CN108387338A - 一种基于压电超声晶片的螺栓预紧力实时高精度检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于压电超声晶片的螺栓预紧力实时高精度检测方法及系统。采用压电超声晶片作为超声激励源粘贴于螺栓头部，利用超声波单波飞行时间差随应力值变化规律，建立起超声波飞行时间差与螺栓预紧力之间的高精度拟合关系；从而利用该数学关系式，实现螺栓预紧力的实时检测。本发明与以往用超声探头的方法相比，消除了耦合剂厚度不确定性所带来的误差，利用单波飞行时间差的方式，进一步提高了测量精度。同时以较低的成本以及在不影响结构性能的情况下，实现螺栓预紧力的低误差率测量。

Description

一种基于压电超声晶片的螺栓预紧力实时高精度检测方法及 系统

技术领域

本发明属于预紧力检测技术领域，具体的为一种基于压电超声晶片的螺栓预紧力实时高精度检测方法及系统。

背景技术

螺栓作为常用的连接件，在工程中应用十分广泛。施加于其上的轴向预紧力对它的性能、寿命都有很大的影响。预紧力过小会造成连接的不可靠，工作时产生振动松弛、泄露、结构滑移等现象，从而影响机器的正常工作；预紧力过大则会增加螺栓的结构尺寸，导致螺栓在载荷作用下极易断裂，从而削弱该节点的承载力，严重时可能诱发结构失稳。螺栓内部的应力测量可以预防事故的发生，保证螺栓受力均匀，优化螺栓在几何尺寸和质量等方面的设计。因此，科学准确地测量预紧力大小的研究越来越得到人们的重视。

目前，螺栓预紧力的检测方法主要有扭矩扳手法、固定应变片法、压力传感器法、超声检测法。扭矩扳手法虽然简单易用，但是由于螺纹摩擦以及端面摩擦的分散性，导致测量误差一般在40％以上；固定应变片法通过在螺栓侧壁上粘贴应变片进行测量，但是其测量值仅为螺栓侧壁应力情况，并且其在装配上，存在很大的限制；压力传感器法虽然测量精度高，但是破坏了工件的整体性和完整性，有时还因几何空间的限制，导致无法安装。

超声检测法是一种新式方法，而现有的检测方法基本都采用超声探头进行检测，由于超声探头的使用中必须使用耦合剂，而耦合剂的厚度是不可控的，同时也由于超声探头的重复性较差，其导致的误差基本在10％左右，而且超声探头的购买成本也较高。而利用压电超声晶片直接粘贴在螺栓头部，免去了耦合剂的使用及其带来的误差(保证了很高的重复性)，利用单波测量的特性进一步提高测量进度，使误差控制在1％左右，于此同时也大大降低了预紧力的检测成本，为螺栓在位检测提供了一种更为精确、方便的测试方式。

发明内容

针对现有的预紧力检测方法的不足，以及克服超声探头带来的误差以及高成本，本发明提供了一种基于压电超声晶片的螺栓预紧力实时高精度检测方法及系统。本发明采用在螺栓头部粘贴压电超声晶片，替代了超声探头，大大提高了测量的重复性；利用第一次回波飞行时间差表征预紧力变化，避免了双波时间差的低分辨率误差。利用单波的变化的高分辨率测量取代了双波的变化的低分辨率测量，进一步提高了测量精度。

本发明的技术方案：

一种基于压电超声晶片的螺栓预紧力实时高精度检测系统，包括PC端1、FPGA模块2、采集模块3、放大器4、K型热电偶温度传感器5、超声收发器6、示波器7、压电超声晶片8、上连接板9、压力传感器10、贴有晶片的螺栓11和下连接板12；压力传感器10位于上连接板9和下连接板12之间，螺栓依次插入至其中，螺栓头部中央贴有压电超声晶片8；压电超声晶片8与超声收发器6连接，超声收发器6和示波器7连接，示波器7与PC端1进行数据传输；压力传感器10上放置K型热电偶温度传感器5，其输出信号经过放大器4进行信号放大，同时利用采集模块3对K型热电偶温度传感器5以及压力传感器10进行信号采集，将采集模块3采集后的信号传输到FPGA模块2，FPGA模块2通过串口通信将采集的信号传输到PC端1。

一种基于压电超声晶片的螺栓预紧力实时高精度检测方法，步骤如下：

(1)基于单波飞行时间差的预紧力测试模型建立：

通过检测飞行时间差即第一次反射波的第一个波与第二次反射波的第一个波之间的时间差，来表征预紧力的服役情况，通过理论推导出其关系模型如下：

其中，F为预紧力，V₀为初始超声声速，A_L为超声应力系数，E为材料弹性模量，S_e为螺栓横截面积，L_e为螺栓有效加紧长度，α_t为纵波声速随温度变化的系数，β为材料膨胀系数，ΔT为温度的改变量，Δt为超声单波飞行时间差；

由上式看出预紧力大小与超声波的飞行时间差存在近似线性的关系，利用直线拟合的方式即在无须测量材料属性的情况下，进行预紧力的检测；

(2)单波飞行时间差与螺栓预紧力关系拟合步骤：

1)确保在此关系建立过程中，温度不存在变化的情况，以及操作之前压力传感器的数值为零；

2)在螺栓头部中央粘贴对应的压电超声晶片8，作为发射器和接收器；

3)将压电超声晶片8与超声收发器6连接，使用单发单收功能，在发射超声波信号的同时接收超声波信号；随后将超声收发器6和示波器7连接，示波器7与PC端1进行数据传输；

4)在压力传感器10上放置磁性探头的K型热电偶温度传感器5，其输出信号经过放大器4进行信号放大，同时利用采集模块3对K型热电偶温度传感器5以及压力传感器10进行信号采集，将采集模块3采集后的信号传输到FPGA模块2，FPGA模块2通过串口通信将采集的信号传输到PC端1；

5)对螺栓施加一定的预紧力，使压力传感器10的压力信号发生改变；

6)在确保温度不变的情况下，采集超声波信号，并对其进行高通和低通滤波处理，计算出此时超声的相位以及与初始状态的相位差，将此时记录的超声相位和预紧力大小作为一组对应值；

7)从螺栓松弛状态开始，不断增加预紧力的大小，每个预紧力值对应一个超声相位值，重复5)和6)，一直增加到螺栓的额定预紧力范围；

8)将采集得到的超声相位差与预紧力建立数组，通过直线拟合，得出超声相位差T与预紧力F之间的拟合关系；之后将对应材料的超声温度系数加上，得出预紧力F与超声相位差T和温度t之间的数学表达式F＝f(T，t)；

(3)利用数学关系式进行螺栓预紧力的实时检测

1)对初始状态，即无预紧力状态，进行超声的相位采集和计算，同时采集初始状态的温度值和压力值；

2)进行预紧力的施加，重新采集此时超声的相位情况，并计算出相应的超声相位差；

3)利用得出的预紧力与超声相位差和温度之间的数学关系式F＝f(T,t)，将采集的温度值以及计算出的超声相位差代入其中，计算出预测的预紧力大小。

本发明的有益效果：本发明与以往用超声探头的方法相比，消除了耦合剂厚度不确定性所带来的误差，利用单波飞行时间差的方式，进一步提高了测量精度。同时以较低的成本以及在不影响结构性能的情况下，实现螺栓预紧力的低误差率测量。

附图说明

图1是本发明的螺栓预紧力检测系统图。

图2是螺栓预紧力检测流程图。

图3是超声飞行时间差与预紧力的拟合直线图。

图中：1PC端；2FPGA模块；3采集模块；4放大器；

5K型热电偶温度传感器；6超声收发器；7示波器；8压电超声晶片；

9上连接板；10压力传感器；11贴有晶片的螺栓；12下连接板。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

一种基于压电超声晶片的螺栓预紧力实时高精度检测方法，步骤如下：

1.基于单波飞行时间差的预紧力测试模型

通过检测飞行时间差(第一次反射波的第一个波与第二次反射波的第一个波之间的时间差)，来表征预紧力的服役情况。

在均匀和各向同性材料的平面波情况下，纵向波的速度与所施加的应力方向相同，可以用它们的一阶近似来表示为

V_L＝V₀(1+A_Lσ)

其中，V_L为应力状态下纵波的传播速度，V₀为无应力状态下纵波的传播速度，A_L为超声应力系数，σ为螺栓应力大小。

对于受到预紧力的螺栓，总长度由受力部分和不受力部分组成。考虑到这个事实，假定初始螺栓长度是夹紧长度和未受力长度之和，即如下关系式。

L＝L₀+L_e

其中，L为无预紧力时的螺栓总长度，L₀为无预紧力时的未受力长度，L_e为无预紧力时的夹紧长度。

假设Le受到均匀的单轴应力σ，于是有如下关系式

其中，E为材料的弹性模量。L_σ为受到预紧力时的夹紧长度，t为超声波飞行时间。

对其进行一阶展开，并与初始状态相减，得

考虑到温度对螺栓的伸长以及超声波的声速产生影响，于是得到以下关系：

其中，α_t为纵波声速随温度变化的系数，其值至于材料属性有关，β为螺栓的温度膨胀系数，S_e为有效截面积，F为施加的预紧力。

根据上述，可以变换得到：

由上式可以看出预紧力大小与超声波的飞行时间差存在近似线性的关系，利用直线拟合的方式即可在不用测量材料属性的情况下，就可以容易的进行预紧力的检测。

2.预紧力测量系统结构及工作原理

下面结合附图对本发明进一步说明：

该发明分为两个部分，如图1和图2所示，

步骤1：建立螺栓预紧力的数学表达关系。

1)确保在此关系建立过程中，温度不存在突变或者变化较大的情况，以及操作之前压力传感器的数值为零；

2)在M10的螺栓头部中央粘贴厚度为0.4mm的压电超声晶片8，保证晶片的覆盖面积在螺杆范围之间。利用逆压电效应和正压电效应，将晶片8作为超声发射器和超声接收器。

3)将压电超声晶片8与PR5700超声收发器6连接，使用T/R单发单收的功能，在发射超声波的同时接收超声波信号；随后将PR5700超声收发器6和TDS3012示波器7用BNC线连接，示波器7与PC端1通过GPIB进行数据传输。

4)在压力传感器上放置磁性探头的K型热电偶温度传感器5，其输出信号经过AD8495放大器4进行信号放大，同时利用AD7606采集模块3对热电偶温度传感器4以及压力传感器10进行信号采集，将AD采集后的信号传输到FPGA模块2。FPGA模块2通过串口通信将采集的信号传输到PC端1,利用labview进行数据综合以及数据处理。

5)将上连接板9、压力传感器10、下连接板12、贴有晶片的螺栓11的轴线保持一致，通过力矩扳手对贴有晶片的螺栓11施加一定的预紧力，使压力传感器的压力信号发生改变。

6)在确保温度t没突变的情况下，采集超声信号，并对其进行高通和低通滤波处理，计算出此时超声的相位以及与初始状态的相位差T。将此时记录的超声相位和预紧力大小作为一组对应值。

7)从螺栓松弛状态开始，不断通过扳手增加预紧力的大小，使每个预紧力值对应一个超声相位值，重复5)和6)，一直增加到螺栓的额定预紧力范围。

8)将之前通过采集得到的超声相位差与预紧力建立数组，通过直线拟合，得出超声相位差T与预紧力F之间的拟合关系。

F＝kT+b

其中F为预紧力,T为超声相位差，k为拟合斜率，b为拟合截距。

根据声弹性理论，将对应材料的超声温度系数z加上，得出预紧力F与超声相位差T和温度t之间的数学表达式F＝f(T，t)。

步骤2：利用数学关系式进行螺栓预紧力的实时检测

1)对初始状态，即无预紧力状态，进行超声的相位采集和计算。同时采集初始状态的温度值和压力值。

2)通过扳手进行预紧力的施加，重新采集此时超声的相位情况，并计算出相应的超声相位差

3)利用之前得出的预紧力与超声相位差和温度之间的数学关系式F＝f(T，t)，将采集的温度值以及计算出的超声相位差代入其中，计算出预测的预紧力大小。

Claims (2)

1.一种基于压电超声晶片的螺栓预紧力实时高精度检测系统，其特征在于，所述的基于压电超声晶片的螺栓预紧力实时高精度检测系统包括PC端(1)、FPGA模块(2)、采集模块(3)、放大器(4)、K型热电偶温度传感器(5)、超声收发器(6)、示波器(7)、压电超声晶片(8)、上连接板(9)、压力传感器(10)、贴有晶片的螺栓(11)和下连接板(12)；压力传感器(10)位于上连接板(9)和下连接板(12)之间，螺栓依次插入至其中，螺栓头部中央贴有压电超声晶片(8)；压电超声晶片(8)与超声收发器(6)连接，超声收发器(6)和示波器(7)连接，示波器(7)与PC端(1)进行数据传输；压力传感器(10)上放置K型热电偶温度传感器(5)，其输出信号经过放大器(4)进行信号放大，同时利用采集模块(3)对K型热电偶温度传感器(5)以及压力传感器(10)进行信号采集，将采集模块(3)采集后的信号传输到FPGA模块(2)，FPGA模块(2)通过串口通信将采集的信号传输到PC端(1)。

2.一种基于压电超声晶片的螺栓预紧力实时高精度检测方法，其特征在于，步骤如下：

(1)基于单波飞行时间差的预紧力测试模型建立：

通过检测飞行时间差即第一次反射波的第一个波与第二次反射波的第一个波之间的时间差，来表征预紧力的服役情况，通过理论推导出其关系模型如下：

其中，F为预紧力，V₀为初始超声声速，A_L为超声应力系数，E为材料弹性模量，S_e为螺栓横截面积，L_e为螺栓有效加紧长度，α_t为纵波声速随温度变化的系数，β为材料膨胀系数，ΔT为温度的改变量，Δt为超声单波飞行时间差；

由上式看出预紧力大小与超声波的飞行时间差存在近似线性的关系，利用直线拟合的方式即在无须测量材料属性的情况下，进行预紧力的检测；

(2)单波飞行时间差与螺栓预紧力关系拟合步骤：

1)确保在此关系建立过程中，温度不存在变化的情况，以及操作之前压力传感器的数值为零；

2)在螺栓头部中央粘贴对应的压电超声晶片(8)，作为发射器和接收器；

3)将压电超声晶片(8)与超声收发器(6)连接，使用单发单收功能，在发射超声波信号的同时接收超声波信号；随后将超声收发器(6)和示波器(7)连接，示波器(7)与PC端(1)进行数据传输；

4)在压力传感器(10)上放置磁性探头的K型热电偶温度传感器(5)，其输出信号经过放大器(4)进行信号放大，同时利用采集模块(3)对K型热电偶温度传感器(5)以及压力传感器(10)进行信号采集，将采集模块(3)采集后的信号传输到FPGA模块(2)，FPGA模块(2)通过串口通信将采集的信号传输到PC端(1)；

5)对螺栓施加一定的预紧力，使压力传感器(10)的压力信号发生改变；

6)在确保温度不变的情况下，采集超声波信号，并对其进行高通和低通滤波处理，计算出此时超声的相位以及与初始状态的相位差，将此时记录的超声相位和预紧力大小作为一组对应值；

7)从螺栓松弛状态开始，不断增加预紧力的大小，每个预紧力值对应一个超声相位值，重复5)和6)，一直增加到螺栓的额定预紧力范围；

8)将采集得到的超声相位差与预紧力建立数组，通过直线拟合，得出超声相位差T与预紧力F之间的拟合关系；之后将对应材料的超声温度系数加上，得出预紧力F与超声相位差T和温度t之间的数学表达式F＝f(T，t)；

(3)利用数学关系式进行螺栓预紧力的实时检测

1)对初始状态，即无预紧力状态，进行超声的相位采集和计算，同时采集初始状态的温度值和压力值；

2)进行预紧力的施加，重新采集此时超声的相位情况，并计算出相应的超声相位差；

3)利用得出的预紧力与超声相位差和温度之间的数学关系式F＝f(T,t)，将采集的温度值以及计算出的超声相位差代入其中，计算出预测的预紧力大小。