
根据本发明的示例性实施例，基于电磁超声技术检测螺栓的轴力的方法还可包括将定期检测的被测螺栓的轴力存储到数据库(例如，建立的数据库或云端服务器的数据库)中，并在数据库中统计被测螺栓的轴力趋势变化。例如，可对每个被测螺栓进行编号，通过身份识别技术(例如，二维码或者无线射频识别芯片等)来识别被测螺栓，在数据库中针对识别出的被测螺栓编号存储定期检测的轴力，并统计其轴力变化趋势。
根据本发明的示例性实施例，基于电磁超声技术检测螺栓的轴力的方法还可包括检测在被测螺栓内传播的横波或纵波的信号是否发生异常，例如，无反射信号或信号失真等，并可根据检测结果确定螺栓是否发生损伤。例如，如果信号异常检测器检测出无反射信号或信号失真，则处理器207可确定螺栓发生破坏性损伤。这有利于及时发现螺栓问题，避免发生机械设备故障的风险。
根据本发明的示例性实施例，基于电磁超声技术检测螺栓的轴力的方法还可包括向外部提供计算的被测螺栓的轴力，统计的被测螺栓的轴力变化趋势，或关于螺栓发生破坏性损伤的警报。
本发明提供了一种电磁超声技术检测螺栓的轴力的方法和设备，该方法和设备使用电磁超声换能器，无需在螺栓表面涂抹耦合剂，也不存在接触压力变化的干扰，并且不用测量螺栓原长，就能够直接测得在于现役螺栓轴力，改变了传统的定检打螺栓力矩的方式，节省了大量的人力物力，能够方便准确地测量现役螺栓的轴力。
此外，根据本发明的电磁超声技术检测螺栓的轴力的方法和设备还能够在螺栓轴力的测量过程中，通过超声波的信号可以分析出发生破坏性损伤的螺栓。
此外，根据本发明的电磁超声技术检测螺栓的轴力的方法和设备还能够对定期检测的每个螺栓的轴力进行数据库备份，并统计每个螺栓的轴力变化趋势。
虽然本发明是参照其示例性的实施例被显示和描述的，但是本领域的技术人员应该理解，在不脱离由权利要求及其等同物限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其形式和细节进行各种改变。

Claims (24)

1.一种基于电磁超声技术检测螺栓的轴力的方法，其特征在于，包括：
建立数据库，其中，数据库存储参考环境温度以及螺栓的型号和材料对应的规格参数，其中，规格参数包括螺栓直径、螺母高度、与材料相关的第一参数以及与温度和材料两者相关的第二参数；
通过将电磁超声换能器靠近被测螺栓的表面，利用电磁超声换能器在被测螺栓的表面产生横波，并测量产生的横波在被测螺栓内的第一传播声时；
通过将电磁超声换能器靠近被测螺栓的表面，利用电磁超声换能器在被测螺栓的表面产生纵波，并测量产生的纵波在被测螺栓内的第二传播声时；
输入被测螺栓的型号和材料信息，以从数据库中查找预先存储的被测螺栓的规格参数；
测量被测螺栓的当前环境温度，以基于被测螺栓的当前环境温度和数据库中预先存储的参考环境温度计算环境温度差；
测量被测螺栓的法兰厚度，以基于法兰厚度和螺母高度计算被测螺栓的受应力作用部分的等效长度；
基于第一传播声时、第二传播声时、第一参数、第二参数、环境温度差以及等效长度，计算被测螺栓所受的应力；
基于螺栓直径计算被测螺栓的有效截面积，并基于被测螺栓所受的应力和被测螺栓的有效截面积，计算被测螺栓的轴力。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：第一参数包括螺栓的纵波材料常数和线性膨胀系数。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：第二参数包括螺栓在参考环境温度下且在不受应力时的横波声速和纵横波声时之比、螺栓材料的纵波的与声弹性常数有关的量和横波的与声弹性常数有关的量。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：电磁超声换能器包括用于产生横波的第一电磁超声换能器和用于产生纵波的第二电磁超声换能器，
其中，通过切换靠近被测螺栓的表面的第一电磁超声换能器和第二电磁超声换能器来分别产生横波和纵波。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：电磁超声换能器包括用于产生横波的第一线圈和用于产生纵波的第二线圈，
其中，第一线圈和第二线圈被分别布置在电磁超声换能器的第一和第二测量面上，通过切换电磁超声换能器靠近被测螺栓的表面的第一和第二测量面来分别产生横波和纵波。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：电磁超声换能器包括用于改变磁场方向的第一线圈和第二线圈以及用于产生横波和纵波的第三线圈，
其中，第一线圈被布置为水平缠绕在电磁超声换能器的磁体上，第二线圈被布置为垂直缠绕在电磁超声换能器的磁体上，第三线圈被布置在作为电磁超声换能器下侧的测量面上，通过将电磁超声换能器的测量面靠近被测螺栓的表面，并切换电磁超声换能器的第一线圈和第二线圈的电流激励顺序以改变磁场方向来使第三线圈分别产生横波和纵波。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于：计算被测螺栓的受应力作用部分的等效长度的步骤包括：
通过下列等式计算被测螺栓的受应力作用部分的等效长度：
被测螺栓的受应力作用部分的等效长度＝螺母高度×2×有效系数+法兰厚度，
其中，有效系数大于0且小于1。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于：规格参数还包括与螺母配套的垫片的厚度，
其中，计算被测螺栓的受应力作用部分的等效长度的步骤包括：
通过下列等式计算被测螺栓的受应力作用部分的等效长度：
被测螺栓的受应力作用部分的等效长度＝螺母高度×2×有效系数+法兰厚度+垫片的厚度，
其中，有效系数大于0且小于1。
9.如权利要求3所述的方法，其特征在于：计算被测螺栓所受的应力的步骤包括：
通过下面的公式计算被测螺栓所受的应力：
其中，σ为被测螺栓所受的应力，Cs，0为被测螺栓在参考环境温度下且在不受应力时的横波声速，L1为被测螺栓的受应力作用部分的等效长度，kL为被测螺栓的纵波材料常数，α为被测螺栓的线性膨胀系数，ΔT为环境温度差，R0为被测螺栓在参考环境温度下且在不受应力时的纵横波声时之比、ts为第一传播声时，tL为第二传播声时，As和AL分别为被测螺栓的材料的横波声弹性常数和纵波声弹性常数。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于：计算被测螺栓的轴力的步骤包括：
通过下面的公式计算被测螺栓的轴力：
F＝σSa
其中，F为被测螺栓的轴力，Sa为被测螺栓的有效截面积。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：检测在被测螺栓内传播的横波或纵波的信号是否发生异常，并根据检测结果确定螺栓是否发生损伤。
12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：将定期检测的被测螺栓的轴力存储到建立的数据库或云端服务器的数据库中，并统计被测螺栓的轴力变化趋势。
13.一种基于电磁超声技术检测螺栓的轴力的设备，其特征在于：
存储器，被配置为存储数据库，其中，数据库存储参考环境温度以及螺栓的型号和材料对应的规格参数，其中，规格参数包括螺栓直径、螺母高度、与材料相关的第一参数以及与温度和材料两者相关的第二参数；
电磁超声换能器，被配置为通过靠近被测螺栓的表面，在被测螺栓的表面产生横波和纵波；
超声测量器，被配置为测量由电磁超声换能器产生的横波在被测螺栓内的第一传播声时，测量由电磁超声换能器产生的纵波在被测螺栓内的第二传播声时；
环境温度测量器，被配置为测量被测螺栓的当前环境温度；
厚度测量器，被配置为被测螺栓的法兰厚度；
输入接口，被配置为输入被测螺栓的型号和材料信息；
处理器，被配置为执行以下操作：
根据输入的被测螺栓的型号和材料信息，从数据库中查找预先存储的被测螺栓的规格参数；
基于测量的当前环境温度和数据库中预先存储的参考环境温度计算环境温度差；
基于测量的法兰厚度和数据库中预先存储的螺母高度计算被测螺栓的受应力作用部分的等效长度；
基于第一传播声时、第二传播声时、第一参数、第二参数、环境温度差以及等效长度，计算被测螺栓所受的应力；
基于螺栓直径计算被测螺栓的有效截面积，并基于被测螺栓所受的应力和被测螺栓的有效截面积，计算被测螺栓的轴力。
14.如权利要求13所述的设备，其特征在于：第一参数包括螺栓的纵波材料常数和线性膨胀系数。
15.如权利要求14所述的设备，其特征在于：第二参数包括螺栓在参考环境温度下且在不受应力时的横波声速和纵横波声时之比、螺栓材料的纵波的与声弹性常数有关的量和横波的与声弹性常数有关的量。
16.如权利要求13所述的设备，其特征在于：电磁超声换能器包括用于产生横波的第一电磁超声换能器和用于产生纵波的第二电磁超声换能器，
其中，通过切换靠近被测螺栓的表面的第一电磁超声换能器和第二电磁超声换能器来分别产生横波和纵波。
17.如权利要求13所述的设备，其特征在于：电磁超声换能器包括用于产生横波的第一线圈和用于产生纵波的第二线圈，
其中，第一线圈和第二线圈被分别布置在电磁超声换能器的第一和第二测量面上，通过切换电磁超声换能器靠近被测螺栓的表面的第一和第二测量面来分别产生横波和纵波。
18.如权利要求13所述的设备，其特征在于：电磁超声换能器包括用于改变磁场方向的第一线圈和第二线圈以及用于产生横波和纵波的第三线圈，
其中，第一线圈被布置为水平缠绕在电磁超声换能器的磁体上，第二线圈被布置为垂直缠绕在电磁超声换能器的磁体上，第三线圈被布置在作为电磁超声换能器下侧的测量面上，通过将电磁超声换能器的测量面靠近被测螺栓的表面，并切换电磁超声换能器的第一线圈和第二线圈的电流激励顺序以改变磁场方向来使第三线圈分别产生横波和纵波。
19.如权利要求13所述的设备，其特征在于：处理器被配置为：通过下列等式计算被测螺栓的受应力作用部分的等效长度：
被测螺栓的受应力作用部分的等效长度＝螺母高度×2×有效系数+法兰厚度，
其中，有效系数大于0且小于1。
20.如权利要求13所述的设备，其特征在于：规格参数还包括与螺母配套的垫片的厚度，
其中，处理器被配置为：通过下列等式计算被测螺栓的受应力作用部分的等效长度：
被测螺栓的受应力作用部分的等效长度＝螺母高度×2×有效系数+法兰厚度+垫片的厚度，
其中，有效系数大于0且小于1。
21.如权利要求15所述的设备，其特征在于：处理器被配置为：通过下面的公式计算被测螺栓所受的应力：
其中，σ为被测螺栓所受的应力，Cs，0为被测螺栓在参考环境温度下且在不受应力时的横波声速，L1为被测螺栓的受应力作用部分的等效长度，kL为被测螺栓的纵波材料常数，α为被测螺栓的线性膨胀系数，ΔT为环境温度差，R0为被测螺栓在参考环境温度下且在不受应力时的纵横波声时之比、ts为第一传播声时，tL为第二传播声时，As和AL分别为被测螺栓的材料的横波声弹性常数和纵波声弹性常数。
22.如权利要求21所述的设备，其特征在于：处理器被配置为：通过下面的公式计算被测螺栓的轴力：
F＝σSa
其中，F为被测螺栓的轴力，Sa为被测螺栓的有效截面积。
23.如权利要求13所述的设备，其特征在于，还包括：信号异常检测器，被配置为检测在被测螺栓内传播的横波或纵波的信号是否发生异常，
其中，处理器还被配置为根据检测结果确定螺栓是否发生损伤。
24.如权利要求13所述的设备，其特征在于，处理器还被配置为将定期检测的被测螺栓的轴力存储到存储器中的数据库或云端服务器的数据库中，并统计被测螺栓的轴力变化趋势。
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