CN110967143A - 一种便携式的螺栓紧固力超声检测系数标定装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种便携式的螺栓紧固力超声检测系数标定装置，它包括螺栓紧固力发生装置和超声信号检测系统。该螺栓紧固力发生装置由螺栓预紧及加载模块和止动模块两部分组成，用于实现待标定螺栓的预紧及加载过程；该超声信号检测系统由工业控制计算机、脉冲收发与数据采集卡、同轴射频开关和分时横纵波一体化探头组成，用于在待标定螺栓内部激发和接收超声脉冲回波，进而实现螺栓紧固力超声检测系数的标定。本装置操作简单，携带方便。采用本装置进行系统标定，可实现超声检测系数的现场、快速、准确标定，避免了因标定环境和检测环境的温度差异而引起的测量误差，进一步提高了螺栓紧固力超声检测的精度，有利于推动该技术的工程应用。
Description
技术领域
本发明涉及螺栓紧固件可靠性检测技术领域，具体而言，提出一种便携式的螺栓紧固力超声检测系数标定装置。
背景技术
螺栓连接是机械制造领域不可或缺的紧固方式之一，其紧固状态直接影响整个结构或设备的安全性和可靠性。螺栓连接效果的优劣很大程度上依赖于预紧力的控制。过大的预紧力会使螺栓产生严重的塑性变形，进而引起疲劳破坏或断裂失效，而预紧力不足则会引起结构振动、松弛和滑移，破坏结构的完整性，影响设备正常工作。同时，服役过程中由于外界载荷和环境温度的影响，螺栓连接会逐渐产生松动并且不易被发现。因此，螺栓装配过程中预紧力的准确控制和服役过程中残余轴力的原位监测对于整体装备的稳定性与安全性至关重要。
在工程应用中，通常采用扭矩扳手来控制螺栓预紧力。但是各螺纹面和螺母支撑面的摩擦系数具有很大的离散性，导致通过扭矩法得到的螺栓预紧力也具有很大的不确定性，在相同工况下对同一螺栓施加同样的扭矩，得到的预紧力之差多达40％。此外，还可通过螺母转角法、电阻应变片电测法、光测力学法和贴片光弹法等方法测量和控制螺栓预紧力。螺母转角法通过将螺母旋转一定角度来获得设计的预紧力，但是难于选择转角测量的起点。电阻应变片电测法需要在螺栓夹紧段粘贴电阻应变片，操作麻烦、稳定性差，不适用于全螺纹螺栓，且仅能测量螺栓表面的应力值。光测力学法和贴片光弹法由于检测原理和装置复杂，目前还停留在实验室研究阶段，工程上应用不多。这些传统检测方法均只适用于螺栓预紧力控制，难以实现对已紧固螺栓残余轴力的原位在线检测。
利用超声波测量螺栓紧固力已经开展了大量研究，其中普遍采用的是基于声弹性效应的超声脉冲回波法，即通过测量超声脉冲在螺栓内的传播时间间接确定螺栓受力状态。作为一种无损、高精度测量技术，它不仅能够检测螺栓拧紧过程中所施加的预紧力，还可以通过纵、横波结合获得服役状态下已紧固螺栓的残余轴力。使用超声波测量螺栓紧固力的关键和前提在于准确获取超声传播时间与螺栓紧固力之间的数学关系，即准确获得超声检测系数。然而，目前通常采用拉伸试验机进行螺栓拉伸试验以标定相关系数，操作麻烦，只能在实验室环境下进行，难以实现检测系数的现场、快速标定。因此，设计一种便携式的螺栓紧固力超声检测系数标定装置，对于实现检测系数的现场、快速、准确标定，促进螺栓紧固力超声检测技术的工程应用具有十分重要的意义。
发明内容
(一)本发明的目的
本发明的目的是提供一种便捷式的螺栓紧固力超声检测系数标定装置，用于快速、准确的标定超声检测系数，提高螺栓紧固力超声检测技术的实用性和准确性。
(二)技术方案
本发明提供的一种便捷式的螺栓紧固力超声检测系数标定装置，它包括螺栓紧固力发生装置和超声信号检测系统：
(1)所述螺栓紧固力发生装置，它由螺栓预紧及加载模块(100)和止动模块(200)两部分组成；
该螺栓预紧及加载模块(100)包括螺母(101)、调节垫圈(102)、待标定螺栓(103)、上连接块(109)、下连接块(108)、连接螺栓(107)、连接螺母(110)、拉力传感器(104)、双头螺柱(105)、承力框架(106)、填充板(111)和填充块(112)；各组成部分相互之间的关系是：待标定螺栓(103)依次穿过上连接块(109)、承力框架(106)的上端通孔和若干调节垫圈(102)，通过螺母(101)拧紧；上连接块(109)和下连接块(108)通过连接螺栓(107)和连接螺母(110)相连，将待标定螺栓(103)的头部固定于上连接块(109)的矩形沉头孔中；填充板(111)和填充块(112)填充于待标定螺栓(103)的头部与上连接块(109)的矩形沉头孔的空隙中；下连接块(108)通过普通螺纹与拉力传感器(104)相连；双头螺柱(105)的两端分别与拉力传感器(104)和承力框架(106)的下端螺纹孔相连；
该螺母(101)的结构：选用现有市场供应螺母，其规格应与待标定螺栓(103)适配；
该调节垫圈(102)的结构：选用现有市场供应的若干规格平垫圈，其中规格最小的平垫圈应与待标定螺栓(103)和螺母(101)适配，规格最大的平垫圈外径应大于承力框架(106)的上端通孔直径；
该待标定螺栓(103)的结构：选用现有市场供应螺栓，其规格和材料应与被测螺栓一致；
该上连接块(109)的结构：如图6所示，为方形块，其一侧加工有矩形沉头孔，其中心和四角加工有圆形通孔，矩形沉头孔尺寸应大于待标定螺栓(103)的头部尺寸，中心圆形通孔直径应大于待标定螺栓(103)的公称直径；
该下连接块(108)的结构：如图7所示，为方形块，其一侧中心加工有带有外螺纹的柱体，其四角加工有圆形通孔，方形块和通孔的尺寸应与上连接块(109)的相应尺寸一致，外螺纹规格应与拉力传感器的内螺纹适配；
该连接螺栓(107)的结构：选用现有市场供应螺栓，其规格应与上连接块(109)四角的通孔适配，总抗拉强度应满足标定过程中的受载要求；
该连接螺母(110)的结构：选用现有市场供应螺母，其规格应与连接螺栓(107)适配；
该拉力传感器(104)的结构：选用现有市场供应的S型内螺纹拉力传感器，其额定载荷应满足标定过程中的受载要求；
该双头螺柱(105)的结构：选用现有市场供应双头螺柱，其外螺纹应与拉力传感器(104)的内螺纹适配，且两端螺纹旋向相反；
该承力框架(106)的结构：如图8所示，其上端加工有通孔，其直径应大于待标定螺栓(103)的公称直径，其下端加工有螺纹孔，其规格应与双头螺柱(105)适配，两侧加工有双T型槽；
该填充板(111)的结构：为方形块，其规格满足恰好能够在上连接块(109)的矩形沉头孔中填充于待标定螺栓(103)头部的两侧；
该填充块(112)的结构：为方形块，其中心加工有圆形通孔，其规格满足恰好能够在上连接块(109)的矩形沉头孔中填充于待标定螺栓(103)头部的底部，通孔尺寸应与待标定螺栓(103)适配；
该止动模块(200)包括止动壳(201)、双T型块(202)、连接螺栓(203)和锁紧螺母(204)；各组成部分相互之间的关系是：止动壳(201)两侧通过连接螺栓(203)和锁紧螺母(204)与双T型块(202)相连；
该止动壳(201)的结构：如图10所示，其中间加工有矩形空腔，其规格满足恰好能够放置上连接块(109)、下连接块(108)和拉力传感器(104)，其两侧加工有圆形通孔；
该双T型块(202)的结构：如图11所示，为双T型块，加工有内螺纹孔；
该连接螺栓(203)的结构：选用现有市场供应螺栓，其规格应与双T型块(202)的内螺纹孔适配；
该锁紧螺母(204)的结构：选用现有市场供应螺母，其规格应与连接螺栓(203)适配；
通过将双T型块(202)安装于承力框架(106)的双T型槽内，将上连接块(109)、下连接块(108)和拉力传感器(104)放置于止动壳(201)的空腔内，进而实现螺栓预紧及加载模块(100)和止动模块(200)的连接；
(2)所述超声信号检测系统，是由工业控制计算机(301)、脉冲收发与数据采集卡(302)、同轴射频开关(303)、分时横纵波一体化探头(304)组成；各组成部分相互之间的关系是：工业控制计算机(301)通过以太网接口与脉冲收发与数据采集卡(302)相连；脉冲收发与数据采集卡(302)通过信号发射/接收端口(P/R)和可编程I/O接口分别与同轴射频开关(303)的激励信号输入端(C)和开关控制信号输入端(TTL IN)相连；同轴射频开关(303)通过常闭信号输出端(NC)和常开信号输出端(NO)分别与分时横纵波一体化探头(304)的纵波接口和横波接口相连；
该工业控制计算机(301)的结构：选用现有市场供应工业控制计算机；
该脉冲收发与数据采集卡(302)的结构：选用现有市场供应脉冲收发与数据采集集成卡，其数据采集卡的采样频率应大于标定实验所使用超声信号最高频率的2倍；
该同轴射频开关(303)的结构：选用现有市场供应的单刀双掷的同轴射频开关；
该分时横纵波一体化探头(304)的结构：选用现有市场供应的压电式横纵波一体化探头；
选用与被测螺栓规格、材料均一致的螺栓作为待标定螺栓(103)，按照一定的装配顺序进行标定装置的安装；在拧紧及加载过程中，分时横纵波一体化探头(304)测得的纵波(或横波)信号以及拉力传感器(104)测得的轴向力值被同时输送到工业控制计算机(301)中进行数据处理；通过数据拟合获得超声纵波(或横波)的传播时间和待标定螺栓(103)所受总载荷之间的数学关系，即相应的超声检测系数；对于拉力传感器(104)和相关长度测量仪器可事先进行校准和溯源，因此，获得的拉力值和尺寸参数可作为标准值；该装置用于现场标定超声检测系数，标定温度与实际检测温度变化不大，因此温度对螺栓紧固力检测的影响可忽略不计，不需要对检测结果进行温度补偿。
(三)优点与功效
本发明与背景技术相比，具有的有益的效果是：本装置通过螺纹连接的有效组合，可实现待标定螺栓的预紧及加载过程，操作简单，携带方便。采用本装置进行系统标定，可实现超声检测系数的现场、快速、准确标定，避免了因标定环境和检测环境的温度差异而引起的测量误差，简化了标定及检测过程，进一步提高了螺栓紧固力超声检测的精度，有利于推动该技术的工程应用。
附图说明
图1螺栓-螺母结构示意图。
图2螺栓紧固力发生装置。
图3螺栓预紧及加载模块。
图4螺栓头部安装三维图。
图5螺栓头部安装视图。
图6上连接块。
图7下连接块。
图8承力框架。
图9止动模块。
图10止动壳。
图11双T型块。
图12超声信号检测系统。
图13本发明总体结构示意图。
图中序号、符号、代号说明如下：
O——螺栓原点； lg——实际夹紧距离； z——螺栓的轴向位置坐标；
m——螺栓头的厚度； n——螺母的厚度； L——螺栓内的总受力长度；
a——螺栓内应力缓慢增加区域长度与螺栓头厚度的差值；
b——螺栓内应力缓慢减小区域长度与螺母厚度的差值；
100——螺栓预紧及加载模块；200——止动模块；
101——螺母；102——调节垫圈；103——待标定螺栓；104——拉力传感器；105——双头螺柱；
106——承力框架；107——连接螺栓；108——下连接块；109——上连接块；110——连接螺母；
111——填充板；112——填充块；
201——止动壳；202——双T型块；203——连接螺栓；204——锁紧螺母；
301——工业控制计算机；302——脉冲收发与数据采集卡；303——同轴射频开关；
304——分时横纵波一体化探头；
P/R——超声信号发射/接收端；I/O——可编程数字信号以太网通信接口；C——激励信号输入端；
TTL IN——开关控制信号输入端；NC——常闭信号输出端；NO——常开信号输出端；
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明：
本发明提供一种便捷式的螺栓紧固力超声检测系数标定装置，如图13所示，它包括螺栓紧固力发生装置和超声信号检测系统：
1、螺栓紧固力超声检测模型与待标定系数
由于紧固后螺栓的轴向应力不是均匀分布的，因此螺栓轴线上的轴向应力可表示为：
σz＝σ(F,z) (1)
式(1)中：
σz——螺栓轴线上的轴向应力；
F——螺栓的紧固力；
z——螺栓的轴向位置坐标。
将螺栓内的超声传播路径分为若干小的单元，长度为dz，当单元尺寸足够小时，可认为在该单元路径上的应力是相同的。根据胡克定律和声弹性理论，紧固力不仅会使螺栓产生轴向伸长，还会引起超声波在螺栓内传播速度的变化。在二者的共同作用下，单元路径内紧固力引起的超声波(以纵波为例)传播时间的变化量可表示为：
式(2)中：
dtL——紧固前后超声脉冲回波(纵波)在单元路径内的传播时间变化量；
E——螺栓材料的杨氏模量；
vL0——紧固前螺栓中的纵波声速；
KL——纵波的声弹性系数。
一般情况下，KL为10-11数量级，σz为108数量级，KL·σz＜＜1，故对式(2)进一步化简可得：
设螺栓轴线上的单元数量为N，则紧固后超声纵波在螺栓内总的传播时间变化量ΔtL为：
式(4)中：
σi——第i个单元路径上的轴向应力；
设螺栓原长为L0，当单元尺寸足够小时，式(4)可写成积分形式：
对于同一规格的螺栓，在夹紧距离相同的情况下，轴线上的应力大小与紧固力成正比，则式(1)可表示为：
σz＝σ(F,z)＝F·m(z) (6)
式(6)中：
m(z)——数值上等于单元紧固力作用下螺栓轴线上的轴向应力。
将式(6)代入式(5)，可得到紧固力与超声传播时间的关系为：
令：
则式(7)可进一步化简为：
式(10)中：
ML——纵波材料因子；
λ——螺栓的形状因子；
kL——纵波检测系数。
如图1所示，紧固后螺栓的总受力区域为0～L，根据受力变化趋势可划分为3部分：第1部分为0～(m+a)，该段轴向应力从0逐渐增大；第2部分为(m+a)～(L-b-n)，轴向应力大小一致且为F/AS，AS为螺栓的应力截面积；第3部分为(L-b-n)～L，该段轴向应力逐渐从F/AS减小到0。
因此，形状因子λ可进一步表示为：
式(11)中：
lg——螺栓的夹紧距离。
对于同一规格螺栓，λC为常数。则将式(11)代入式(10)可得
对于紧固过程中螺栓预紧力的控制，根据式(14)即可完成纵波检测系数的标定，测量纵波的传播时间变化量并结合(13)式即可得到螺栓的预紧力。
对于服役状态下的螺栓，无法获取紧固前超声波的传播时间，因此采用纵、横波联合测量。超声横波的传播时间变化量与螺栓紧固力的关系以及横波检测系数ks分别为：
式(15)中：
MS——横波的声弹性系数；
kS——横波检测系数。
联合(13)式和(15)式可得：
式(14)中：
tL——紧固后纵波的传播时间；
tS——紧固后横波的传播时间；
η——横、纵波的声速比，即η＝vS0/vL0。
因此无论是纯纵波测量紧固过程中螺栓的预紧力，还是采用纵、横波联合来测量已紧固螺栓的残余轴力，都需要对超声检测系数kL、kS进行标定，即对ML、MS和λ进行标定。
2、螺栓紧固力发生装置
如图2所示，本发明提供的一种便捷式的用于标定螺栓紧固力超声检测系数的螺栓紧固力发生装置，它由螺栓预紧及加载模块100和止动模块200两部分组成；
如图3所示，作为该装置的主体部分，螺栓预紧及加载模块100包括螺母101、调节垫圈102、待标定螺栓103、上连接块109、下连接块108、连接螺栓107、连接螺母110、拉力传感器104、双头螺柱105、承力框架106、填充板111和填充块112。
各组成部分相互之间的关系及功能是：待标定螺栓103依次穿过上连接块109、承力框架106的上端通孔和若干调节垫圈102，使用与待标定螺栓相同规格的螺母101拧紧，实现待标定螺栓103的预紧。通过采用不同厚度的调节垫圈102可改变螺栓连接的实际夹紧距离。上连接块109和下连接块108通过连接螺栓107和连接螺母110相连。上连接块109加工有矩形沉头孔，用于固定待标定螺栓103的头部并在预紧过程中限制其转动。如图4、5所示，填充板111和填充块112填充于待标定螺栓103的头部与上连接块109的矩形沉头孔的空隙中。下连接块108的下端柱体加工有外螺纹，可通过普通螺纹与拉力传感器104相连。拉力传感器104在标定过程中检测并采集待标定螺栓103的紧固力值。双头螺柱105两端加工有不同旋向的螺纹，分别与拉力传感器104和承力框架106的下端螺纹孔相连，通过双头螺柱的旋转可实现待标定螺栓103的加载。通过承力框架106的变形来提供标定实验中螺栓承受的轴向力。
该螺母101的结构：选用现有市场供应螺母，其规格应与待标定螺栓103适配；
该调节垫圈102的结构：选用现有市场供应的若干规格平垫圈，其中规格最小的平垫圈应与待标定螺栓103和螺母101适配，规格最大的平垫圈外径应大于承力框架106的上端通孔直径；
该待标定螺栓103的结构：选用现有市场供应螺栓，其规格和材料应与被测螺栓一致；
该上连接块109的结构：如图6所示，为方形块，其一侧加工有矩形沉头孔，其中心和四角加工有圆形通孔，矩形沉头孔尺寸应大于待标定螺栓103的头部尺寸，中心圆形通孔直径大于待标定螺栓103的公称直径；
该下连接块108的结构：如图7所示，为方形块，一侧中心加工有带有外螺纹的柱体，四角加工有通孔，方形块和通孔的尺寸与上连接块109的相应尺寸一致，外螺纹规格应与拉力传感器的内螺纹适配；
该连接螺栓107的结构：选用现有市场供应螺栓，其规格应与上连接块109四角的通孔适配，总抗拉强度应满足标定过程中的受载要求；
该连接螺母110的结构：选用现有市场供应螺母，其规格应与连接螺栓107适配；
该拉力传感器104的结构：选用现有市场供应的S型内螺纹拉力传感器，其额定载荷应满足标定过程中的受载要求；
该双头螺柱105的结构：选用现有市场供应双头螺柱，其外螺纹应与拉力传感器104的内螺纹适配，且两端螺纹旋向相反；
该承力框架106的结构：如图8所示，其上端加工有通孔，其直径应大于待标定螺栓103的公称直径，其下端加工有螺纹孔，其规格应与双头螺柱105适配，两侧加工有双T型槽；
该填充板111的结构：为方形块，其规格满足恰好能够在上连接块109的矩形沉头孔中填充于待标定螺栓103头部的两侧；
该填充块112的结构：为方形块，其中心加工有圆形通孔，其规格满足恰好能够在上连接块109的矩形沉头孔中填充于待标定螺栓103头部的底部，中心通孔尺寸应与待标定螺栓103适配。
如图9所示，该止动模块200包括止动壳201、双T型块202、连接螺栓203和锁紧螺母204。
各组成部分相互之间的关系是：止动壳201两侧加工有通孔，通过连接螺栓203和锁紧螺母204与双T型块202相连。该模块的功能是在预紧和加载过程中限制上连接块109、下连接块108及拉力传感器104的旋转。
该止动壳201的结构：如图10所示，其中间加工有矩形空腔，其规格满足恰好能够放置上连接块109、下连接块108和拉力传感器104，其两侧加工有圆形通孔；
该双T型块202的结构：如图11所示，为双T型块，加工有内螺纹孔；
该连接螺栓203的结构：选用现有市场供应螺栓，其规格应与双T型块202的内螺纹孔适配；
该锁紧螺母204的结构：选用现有市场供应螺母，其规格应与连接螺栓203适配。
通过将双T型块202安装于承力框架106的双T型槽内，将上连接块109、下连接块108和拉力传感器104放置于止动壳201的空腔内，进而实现螺栓预紧及加载模块100和止动模块200的连接。
如图4、5所示，为使该装置适用于不同规格的螺栓，可适当将上连接块109的矩形沉头孔和中心通孔加工至较大尺寸，将填充板111和填充块112填充于待标定螺栓103的头部和上连接块109的矩形沉头孔的空隙中。通过改变填充块111和填充板112的规格尺寸，使同一规格的上连接块109适用于不同规格的待标定螺栓103。同理，将承力框架106的上端通孔加工至较大尺寸，通过使用不同规格的调节垫圈102可以使同一规格的承力框架106适用于不同规格的待标定螺栓103，进而提高该装置的适用性。
3、超声信号检测系统
如图12所示，本发明提供的一种便捷式的用于标定螺栓紧固力超声检测系数的超声信号检测系统。它由工业控制计算机301、脉冲收发与数据采集卡302、同轴射频开关303、分时横纵波一体化探头304组成。
各组成部分相互之间的关系及功能是：工业控制计算机301通过以太网接口与脉冲收发与数据采集卡302进行高速通信，用于控制脉冲收发与数据采集卡302完成超声信号的激发和接收，它也是数据处理和结果显示的载体。脉冲收发与数据采集卡302集成了脉冲发射端、信号接收端和数据采集端，用于产生高压脉冲激励信号和接收连续的回波信号，以及实现A/D转换，即将接收到的超声模拟信号转换为可供工业控制计算机识别处理的数字信号。脉冲收发与数据采集卡302通过信号发射/接收端口(P/R)和可编程I/O接口分别与同轴射频开关303的激励信号输入端(C)和开关控制信号输入端(TTL IN)相连。单刀双掷的同轴射频开关303通过常闭信号输出端(NC)和常开信号输出端(NO)分别与分时横纵波一体化探头304的纵波接口和横波接口相连，根据控制信号实现超声信号的切换。分时横纵波一体化探头304安装在待标定螺栓103的端面，用于激励和接收纵波(或横波)信号。
该工业控制计算机(301)的结构：选用现有市场供应工业控制计算机；
该脉冲收发与数据采集卡(302)的结构：选用现有市场供应脉冲收发与数据采集集成卡，其数据采集卡的采样频率应大于标定实验所使用超声信号最高频率的2倍；
该同轴射频开关(303)的结构：选用现有市场供应的单刀双掷的同轴射频开关；
该分时横纵波一体化探头(304)的结构：选用现有市场供应的压电式横纵波一体化探头。
4、超声检测系数标定过程
(1)选用与待测螺栓规格、材料均相同的螺栓作为待标定螺栓103，并按照一定的装配顺序完成标定装置的安装。将分时横纵波一体化探头304固定在待标定螺栓103的头部端面，并保持稳定耦合。为保证标定数据的一致性，分时横纵波一体化探头304与待标定螺栓103应尽可能保持同轴。将超声信号检测系统切换为纵波信号输出。
(2)手动调整螺母101和双头螺柱105的位置使得螺母101和承力框架106刚好紧贴。记录此时的夹紧距离lg、超声纵波信号波型(用于超声信号检测系统零应力标定)，并将此时的拉力传感器104清零。
(3)通过手动旋转双头螺柱105对待标定螺栓103进行拉伸加载，每次旋转固定的角度以尽可能进行均匀加载，最大载荷不超过螺栓屈服极限的70％，测量点不少于10个。每个测量点处的拉力传感器示数F1、F2、……Fn和纵波信号声时差Δt1、Δt2、……Δtn被输送到工业控制计算机301中进行数据处理。测量结束后回旋双头螺柱105对待标定螺栓103进行卸载。
(4)保持螺栓夹紧距离lg不变，在测量点相同的情况下重复步骤(2)～(3)三次。每个测量点的结果取三次测量结果的平均值。通过数据拟合获取超声纵波在螺栓内的传播时间和螺栓所受总载荷之间的数学关系，即确定相应的纵波超声检测系数kL。
(5)改变调节垫圈102的厚度，多次重复步骤(2)～(4)，获得不同夹紧距离lg1、lg2、……lgn下的纵波超声检测系数kL1、kL2、……kLn，并对夹紧距离和纵波超声检测系数进行线性拟合，结合式(14)获得待标定螺栓103的纵波材料因子和形状因子。
(6)将超声信号检测系统切换为横波信号输出，重复步骤(2)～(4)一次确定相应的横波超声检测系数kS，结合步骤(5)得到的螺栓形状因子即可根据式(16)得到该螺栓的横波材料因子，完成所有系数的标定，完成螺栓紧固力超声检测模型的建立。
Claims (1)
1.一种便携式的螺栓紧固力超声检测系数标定装置，其特征在于：它包括螺栓紧固力发生装置和超声信号检测系统：
所述螺栓紧固力发生装置由螺栓预紧及加载模块(100)和止动模块(200)两部分组成；
该螺栓预紧及加载模块(100)包括螺母(101)、调节垫圈(102)、待标定螺栓(103)、上连接块(109)、下连接块(108)、连接螺栓(107)、连接螺母(110)、拉力传感器(104)、双头螺柱(105)、承力框架(106)、填充板(111)和填充块(112)；各组成部分相互之间的关系是：待标定螺栓(103)依次穿过上连接块(109)、承力框架(106)的上端通孔和调节垫圈(102)，通过螺母(101)拧紧；上连接块(109)和下连接块(108)通过连接螺栓(107)和连接螺母(110)相连，将待标定螺栓(103)的头部固定于上连接块(109)的矩形沉头孔中；填充板(111)和填充块(112)填充于待标定螺栓(103)的头部与上连接块(109)的矩形沉头孔的空隙中；下连接块(108)通过普通螺纹与拉力传感器(104)相连；双头螺柱(105)的两端分别与拉力传感器(104)和承力框架(106)的下端螺纹孔相连；
该螺母(101)的规格应与待标定螺栓(103)适配；
该调节垫圈(102)选用各种规格平垫圈，其中规格最小的平垫圈应与待标定螺栓(103)和螺母(101)适配，规格最大的平垫圈外径应大于承力框架(106)的上端通孔直径；
该待标定螺栓(103)的规格和材料应与被测螺栓一致；
该上连接块(109)为方形块，其一侧加工有矩形沉头孔，其中心和四角加工有圆形通孔，矩形沉头孔尺寸应大于待标定螺栓(103)的头部尺寸，中心圆形通孔直径应大于待标定螺栓(103)的公称直径；
该下连接块(108)为方形块，其一侧中心加工有带有外螺纹的柱体，其四角加工有圆形通孔，方形块和通孔的尺寸应与上连接块(109)的相应尺寸一致，外螺纹规格应与拉力传感器的内螺纹适配；
该连接螺栓(107)的规格应与上连接块(109)四角的通孔适配，总抗拉强度应满足标定过程中的受载要求；
该连接螺母(110)的规格应与连接螺栓(107)适配；
该拉力传感器(104)选用S型内螺纹拉力传感器，其额定载荷应满足标定过程中的受载要求；
该双头螺柱(105)选用双头螺柱，其外螺纹应与拉力传感器(104)的内螺纹适配，且两端螺纹旋向相反；
该承力框架(106)的上端加工有通孔，其直径应大于待标定螺栓(103)的公称直径，其下端加工有螺纹孔，其规格应与双头螺柱(105)适配，两侧加工有双T型槽；
该填充板(111)为方形块，其规格满足恰好能够在上连接块(109)的矩形沉头孔中填充于待标定螺栓(103)头部的两侧；
该填充块(112)为方形块，其中心加工有圆形通孔，其规格满足恰好能够在上连接块(109)的矩形沉头孔中填充于待标定螺栓(103)头部的底部，通孔尺寸应与待标定螺栓(103)适配；
该止动模块(200)包括止动壳(201)、双T型块(202)、连接螺栓(203)和锁紧螺母(204)；该止动壳(201)两侧通过连接螺栓(203)和锁紧螺母(204)与双T型块(202)相连；
该止动壳(201)的中间加工有矩形空腔，其规格满足恰好能够放置上连接块(109)、下连接块(108)和拉力传感器(104)，其两侧加工有圆形通孔；
该双T型块(202)为双T型块，加工有内螺纹孔；
该连接螺栓(203)其规格应与双T型块(202)的内螺纹孔适配；
该锁紧螺母(204)其规格应与连接螺栓(203)适配；
通过将双T型块(202)安装于承力框架(106)的双T型槽内，将上连接块(109)、下连接块(108)和拉力传感器(104)放置于止动壳(201)的空腔内，进而实现螺栓预紧及加载模块(100)和止动模块(200)的连接；
所述超声信号检测系统是由工业控制计算机(301)、脉冲收发与数据采集卡(302)、同轴射频开关(303)、分时横纵波一体化探头(304)组成；各组成部分相互之间的关系是：工业控制计算机(301)通过以太网接口与脉冲收发与数据采集卡(302)相连；脉冲收发与数据采集卡(302)通过信号发射/接收端口即P/R和可编程I/O接口分别与同轴射频开关(303)的激励信号输入端即C和开关控制信号输入端即TTL IN相连；同轴射频开关(303)通过常闭信号输出端即NC和常开信号输出端即NO分别与分时横纵波一体化探头(304)的纵波接口和横波接口相连；
该脉冲收发与数据采集卡(302)选用脉冲收发与数据采集集成卡，其数据采集卡的采样频率应大于标定实验所使用超声信号最高频率的2倍；
该同轴射频开关(303)选用单刀双掷的同轴射频开关；
该分时横纵波一体化探头(304)选用压电式横纵波一体化探头；
选用与被测螺栓规格、材料均一致的螺栓作为待标定螺栓(103)，按照装配顺序进行标定装置的安装；在拧紧及加载过程中，分时横纵波一体化探头(304)测得的纵波及横波信号以及拉力传感器(104)测得的轴向力值被同时输送到工业控制计算机(301)中进行数据处理；通过数据拟合获得超声纵波及横波的传播时间和待标定螺栓(103)所受总载荷之间的数学关系，即相应的超声检测系数；对于拉力传感器(104)和相关长度测量仪器能事先进行校准和溯源，因此，获得的拉力值和尺寸参数能作为标准值；该装置用于现场标定超声检测系数，标定温度与实际检测温度变化不大，因此温度对螺栓紧固力检测的影响忽略不计，不需要对检测结果进行温度补偿。
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