CN108692853A - 螺栓应力与内部缺陷实时在线监测方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种螺栓应力与内部缺陷实时在线监测方法与系统。采用超声波理论模型对螺栓进行应力和缺陷分析，研究不同螺栓在不同工况下的运行特性和特征缺陷图谱，可建立螺栓应力和缺陷大数据库。通过多通道螺栓应力及缺陷监测系统，可同时监测多个螺栓并获得完整的螺栓应力和缺陷数据，具有实时预警报警的功能，使用大数据云服务，实现了移动终端查询和远程客户端控制和缺陷诊断，是防止螺栓连接失效、避免事故的有效方法。

Description

螺栓应力与内部缺陷实时在线监测方法与系统

技术领域

本发明涉及螺栓应力监测技术领域，特别涉及一种螺栓应力与内部缺陷实时在线监测方法与系统。

背景技术

作为紧固件的螺栓已广泛应用于铁路桥梁、水电水利、风电核电、交通运输、航空航天等领域,科学地控制螺栓轴向预紧力的大小以及及早发现螺栓内部缺陷对设备的安全运行,提高设备寿命等都有重要的意义。由于栓体结构的特殊性以及轴向加载后螺纹部分的形变，给螺栓轴向应力测量带来了非常大的不确定性以及测量难度，近几十年来国内外都在积极地探索解决这一问题的办法。目前，工业现场常用扭力扳手来简易确定螺栓轴向应力值大小，用扭矩推算螺栓轴向力的关键是使螺纹之间及螺母与构件间的摩擦系数恒定。这在实际工作中是不可能的,因为控制力矩是达不到控制螺栓轴向力的。

除此以外，采用脉冲回波反射法、渡越时间法、相位法等技术的超声纵波螺栓轴向应力的无损检测技术也能够有效的获取螺栓轴向应力值大小，但针对已安装螺栓或埋深地脚螺栓等原长度未知的栓体轴向应力测量则无能为力。

发明内容

本发明的目的一是提供一种螺栓应力与内部缺陷实时在线监测方法，其具有检测螺栓应力和缺陷的功能。

本发明的上述技术目的一是通过以下技术方案得以实现的：

一种螺栓应力与内部缺陷实时在线监测方法，包括以下步骤：S1：发射高频超声波，使高频超声波经过螺栓；S2：接收高频超声波从螺栓端面反射回的回波；S3：将接收到的回波中横波与纵波之间的声时差，同纵波、横波与螺栓长度关系图谱对比，获得螺栓长度，根据螺栓长度与纵波、横波的周期计算出纵波和横波的传播速度，同纵波、横波传播速度与应力关系图谱比对，获得应力大小。

进一步的，在步骤S3之前，检测螺栓所在环境的环境温度，根据环境温度调取对应温度下的纵波、横波传播速度与应力关系图谱。

进一步的，获取纵波、横波与螺栓长度关系图谱的方法为：对与被测对象相同材质的螺栓在不受载荷的情况下，进行测试和标定，标定出纵波和横波的声时差，通过加载装置，测量出不同载荷、不同温度下的纵波、横波的声时差，通过数值处理和模拟，得到纵波、横波与螺栓长度关系图谱。

进一步的，获取纵波、横波传播速度与应力关系图谱的方法为：对与被测对象相同材质的螺栓在不受载荷的情况下，进行测试和标定，标定出纵波和横波的传播速度，通过加载装置，测量出不同载荷、不同温度下的纵波、横波传播速度，通过数值处理和模拟，得到纵波、横波传播速度与应力关系图谱。

进一步的，在步骤S3中接收到的回波中有杂波时，则判断该螺栓中存在缺陷，根据回波间杂波的位置、大小同杂波与缺陷的关系图谱比对，获得缺陷在螺栓中的部位和大小。

进一步的，获取杂波与缺陷的关系图谱的方法为：人为制造螺纹底部缺陷，通过测量回波间杂波的位置、大小，确定缺陷的部位和大小，通过数值处理和数据拟合，得到杂波与缺陷的关系图谱。

本发明的目的二是提供一种螺栓应力与内部缺陷实时在线监测系统，其具有检测螺栓应力和缺陷的功能。

本发明的上述技术目的二是通过以下技术方案得以实现的：

一种螺栓应力与内部缺陷实时在线监测系统，所述系统包括：高频信号发生器，用于输出高频信号；超声波传感器，用于向螺栓发射高频超声波和接收回波，将回波转化为电信号输出；高压切换开关，连接于高频信号发生器和超声波传感器之间，用于将高频信号轮流输入至多个超声波传感器，并轮流将多个超声波传感器输出的电信号限副输入至数据采集系统；数据采集系统，与高压切换开关信号连接，用于采集电信号并转化为数字信号，读取数字信号中的纵波信号和横波信号作为采样数据并存储；现地服务器，与数据采集系统信号连接，用于读取采样数据并存储到数据库，根据采样数据将接收到的回波中横波与纵波之间的声时差，同纵波、横波与螺栓长度关系图谱对比，获得螺栓长度，根据螺栓长度与纵波、横波的周期计算出纵波和横波的传播速度，同纵波、横波传播速度与应力关系图谱比对，获得应力大小，若应力异常则报警。

进一步的，所述现地服务器还可根据采样数据，判断回波中是否有杂波，并根据杂波在回波中的位置和大小确定缺陷的部位和大小，在发现有杂波时报警。

进一步的，所述系统还包括云端服务系统，与现地服务器信号连接，用于接收现地服务器发送的螺栓应力及缺陷实时在线监测数据，并通过云端服务器与软件平台将数据发送至远程客户端。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

(1)根据回波中纵波与横波的传播速度，同纵波、横波传播速度与应力关系图谱，可获得螺栓的应力，并在应力异常时报警；

(2)在回波中有杂波的情况下，通过回波间杂波的位置、大小同杂波与缺陷的关系图谱比对，获得缺陷在螺栓中的部位和大小，并且报警。

附图说明

图1是本发明实施例的方法框图；

图2是本发明实施例回波的波形图；

图3是本发明实施例的系统框图。

图中，1、高频信号发生器；2、超声波传感器；3、高压切换开关；4、数据采集系统；5、现地服务器；6、云端服务系统。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的保护范围内都受到专利法的保护。

为了方便理解本实施例的原理，下面先对声弹性现象进行描述。

超声波波速随应力状态改变而变化的现象，称为声弹性现象。根据非线性声学理论，以纵波为例，当超声纵波在固体中传播时，其波速和应力以及三阶弹性常数之间的关系如下：

式中v——纵波沿应力方向的波速

C₀——介质无应力时的纵波波速

σ——应力

λ，u——拉曼常数

j，m——三阶弹性常数

ρ₀——介质密度

由此可知，声速随应力的增加是减小的。

温度对声速的影响为：

V(t)＝C(1-aΔt)

式中：C——为初始温度下超声波的波速；

V(t)——温度为t时超声波的波速；

a——超声波的波速随温度变化的声速系数；

Δt——温度变化；

由此可知，随着温度的增加，声速也是随之减小。

如图1所示，一种螺栓应力与内部缺陷实时在线监测方法，包括以下步骤：

S1：发射高频超声波，使高频超声波经过螺栓；

具体地，超声波在螺栓中传播时会产生纵波和横波，纵波和横波遇到界面时会产生回波，纵波和横波的多次回波间，对于内部无缺陷的螺栓，理论上多次回波间没有杂波。

S2：接收高频超声波从螺栓端面反射回的回波；

S3：将接收到的回波中横波与纵波之间的声时差，同纵波、横波与螺栓长度关系图谱对比，获得螺栓长度，根据螺栓长度与纵波、横波的周期计算出纵波和横波的传播速度，同纵波、横波传播速度与应力关系图谱比对，获得应力大小。

具体地，如上述波速和应力以及三阶弹性常数之间的关系公式，应力与波速有关，而需要获得波速，则需要得到螺栓的长度和纵波、横波的周期。纵波、横波的周期可以通过数据采集直接得到，而螺栓的长度可通过计算横波与纵波之间的声时差，同纵波、横波与螺栓长度关系图谱对比，从而获得螺栓长度。获取纵波、横波与螺栓长度关系图谱的方法为：对与被测对象相同材质的螺栓在不受载荷的情况下，进行测试和标定，标定出纵波和横波的声时差，通过加载装置，测量出不同载荷、不同温度下的纵波、横波的声时差，通过数值处理和模拟，得到纵波、横波与螺栓长度关系图谱。然后根据螺栓长度与纵波、横波的周期计算出纵波和横波的传播速度，同纵波、横波传播速度与应力关系图谱比对，获得应力大小。获取纵波、横波传播速度与应力关系图谱的方法为：对与被测对象相同材质的螺栓在不受载荷的情况下，进行测试和标定，标定出纵波和横波的传播速度，通过加载装置，测量出不同载荷、不同温度下的纵波、横波传播速度，通过数值处理和模拟，得到纵波、横波传播速度与应力关系图谱。

由于纵波、横波的传送速度与温度有关，因此在步骤S3之前，需要对温度进行检测，从而能够调取该温度下的纵波、横波传播速度与应力关系图谱进行对比。

如图2所示，是收到的声波脉冲信号，a是连续收到两个声波脉冲信号纵波之间的声时差，b是收到一个纵波和一个横波的声时差,c是连续收到两个横波之间的声时差。同一个螺栓，同一温度下，应力增大，a会增大，也就是连续接收到的两个脉冲时间会增加，纵波的波速会减小。同一螺栓，相同应力作用下，温度增加，a值也会增大。当遇到缺陷时，连续两个脉冲之间会出现杂波，也就是a时差之间还会出现一个波形。在实验室，测定a的大小，c的大小和螺栓长度之间的关系，在实际测量中，可以测到a、c值，就可以推导螺栓长度的值。

接收到的回波中有杂波时，则判断该螺栓中存在缺陷，根据回波间杂波的位置、大小同杂波与缺陷的关系图谱比对，获得缺陷在螺栓中的部位和大小。获取杂波与缺陷的关系图谱的方法为：人为制造螺纹底部缺陷，通过测量回波间杂波的位置、大小，确定缺陷的部位和大小，通过数值处理和数据拟合，得到杂波与缺陷的关系图谱。

如图3所示，一种螺栓应力与内部缺陷实时在线监测系统包括：

高频信号发生器1，用于输出高频信号；

其中，高频信号发生器1发出的高频信号是为了激励超声波传感器2。

超声波传感器2，用于向螺栓发射高频超声波和接收回波，将回波转化为电信号输出；本发明实施例中的超声波传感器2采用直接反射式的检测模式。位于传感器前面的被检测物通过将发射的声波部分地发射回传感器的接收器，从而使传感器检测到被测物。

高压切换开关3，连接于高频信号发生器1和超声波传感器2之间，用于将高频信号轮流输入至多个超声波传感器2，并轮流将多个超声波传感器2输出的电信号限副输入至数据采集系统4；

由于在实际工况中，所要检测螺栓很多，例如周向整列的法兰盘上的螺栓，每个螺栓上都设置有一个超声波传感器2，若直接将高频信号发生器1与超声波传感器2进行连接，则需要与超声波传感器2数量相同的高频信号发生器1，造成成本上的浪费，而高压切换开关3可轮流将高频信号发生器1与多个超声波传感器2通电，实现超声波传感器2的轮流检测，节约了成本。

数据采集系统4，与高压切换开关3信号连接，用于采集电信号并转化为数字信号，读取数字信号中的纵波信号和横波信号作为采样数据并存储。

其中，数据采集系统4包括了A/D转换、FPGA和ARM等。

现地服务器5，与数据采集系统4信号连接，用于读取采样数据并存储到数据库，根据采样数据将接收到的回波中横波与纵波之间的声时差，同纵波、横波与螺栓长度关系图谱对比，获得螺栓长度，根据螺栓长度与纵波、横波的周期计算出纵波和横波的传播速度，同纵波、横波传播速度与应力关系图谱比对，获得应力大小，若应力异常则报警，现地服务器5还可根据采样数据，判断回波中是否有杂波，并根据杂波在回波中的位置和大小确定缺陷的部位和大小，在发现有杂波时报警。纵波、横波传播速度与应力关系图谱和纵波、横波与螺栓长度关系图谱的获取方式以在前文阐述。

云端服务系统6，与现地服务器5信号连接，用于接收现地服务器5发送的螺栓应力及缺陷实时在线监测数据，并通过云端服务器与软件平台将数据发送至远程客户端。使用大数据云服务，实现了移动终端查询和远程客户端控制和缺陷诊断，是防止螺栓连接失效、避免事故的有效方法。

Claims (9)

1.一种螺栓应力与内部缺陷实时在线监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：发射高频超声波，使高频超声波经过螺栓；

S2：接收高频超声波从螺栓端面反射回的回波；

S3：将接收到的回波中横波与纵波之间的声时差，同纵波、横波与螺栓长度关系图谱对比，获得螺栓长度，根据螺栓长度与纵波、横波的周期计算出纵波和横波的传播速度，同纵波、横波传播速度与应力关系图谱比对，获得应力大小。

2.根据权利要求1所述的一种螺栓应力与内部缺陷实时在线监测方法，其特征在于，在步骤S3之前，检测螺栓所在环境的环境温度，根据环境温度调取对应温度下的纵波、横波传播速度与应力关系图谱。

3.根据权利要求2所述的一种螺栓应力与内部缺陷实时在线监测方法，其特征在于，获取纵波、横波与螺栓长度关系图谱的方法为：对与被测对象相同材质的螺栓在不受载荷的情况下，进行测试和标定，标定出纵波和横波的声时差，通过加载装置，测量出不同载荷、不同温度下的纵波、横波的声时差，通过数值处理和模拟，得到纵波、横波与螺栓长度关系图谱。

4.根据权利要求2所述的一种螺栓应力与内部缺陷实时在线监测方法，其特征在于，获取纵波、横波传播速度与应力关系图谱的方法为：对与被测对象相同材质的螺栓在不受载荷的情况下，进行测试和标定，标定出纵波和横波的传播速度，通过加载装置，测量出不同载荷、不同温度下的纵波、横波传播速度，通过数值处理和模拟，得到纵波、横波传播速度与应力关系图谱。

5.根据权利要求1所述的一种螺栓应力与内部缺陷实时在线监测方法，其特征在于，在步骤S3中接收到的回波中有杂波时，则判断该螺栓中存在缺陷，根据回波间杂波的位置、大小同杂波与缺陷的关系图谱比对，获得缺陷在螺栓中的部位和大小。

6.根据权利要求5所述的一种螺栓应力与内部缺陷实时在线监测方法，其特征在于，获取杂波与缺陷的关系图谱的方法为：人为制造螺纹底部缺陷，通过测量回波间杂波的位置、大小，确定缺陷的部位和大小，通过数值处理和数据拟合，得到杂波与缺陷的关系图谱。

7.一种螺栓应力与内部缺陷实时在线监测系统，其特征在于，所述系统包括：

高频信号发生器(1)，用于输出高频信号；

超声波传感器(2)，用于向螺栓发射高频超声波和接收回波，将回波转化为电信号输出；

高压切换开关(3)，连接于高频信号发生器(1)和超声波传感器(2)之间，用于将高频信号轮流输入至多个超声波传感器(2)，并轮流将多个超声波传感器(2)输出的电信号限副输入至数据采集系统(4)；

数据采集系统(4)，与高压切换开关(3)信号连接，用于采集电信号并转化为数字信号，读取数字信号中的纵波信号和横波信号作为采样数据并存储；

现地服务器(5)，与数据采集系统(4)信号连接，用于读取采样数据并存储到数据库，根据采样数据将接收到的回波中横波与纵波之间的声时差，同纵波、横波与螺栓长度关系图谱对比，获得螺栓长度，根据螺栓长度与纵波、横波的周期计算出纵波和横波的传播速度，同纵波、横波传播速度与应力关系图谱比对，获得应力大小，若应力异常则报警。

8.根据权利要求7所述的一种螺栓应力与内部缺陷实时在线监测系统，其特征在于，所述现地服务器(5)还可根据采样数据，判断回波中是否有杂波，并根据杂波在回波中的位置和大小确定缺陷的部位和大小，在发现有杂波时报警。

9.根据权利要求8所述的一种螺栓应力与内部缺陷实时在线监测系统，其特征在于，所述系统还包括云端服务系统(6)，与现地服务器(5)信号连接，用于接收现地服务器(5)发送的螺栓应力及缺陷实时在线监测数据，并通过云端服务器与软件平台将数据发送至远程客户端。