CN109374189B - 多通道超声螺栓预紧力测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多通道超声螺栓预紧力测试系统。本发明实现多通道发射与接收，实现激励信号的优化处理，实现超声探头的固定与实时监测，具有高性能、低成本的特点。本发明通过对通道控制器的设计，实现了单个信号输出口控制8个通道的智能螺栓预紧力测试，大大节省了成本和空间；同时利用信号优化处理模块，输出最佳激励波形；为了实现预紧力的实时监测，设计了探头固定装置，使超声探头能够稳定的发射与接收信号。

Description

多通道超声螺栓预紧力测试系统

技术领域

本发明属于预紧力检测技术领域，具体的为一种多通道超声螺栓预紧力测试系统。

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。而螺栓常常以螺栓组的方式出现，往往表现出弹性相互作用的特性。对多个螺栓内部的应力测量，可以预防事故的发生，保证结合面受力的均匀性，优化栓接结构尺寸和质量。因此，实时准确地测量螺栓组的预紧力情况越来越得到人们的重视。

目前，基于压电的智能结构研究得到了众多学者的关注。扭矩扳手法通过控制输入扭矩控制螺栓预紧力；王涛等设计了基于压电时间反演的螺栓预紧力传感器，通过检测连接界面的状态来反映预紧力的大小；李文波等设计了一种通过电磁超声的方式进行预紧力测量的方法。但以上研究均为单通道预紧力测试，对螺栓组的预紧力测试存在局限性。

发明内容

针对上述对螺栓组的预紧力测试存在局限性的问题，以及为了满足不同型号的螺栓需要不同最佳激励信号，同时需要实现超声探头的固定，本发明提供了一种多通道超声螺栓预紧力测试系统。本发明通过通道控制器，实现了智能螺栓的多通道发射；能够针对不同型号、不同材料的螺栓，实现了激励信号的优化处理，减少频散效应的影响；设计特定的探头固定装置，实现超声信号的实时监测。

本发明的技术方案：

多通道超声螺栓预紧力测试系统，包括多通道信号发射接收模块、信号优化处理模块和探头固定装置；

所述的多通道信号发射接收模块，包括PC端、STM32F4、FPGA、DA模块、通道控制器、智能螺栓和示波器；多通道信号发射接收模块以PC端为控制中心，通过RS232与STM32F4进行串口通信，STM32F4通过总线控制FGPA，利用DA模块进行波形输出；输出波形通过BNC线与通道控制器连接，控制8个通道的激励波形激励相应的智能螺栓；将智能螺栓产生的信号通过高频信号线与示波器连接，示波器与PC端用网线连接；通道控制器将连续发射的单通道信号通过逻辑门控制，分段成8个通道，产生8个通道的信号激励；

所述的信号优化处理模块，包括产生初始波形群体、计算波形群体中所有个体适应度值、选取群体中适应度值高的个体、交叉操作、变异操作、迭代终止判断；信号优化处理模块采用遗传算法建立波形群体，通过计算波形群体的适应值，进行交叉操作和变异操作，当满足条件准则时，确定出该型号、该材料所对应的最佳激励波形；

所述的探头固定装置，包括探头固定件、螺栓固定件、紧固螺钉A、紧固螺钉B；探头固定装置以被测螺栓为基体，通过紧固螺钉A将螺栓固定件与被测螺栓进行连接固定；同时在螺栓固定件上放置探头固定件，通过左右两个紧固螺钉B，将其进行连接固定；利用探头固定件上方的螺纹将超声探头旋紧固定，探针通过探头固定件的中心孔与智能螺栓的压电晶片接触，进行信号的发射与接收。

本发明的实施步骤为：

1)多通道信号发射接收模块，以labview为控制核心，联合STM32F4+FPGA模块与DA模块输出单通道波形，通过通道控制器的逻辑门控制，如图2所示，将单通道的8个信号拆分成8个通道的信号，实现8通道的超声螺栓预紧力监测；

2)通过8个探头固定装置(如图3)，将超声探头通过螺纹的形式与探头固定装置进行连接，实现了稳定的信号发射与接收以及实时监测；

3)由于在激励过程中存在不同模态的波形影响，利用信号优化处理模块建立起波形群体，对激励波形进行优化处理，确定出最佳的激励波形，将其作为新的激励波形重新激励。

本发明的有益效果：本发明通过对通道控制器的设计，实现了单个信号输出口控制8个通道的智能螺栓预紧力测试，大大节省了成本和空间；同时利用信号优化处理模块，输出最佳激励波形；为了实现预紧力的实时监测，设计了探头固定装置，使超声探头能够稳定的发射与接收信号。

附图说明

图1是多通道信号发射接收模块架构图；

图2是通道控制逻辑图；

图3是探头固定装置组成图；

图4是激励波形优化流程图。

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。

结合图1所示，本发明包括PC端、STM32F4、FPGA、DA模块、通道控制器、探头固定装置、智能螺栓、示波器。本发明以PC端为控制中心，通过RS232与STM32F4进行串口通信，STM32F4通过总线与FGPA通信，利用DA模块进行波形输出。输出波形通过BNC线与通道控制器连接，通过逻辑门控制单通道信号划分为8个通道的激励波形，激励相应的智能螺栓。将智能螺栓产生的信号通过高频信号线与示波器连接，示波器与PC端用网线连接。其中智能螺栓与超声探头通过探头固定装置进行固定连接。

本发明的结构要点是：多通道信号发射接收模块以PC端为控制中心，通过RS232与STM32F4进行串口通信，STM32F4通过总线控制FGPA，利用DA模块进行波形输出。输出波形通过BNC线与通道控制器连接，控制8个通道的激励波形激励相应的智能螺栓。将智能螺栓产生的信号通过高频信号线与示波器连接，示波器与PC端用网线连接。特别地，通道控制器将连续发射的单通道信号通过逻辑门控制，分段成8个通道，产生8个通道的信号激励。

信号优化处理模块，采用遗传算法建立起波形群体。

min y＝f(V,ω,n)

s.t.10≤V≤100

0.1≤ω≤5

2≤n≤7

其中y为其余模态的能量总和，V为激振幅值，ω为中心频率，n为窗口波形个数。

首先设置初始波形群体，最大遗传代数，交叉概率，变异概率；计算种群中个体的适应度值，其中适应度可定义为e＝150-y；根据个体适应度，按照遍历随机抽样法从当前种群中选出个体进入下一代进行交叉操作；选择群体中的一对个体作为父体，以交叉概率进行单点交叉操作，产生新个体；随机选择种群中的个体以一定的概率进行变异操作，通过随机改变个体中某些基因而产生新个体；若迭代次数不满足遗传代数要求，则重复以上操作，否则算法终止，确定出该型号、该材料所对应的最佳激励波形。

探头固定装置，以被测螺栓为基体，通过紧固螺钉A将螺栓固定件与被测螺栓进行连接固定；同时在螺栓固定件上放置探头固定件，通过左右两个紧固螺钉B，将其进行连接固定；利用探头固定件上方的螺纹将超声探头旋紧固定，探针通过探头固定件的中心孔与被测螺栓的压电晶片接触，进行信号的发射与接收。

本发明的具体实施步骤为：

1)PC端以labview为控制核心，通过修改参数控制STM32F4+FPGA模块输出相应的激励波形，同时利用DA模块进行D/A转化。

2)将DA模块输出的波形信号传输到通道控制器，根据图2所示的方式，将单通道的8个信号拆分成8个通道的信号，实现单个波形通道控制8个智能螺栓的效果。

3)通过螺纹连接方式，利用探头固定装置将超声探头与智能螺栓进行连接固定，保证超声信号的稳定性。

4)智能螺栓根据螺栓组的不同预紧力返回不同的回波信号，其8路信号通过BNC线传输到2个示波器上，进行高速采集以及数据显示。每个示波器包括4个通道。

5)通过网线的方式，将示波器高速采集的特定波形传输到PC端，利用labview进行滤波、特征提取、数据分析等操作。

6)利用信号优化处理模块对初始接收到信号进行优化迭代处理，分析出对应型号、材料的螺栓所需要的最佳激励波形。将计算出的最佳激励波形作为Labview的重新装载信号，重复步骤1)至步骤4)，并最终实时显示螺栓组中8个螺栓的预紧力状态。

Claims (1)

1.一种多通道超声螺栓预紧力测试系统，其特征在于，所述的多通道超声螺栓预紧力测试系统包括多通道信号发射接收模块、信号优化处理模块和探头固定装置；

所述的多通道信号发射接收模块，包括PC端、STM32F4、FPGA、DA模块、通道控制器、智能螺栓和示波器；多通道信号发射接收模块以PC端为控制中心，通过RS232与STM32F4进行串口通信，STM32F4通过总线控制FGPA，利用DA模块进行波形输出；输出波形通过BNC线与通道控制器连接，控制8个通道的激励波形激励相应的智能螺栓；将智能螺栓产生的信号通过高频信号线与示波器连接，示波器与PC端用网线连接；通道控制器将连续发射的单通道信号通过逻辑门控制，分段成8个通道，产生8个通道的信号激励；

所述的信号优化处理模块，包括产生初始波形群体、计算波形群体中所有个体适应度值、选取群体中适应度值高的个体、交叉操作、变异操作、迭代终止判断；信号优化处理模块采用遗传算法建立波形群体，通过计算波形群体的适应值，进行交叉操作和变异操作，当满足条件准则时，确定出对应型号、材料的螺栓所需要的最佳激励波形；

所述的探头固定装置，包括探头固定件、螺栓固定件、紧固螺钉A、紧固螺钉B；探头固定装置以被测螺栓为基体，通过紧固螺钉A将螺栓固定件与被测螺栓进行连接固定；同时在螺栓固定件上放置探头固定件，通过左右两个紧固螺钉B，将其进行连接固定；利用探头固定件上方的螺纹将超声探头旋紧固定，探针通过探头固定件的中心孔与智能螺栓的压电晶片接触，进行信号的发射与接收。

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