CN111537131A - 一种轴向预紧力单波测量方法 - Google Patents
一种轴向预紧力单波测量方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN111537131A CN111537131A CN202010310452.5A CN202010310452A CN111537131A CN 111537131 A CN111537131 A CN 111537131A CN 202010310452 A CN202010310452 A CN 202010310452A CN 111537131 A CN111537131 A CN 111537131A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- fastener
- pretightening force
- longitudinal wave
- axial
- time difference
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 title claims description 6
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 41
- 238000011088 calibration curve Methods 0.000 claims abstract description 29
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 claims abstract description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 14
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 12
- 239000010409 thin film Substances 0.000 claims description 8
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims description 6
- 230000026683 transduction Effects 0.000 claims description 5
- 238000010361 transduction Methods 0.000 claims description 5
- 238000003672 processing method Methods 0.000 claims description 3
- 230000036316 preload Effects 0.000 claims 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 31
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 abstract description 10
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 abstract description 5
- 238000009434 installation Methods 0.000 abstract 2
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 20
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 7
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 5
- 239000011241 protective layer Substances 0.000 description 5
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 5
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N Zinc monoxide Chemical compound [Zn]=O XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 4
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 4
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000009471 action Effects 0.000 description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 description 3
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N Alumina Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000002033 PVDF binder Substances 0.000 description 2
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052980 cadmium sulfide Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 2
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 2
- 239000007822 coupling agent Substances 0.000 description 2
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 2
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010432 diamond Substances 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 2
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229920002981 polyvinylidene fluoride Polymers 0.000 description 2
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 2
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 2
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 2
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011787 zinc oxide Substances 0.000 description 2
- 229910052984 zinc sulfide Inorganic materials 0.000 description 2
- WUPHOULIZUERAE-UHFFFAOYSA-N 3-(oxolan-2-yl)propanoic acid Chemical compound OC(=O)CCC1CCCO1 WUPHOULIZUERAE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910003327 LiNbO3 Inorganic materials 0.000 description 1
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910003781 PbTiO3 Inorganic materials 0.000 description 1
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- WGLPBDUCMAPZCE-UHFFFAOYSA-N Trioxochromium Chemical compound O=[Cr](=O)=O WGLPBDUCMAPZCE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000005083 Zinc sulfide Substances 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011651 chromium Substances 0.000 description 1
- 229910000423 chromium oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- QDOXWKRWXJOMAK-UHFFFAOYSA-N chromium(III) oxide Inorganic materials O=[Cr]O[Cr]=O QDOXWKRWXJOMAK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M copper(1+);methylsulfanylmethane;bromide Chemical compound Br[Cu].CSC PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 229910052593 corundum Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000006071 cream Substances 0.000 description 1
- 230000000994 depressogenic effect Effects 0.000 description 1
- 238000002592 echocardiography Methods 0.000 description 1
- 239000010408 film Substances 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 1
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 description 1
- APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N indium atom Chemical compound [In] APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000002452 interceptive effect Effects 0.000 description 1
- 238000010030 laminating Methods 0.000 description 1
- 239000002346 layers by function Substances 0.000 description 1
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 229910003465 moissanite Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 description 1
- BPUBBGLMJRNUCC-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);tantalum(5+) Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[Ta+5].[Ta+5] BPUBBGLMJRNUCC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 1
- 229910052950 sphalerite Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001936 tantalum oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- PBCFLUZVCVVTBY-UHFFFAOYSA-N tantalum pentoxide Inorganic materials O=[Ta](=O)O[Ta](=O)=O PBCFLUZVCVVTBY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000002277 temperature effect Effects 0.000 description 1
- 229910052718 tin Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000002463 transducing effect Effects 0.000 description 1
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 description 1
- 229910001845 yogo sapphire Inorganic materials 0.000 description 1
- DRDVZXDWVBGGMH-UHFFFAOYSA-N zinc;sulfide Chemical compound [S-2].[Zn+2] DRDVZXDWVBGGMH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
- G01L5/24—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for determining value of torque or twisting moment for tightening a nut or other member which is similarly stressed
- G01L5/246—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for determining value of torque or twisting moment for tightening a nut or other member which is similarly stressed using acoustic waves
Abstract
本发明提供一种轴向预紧力单波测量方法，包括：步骤1，在紧固件端面原位集成预紧力传感器；步骤2，确定紧固件的参数；步骤3，获取紧固件温度补偿标定曲线；步骤4，在紧固件处于不受力的自然状态下，测量超声波纵波发出到接收纵波第一次回波的声时差，设为参考值；步骤5，参考紧固件的实际使用状态，获取轴向预紧力标定曲线；步骤6，施以预紧力，测量超声波纵波的声时差，对照轴向预紧力标定曲线得出该声时差相对应的紧固件轴向预紧力数值。本发明解决现有技术存在的传感器环境适应性差、测量精度不高、方法实施细节模糊、设备相对复杂、超声波波形畸变造成测量失效等问题，实现紧固件安装指导和安装后的实时轴向预紧力监测。
Description
技术领域
本发明涉及一种轴向预紧力测量方法，具体涉及一种轴向预紧力单波测量方法。
背景技术
现有技术中，对于紧固件预紧力的测量，大多采用压电陶瓷片作为超声波换能器，需要在紧固件的两端粘贴同样的压电振荡器分别作为发射端和反射端，或者在紧固件的一端粘贴一个压电陶瓷传感器作为超声波收发端，一方面粘贴的方式、状态、粘贴膏的厚度无法保证每个紧固件的一致性，批量紧固件的测量数值具有较大的离散性，使得该测量方式存在较大误差，测量精度不高，另一方面耦合粘贴剂的引入使得产品存在环境稳定性的问题，无法适应于批量紧固件的量化测量。也有通过射频、红外、蓝牙等传感器实现测量，但这种方式需要将传感器设置在头部凹陷部位的底部，间接感应紧固件受到的应变力，由于与紧固件的贴合还是不够紧密，使得测量精度不够高。还有采用超声波进行紧固件预紧力的测量，但忽略了温度效应对紧固件长度变化和超声波声速的影响，以及紧固件使用状态对测量结果的影响，导致测量误差很大，测量精度不高。
发明内容
鉴于此，本发明提供了一种轴向预紧力单波测量方法，实现紧固件轴向预紧力的超声波单波快速高精度测量，解决现有技术存在的传感器环境适应性差、测量精度不高、方法实施细节模糊、设备相对复杂、超声波波形畸变造成测量失效等问题。
本发明提供了一种轴向预紧力单波测量方法，包括：
步骤1，在紧固件的一个端面原位集成一个预紧力传感器；
步骤2，确定所述紧固件的参数；
步骤3，在不同温度下，测量超声波纵波发出到接收纵波第一次回波的声时差，获取所述紧固件的温度补偿标定曲线；
步骤4，在所述紧固件处于不受力的自然状态下，测量超声波纵波发出到接收纵波第一次回波的声时差，并将接收的纵波第一次回波作为参考回波；
步骤5，参考所述紧固件的实际使用状态，基于声弹性原理，获取相同工况下超声波纵波的声时差与所述紧固件轴向预紧力之间的轴向预紧力标定曲线；
步骤6，对所述紧固件施以预紧力，测量超声波纵波的声时差，对照上述轴向预紧力标定曲线，得出该超声波纵波的声时差相对应的紧固件轴向预紧力数值。
作为本发明进一步的改进，上述步骤2中的参数、步骤3中的温度补偿标定曲线、步骤4中的参考回波数据以及步骤5中的实际使用状态和轴向预紧力标定曲线均存储在数据库中。
作为本发明进一步的改进，采用闭环反馈信号处理方法，记录参考回波的初始波形和位置，并根据紧固件受到预紧力伸长后纵波第一次回波信号移动的方向，锁定回波信号波，实时追踪纵波的回波波形。
作为本发明进一步的改进，所述预紧力传感器为薄膜压电换能传感器。
作为本发明进一步的改进，所述预紧力传感器集成于所述紧固件的上端面。
作为本发明进一步的改进，步骤1中，在所述紧固件端面标有识别码。
作为本发明进一步的改进，其特征在于，所述识别码位于所述紧固件的上端面。
作为本发明进一步的改进，步骤2中的参数为：超声波声速、紧固件的材料参数和紧固件的使用状态参数。
作为本发明进一步的改进，其特征在于，步骤3中，标定温度补偿系数所采用的方法为：将所述紧固件依次置于至少3个不同的温度下一定时间，使所述紧固件本身的温度与环境温度一致，分别测量超声波纵波发出到接收被所述紧固件底面反射回来的纵波第一次回波的声时差，建立超声波纵波的声时差随温度变化的关系曲线，确定温度补偿系数。
作为本发明进一步的改进，步骤5中，标定超声波纵波声时差与所述紧固件轴向预紧力之间对应关系所采用的方法为：基于所述紧固件的实际使用状态，采用电子万能试验机从0KN到所述紧固件屈服范围内，等距给定一组至少5个标准的拉力值，测量对应拉力状态下超声波纵波的声时差，建立该工况下的超声波纵波的声时差与紧固件轴向预紧力之间的标定曲线。
本发明的有益效果：
(1)本发明在测量过程中，引入直接生长在紧固件端面的预紧力传感器(优选薄膜压电换能传感器)，不改变紧固件的基本结构，超声波信号直接传入紧固件，避免了耦合剂对超声信号的干扰，大大提高了对预紧力的测量精度，可达±3％。
(2)对紧固件进行温度系数标定，建立超声波纵波的声时差随温度的变化关系曲线，确定温度补偿系数；
(3)采用电子万能试验机检测和标定测量精度，建立超声波纵波的声时差与紧固件轴向预紧力的标定曲线，可实现快速高精度测量同种批次和相同夹持状态下紧固件的轴向预紧力；
(4)由于实用化的传感器必须具备等同于紧固件本体的环境适应性和寿命，环境温度、振动等都会对紧固件中传输的超声波信号产生影响，本发明引入超声波纵波动态追踪技术可以有效提高该技术方法的稳定性和精准性；
(5)本发明的检测方法适用于所有对紧固件预紧力准确检测和监测有需求的场景，可以用于正在安装的紧固件，检测其预紧力是否达到目标值；也可以用于已经安装的紧固件，长期监测紧固件轴向预紧力的变化，防止预紧力过大或过小带来的关键部位结构损伤；同样可以用于批量紧固件轴向预紧力的检测和长期监测；
(6)本发明的测量方法使用范围广，可以应用到各行各业的各种具体环境中，尤其适用于重要装备设施关键连接紧固件的状态检测，特别是高空环境、水下环境、狭小空间、高温场景和辐射场景等所有人力不容易企及的场景，例如飞机主体结构连接螺栓、发送机燃烧室外壳螺栓、风电机组风机固定基座、高架铁塔、轨道交通领域的接触网、抱轴瓦以及路基连接螺栓、汽车发动机缸盖、轮毂和刹车盘螺栓等等。
附图说明
通过参照附图详细描述其示例实施例，本公开的上述和其它目标、特征及优点将变得更加显而易见。下面描述的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一实施例所述的一种轴向预紧力单波测量方法的流程示意图；
图2是本发明所采用的薄膜压电换能传感器的结构示意图；
图3是对螺栓进行温度标定得到的温度补偿标定曲线示意图；
图4是超声波纵波测量原理的示意图；
图5是纵波回波强度与变形量之间的曲线示意图。
图中：
1-紧固件；2-过渡层；3-压电层；4-保护层；5-电极层。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。
虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员以使得本发明所属技术领域的技术人员能够容易实施。正如本发明所属技术领域的技术人员能够容易理解，将在后面描述的实施例在不脱离本发明的概念和范围的基础上可变形为多种形式。在附图中尽量将相同或相似的部分用相同的附图标记表示。
在此使用的专业术语只是用来说明特定实施例而提供的，并不是用来限制本发明。在此使用的单数形式在没有表示明确的相反含义的情况下也包含复数形式。在说明书中使用的“包含”的具体化了特定的特性、领域、常数、步骤、动作、要素及/或成分，并不排除其他特定的特性、领域、常数、步骤、动作、要素、成分及/或组的存在或附加。
将下面使用的技术用语及科学用语包括在内的所有用语具有与本发明所属技术领域的技术人员一般理解的含义相同的含义。在词典中所定义的用语被补充解释为与相关技术文献和当前公开的内容相符的含义，在没有定义的情况下，不能被解释为具有非常正式的含义。
为了实现紧固件轴向预紧力的超声波单波快速高精度测量，解决现有技术存在的传感器环境适应性差、测量精度不高、方法实施细节模糊、设备相对复杂、超声波波形畸变造成测量失效等问题，本发明提出一种轴向预紧力单波测量方法。该测量方法基于原位生长在紧固件端面的超声波薄膜压电换能传感器，实现超声波纵波及其反射回波的一体收发，简化测量设备，可以解决传感器环境耐候性问题，做到螺栓全寿命周期轴向预紧力监测；综合考虑紧固件直径、有效装夹长度、与紧固件材质相关的参数、超声波纵波声速、声弹性模量、温度补偿系数等参数，可以有效避免螺栓质量以及温度引起声速和螺栓长度变化造成的测量误差；引入超声波纵波动态追踪技术，实时跟踪超声纵波回波信号，即使波形因为应力引起畸变，也不会造成超声波信号的丢失。通过对比紧固件在不同的状态下的声时差信号，分析计算得到紧固件的轴向预紧力(轴力、应力、载荷)。
如图1所示，本发明实施例的一种轴向预紧力单波测量方法，包括：
步骤1，在紧固件的一个端面原位集成一个预紧力传感器。
该预紧力传感器通过对超声波纵波信号的收发，可以实现对紧固件的轴向预紧力测量。
在一种可选的实施方式中，该预紧力传感器直接在紧固件的端面进行生长，使得预紧力传感器与端面是原子级别的结合，以这种集成方式引入预紧力传感器，不改变紧固件基体结构，超声波信号直接传入紧固件，可以避免在两者之间加入耦合层，不受耦合剂状态的影响，在测量过程中测量精度更高，大大提高了对预紧力的测量精度，可达±3％。
在一种可选的实施方式中，预紧力传感器可以集成于紧固件的上端面或下端面。优选的，预紧力传感器集成于紧固件的上端面，测量精度更为准确。
在一种可选的实施方式中，预紧力传感器采用薄膜压电换能传感器，这种传感器环境适应性强，耐高温和耐腐蚀，使用寿命长，在使用过程中测量精度更高。
在一种可选的实施方式中，薄膜压电换能传感器如图2所示，其在紧固件1的端面直接生长，从紧固件1表面往外依次设置压电层3和电极层5。压电层3为传感器的主要功能层，实现电信号和机械信号的相互转换，电极层5用于接收和向外导出电信号。通过测量设备为电极层5提供脉冲信号，压电层3在脉冲电压下产生压电效应和逆压电效应实现超声波信号的收发。
在一种可选的实施方式中，压电层3的材料包括但不限于氧化锌ZnO、氮化铝AlN、硫化镉CdS、硫化锌ZnS、氧化坦Ta2O5、铌酸锂LiNbO3、钛酸铅PbTiO3以及聚偏氟乙烯PVDF。
在一种可选的实施方式中，电极层5的材料包括但不限于铟、锡、铝、钛、镍、铜、银、金、铂、钨等。
在一种可选的实施方式中，紧固件1表面与压电层3之间还可以设置一过渡层2，过渡层2主要改善压电层薄膜与基体材料的结合力。
在一种可选的实施方式中，过渡层2的材质一般为金属，包括但不限于钛、镍、铬等。
上述实施方式中的过渡层2可以根据使用的紧固件的基体材料来进行适应性的设计。
在一种可选的实施方式中，压电层3与电极层5之间还可以设置一保护层4，保护层4一方面可以增加压电传感器的阻抗降低器件的电导，另一方面可以保护薄膜压电器件不受外界环境条件的侵蚀。
在一种可选的实施方式中，保护层4一般选用物理化学性质稳定、坚固且高阻的材料，包括但不限于三氧化二铬Cr2O3、氧化铝Al2O3、氮化铝AlN、氧化硅SiO2、氮化硅Si3N4、碳化硅SiC、金刚石及掺杂金刚石等。
上述实施方式中的保护层4可以根据传感器的使用环境等来进行适应性设计。
本发明的测量方法适用于各种紧固件的测量，例如螺栓、螺杆、螺钉等，紧固件的形式和材料不受限制。
在一种可选的实现方式中，在紧固件端面标有识别码。该识别码优选采用二维码，二维码的位置以方便扫描识别为主。优选的，识别码位于紧固件的上端面，因为下端面有可能是不暴露在外面的，从而影响了紧固件身份的识别。一般二维码的大小为2mm*2mm，当然二维码大小可以调节，主要依据紧固件端面的尺寸来定，在预紧力传感器以外或传感器上都可以。对每一个紧固件标上识别码，进行唯一化，确认身份ID，可以实现批量紧固件的相关信息和预紧力变化数据库式管理，且不会造成数据的混淆。
步骤2，确定紧固件的参数。
其中，上述参数包括：测量采用的与材质相关的超声波声速，紧固件的材料参数(例如弹性模量、屈服强度等)和紧固件的使用状态参数(例如采用螺栓的螺栓规格、螺栓直径、螺栓牙距、装夹长度等)，这些参数都存储在数据库中。每个紧固件都具有一个识别码，通过识别该识别码，可以实现对每个紧固件参数的直接调用和批量管理。基于同一批次的紧固件，可以选择其中一个紧固件来测量对应的参数，减少对数据的采集量和存储量。
步骤3，在不同温度下，测量超声波纵波发出到接收纵波第一次回波的声时差，获取紧固件的温度补偿标定曲线。
其中，温度补偿标定曲线的数据也存储在数据库中供调用和管理。
超声波纵波声速和紧固件伸长长度都受到温度的影响，温度升高，超声波纵波声速变慢，紧固件的长度也会较室温伸长，都会引起超声波纵波在紧固件中传播时间的测量误差，因此，对于同一批次的紧固件需要优先建立温度补偿标定曲线。在一种可选的实施方式中，在进行温度补偿系数标定时所采用的方法为：将紧固件依次置于5个不同的温度(参考点越多，标定曲线得到的校准系数会更准确，为确保标定系数的准确性，至少需要3个点)下一定时间，使紧固件本身的温度与环境温度一致，分别测量超声波纵波发出到接收被紧固件底面反射回来的纵波第一次回波的声时差，建立超声波纵波的声时差随温度变化的关系曲线，通过线性拟合确定温度补偿系数。
由于温度会引起紧固件长度的伸缩，且不同温度下超声波纵波的声速也会有变化，这些均会造成超声波纵波声时差的测量误差，导致得到的预紧力数值严重偏离真实值。同一种紧固件在受载荷和不受载荷的情况下，紧固件的超声波声时差与温度变化存在着线性关系，(T＝A+B*X，T为超声波纵波声时差，A、B为线性关系拟合值，X为紧固件温度)，且在受载荷和不受载荷两种情况下斜率相近，即温度补偿系数B可以认为一致。因此，得到的温度补偿系数B可以对超声波测量预紧力时计算公式里面超声波纵波声时差进行修正，使得测试值更加接近于真实值，提高轴向预紧力的测试精度。
图3示出了采用本方法对螺栓进行温度标定得到的温度补偿标定曲线示意图。
步骤4，在紧固件处于不受力的自然状态下，测量超声波纵波发出到接收纵波第一次回波的声时差，并将接收的纵波第一次回波作为参考回波。该参考回波作为后续测试声时差变化的基准线。
其中，紧固件不受力的状态即初始状态，所测量的参考回波数据需存储在数据库中。对同批次的每个紧固件，由于初始长度不一定完全相同，受到预紧力后伸长量变化比较小仅为微米级，紧固件初始长度的差异带来的误差不可估量，因此每个紧固件测试时，都是与自身不受力状态进行对比的，需要分别测量其初始状态数据进行存储。
步骤5，参考紧固件的实际使用状态，基于声弹性原理，获取相同工况下超声波纵波的声时差与紧固件轴向预紧力之间的轴向预紧力标定曲线。
声弹性原理，即紧固件在自由状态下，紧固件内部不存在预紧力(不考虑残余应力)，而在紧固状态下，由于预紧力的作用，紧固件将发生形变，因此此时紧固件的变形量为ΔL，变形量ΔL与预紧力F之间的数学关系如式(1)。
上式中，F为紧固件的预紧力，E为紧固件材质的弹性模量，S为紧固件截面积，ΔL为紧固件的变形量，L为紧固件的装夹长度。
如图4所示，超声波纵波测量原理基于发射和接收超声波脉冲电信号，测量计算发射和回波电信号之间的时间差。紧固件在自由状态下，发射和接收脉冲电信号之间的时间差为T0，紧固件在紧固状态下，发射和接收脉冲电信号之间的时间差为T1，依据脉冲电信号收发时间差与紧固件的变形量之间的关系，如式(2)，得到紧固件的变形量。
步骤4所获得的参考回波即是超声波纵波测量原理中的初始值，即T0的位置。
基于声弹性原理，紧固件所受应力的大小与紧固件的形变伸长量成正比关系，在一种可选的实施方式中，标定超声波纵波声时差与紧固件轴向预紧力之间对应关系所采用的方法为：基于紧固件的实际使用状态，采用电子万能试验机从0KN到紧固件屈服范围内，等距给定一组5个(参考点越多，标定曲线得到的校准系数会更准确，为确保标定系数的准确性，至少需要5个点)标准的拉力值，测量对应拉力状态下超声波纵波的声时差，建立该工况下的超声波声时差与紧固件轴向预紧力之间的标定曲线。
紧固件不受力和受力状态下超声波纵波声时差△T与紧固件轴向预紧力F之间变化存在着线性关系，参考公式(1)和公式(2)，此时，将前述温度补偿系数带入轴向预紧力公式中进行修正。
其中，紧固件的实际使用状态数据和轴向预紧力标定曲线均存储在数据库中，供直接调用和管理。
至此，同一批次的紧固件的所有相关信息，包括超声波声速、材料的弹性模量、屈服强度、螺栓规格、螺栓直径、螺栓牙距、装夹长度等，以及温度补偿标定曲线、超声波纵波声时差与紧固件轴向预紧力之间的轴向预紧力标定曲线、以及采用超声波测量预紧力时的初始状态数据、采用超声波测量预紧力时的实际使用状态数据(螺栓使役环境温度、声时差、伸长量、数据波动标准差、超声波测量的预紧力等)都存储在数据库中供调用和管理。
图5示出了本方法测量预紧力时，纵波回波强度与变形量之间的曲线示意图。
步骤6，对紧固件施以预紧力，测量超声波纵波的声时差，对照上述轴向预紧力标定曲线，得出该超声波纵波的声时差相对应的紧固件轴向预紧力。
前述步骤1-5已经完成了同一批次的紧固件的相关参数标定，对于该批次中其他的紧固件在使用过程中需要测量轴向预紧力时，对该紧固件采用步骤6的方法进行测量。
在一种可选的实施方式中，还包括：采用闭环反馈信号处理方法，记录参考回波的初始波形和位置，并根据紧固件受到预紧力伸长后纵波第一次回波信号移动的方向，锁定回波信号波，实时追踪纵波的回波波形。追踪到实时的回波波形后需要及时反馈数据，获取超声波纵波第一次回波曲线中所包含的由于所受预紧力变化引起的紧固件伸长量、声时差等信息。实用化的传感器必须具备等同于紧固件本体的环境适应性和寿命，环境温度、振动等都会对紧固件中传输的超声波信号产生影响，采用该追踪方法，超声波设备始终能捕获测量峰信号，保证预紧力应力剧烈变化下的测量结果的可靠性和准确性。
本发明的检测方法适用于所有对紧固件预紧力准确检测和监测有需求的场景，可以用于正在安装的紧固件(例如螺栓)，检测其预紧力是否达到目标值；也可以用于已经安装的紧固件(例如螺栓)，长期监测紧固件轴向预紧力的变化，防止预紧力过大或过小带来的关键部位结构损伤；同样可以用于批量紧固件(例如螺栓)轴向预紧力的检测和长期监测。优选的，适用于重要装备设施关键连接紧固件(例如螺栓)的状态检测，特别是高空环境、水下环境、狭小空间、高温场景和辐射场景等所有人力部容易企及的场景，例如飞机主体结构连接螺栓、发送机燃烧室外壳螺栓、风电机组风机固定基座、高架铁塔、轨道交通领域的接触网、抱轴瓦以及路基连接螺栓、汽车发动机缸盖、轮毂和刹车盘螺栓等等。
至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。
在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。
此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。
至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。
Claims (10)
1.一种轴向预紧力单波测量方法，其特征在于，包括：
步骤1，在紧固件的一个端面原位集成一个预紧力传感器；
步骤2，确定所述紧固件的参数；
步骤3，在不同温度下，测量超声波纵波发出到接收纵波第一次回波的声时差，获取所述紧固件的温度补偿标定曲线；
步骤4，在所述紧固件处于不受力的自然状态下，测量超声波纵波发出到接收纵波第一次回波的声时差，并将接收的纵波第一次回波作为参考回波；
步骤5，参考所述紧固件的实际使用状态，基于声弹性原理，获取相同工况下超声波纵波的声时差与所述紧固件轴向预紧力之间的轴向预紧力标定曲线；
步骤6，对所述紧固件施以预紧力，测量超声波纵波的声时差，对照上述轴向预紧力标定曲线，得出该超声波传播时间差相对应的紧固件轴向预紧力数值。
2.如权利要求1所述的一种轴向预紧力单波测量方法，其特征在于，上述步骤2中的参数、步骤3中的温度补偿标定曲线、步骤4中的参考回波数据以及步骤5中的实际使用状态和轴向预紧力标定曲线均存储在数据库中。
3.如权利要求1所述的一种轴向预紧力单波测量方法，其特征在于，步骤6中还包括：采用闭环反馈信号处理方法，记录参考回波的初始波形和位置，并根据紧固件受到预紧力伸长后纵波第一次回波信号移动的方向，锁定回波信号波，实时追踪纵波的回波波形。
4.如权利要求1所述的一种轴向预紧力单波测量方法，其特征在于，所述预紧力传感器为薄膜压电换能传感器。
5.如权利要求1所述的一种轴向预紧力单波测量方法，其特征在于，所述预紧力传感器集成于所述紧固件的上端面。
6.如权利要求1所述的一种轴向预紧力单波测量方法，其特征在于，步骤1中，在所述紧固件端面标有识别码。
7.如权利要求6所述的一种轴向预紧力单波测量方法，其特征在于，所述识别码位于所述紧固件的上端面。
8.如权利要求1所述的一种轴向预紧力单波测量方法，其特征在于，步骤2中的参数为：超声波声速、紧固件的材料参数和紧固件的使用状态参数。
9.如权利要求1所述的一种轴向预紧力单波测量方法，其特征在于，步骤3中，标定温度补偿系数所采用的方法为：将所述紧固件依次置于至少3个不同的温度下一定时间，使所述紧固件本身的温度与环境温度一致，分别测量超声波纵波发出到接收被所述紧固件底面反射回来的纵波第一次回波的声时差，建立超声波纵波声时差随温度变化的关系曲线，确定温度补偿系数。
10.如权利要求1所述的一种轴向预紧力单波测量方法，其特征在于，步骤5中，标定超声波纵波声时差与所述紧固件轴向预紧力之间对应关系所采用的方法为：基于所述紧固件的实际使用状态，采用电子万能试验机从0KN到所述紧固件屈服范围内，等距给定一组至少5个标准的拉力值，测量对应拉力状态下超声波纵波的声时差，建立该工况下的超声波纵波的声时差与紧固件轴向预紧力之间的标定曲线。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010310452.5A CN111537131A (zh) | 2020-04-20 | 2020-04-20 | 一种轴向预紧力单波测量方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010310452.5A CN111537131A (zh) | 2020-04-20 | 2020-04-20 | 一种轴向预紧力单波测量方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN111537131A true CN111537131A (zh) | 2020-08-14 |
Family
ID=71952269
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202010310452.5A Pending CN111537131A (zh) | 2020-04-20 | 2020-04-20 | 一种轴向预紧力单波测量方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN111537131A (zh) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113624388A (zh) * | 2021-07-08 | 2021-11-09 | 中国科学院工程热物理研究所 | 一种燃气轮机拉杆转子的预紧力-螺母拧紧力矩标定系统 |
| CN113916411A (zh) * | 2021-09-18 | 2022-01-11 | 哈尔滨工业大学 | 一种基于全局线性化Koopman状态观测器的预紧力测量方法 |
| CN114323375A (zh) * | 2021-05-12 | 2022-04-12 | 国网山西省电力公司电力科学研究院 | 一种gis盆式绝缘子法兰应力检测方法及系统 |
| CN114623956A (zh) * | 2022-02-24 | 2022-06-14 | 武汉大学 | 一种螺栓随机横向载荷及其作用方向的超声测量方法 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2007124924A2 (de) * | 2006-04-27 | 2007-11-08 | Intellifast Gmbh | Verbindungsbauteil mit temperaturfestem sensorelement |
| CN105258836A (zh) * | 2015-10-27 | 2016-01-20 | 中国铁道科学研究院铁道建筑研究所 | 监测螺栓状态的系统和方法 |
| CN107607398A (zh) * | 2017-08-11 | 2018-01-19 | 北京工业大学 | 一种残余应力对螺栓连接结构夹紧力衰减影响的测量方法 |
| CN109883664A (zh) * | 2019-01-08 | 2019-06-14 | 中国大唐集团新能源科学技术研究院有限公司 | 风电螺栓实时监控与诊断系统 |
| CN110514344A (zh) * | 2019-07-18 | 2019-11-29 | 青海大学 | 一种航空发动机螺栓预紧力精确控制方法 |
| CN110530571A (zh) * | 2019-08-30 | 2019-12-03 | 航天精工股份有限公司 | 一种对带传感器外螺纹紧固件进行预紧力标定的方法 |
-
2020
- 2020-04-20 CN CN202010310452.5A patent/CN111537131A/zh active Pending
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2007124924A2 (de) * | 2006-04-27 | 2007-11-08 | Intellifast Gmbh | Verbindungsbauteil mit temperaturfestem sensorelement |
| CN105258836A (zh) * | 2015-10-27 | 2016-01-20 | 中国铁道科学研究院铁道建筑研究所 | 监测螺栓状态的系统和方法 |
| CN107607398A (zh) * | 2017-08-11 | 2018-01-19 | 北京工业大学 | 一种残余应力对螺栓连接结构夹紧力衰减影响的测量方法 |
| CN109883664A (zh) * | 2019-01-08 | 2019-06-14 | 中国大唐集团新能源科学技术研究院有限公司 | 风电螺栓实时监控与诊断系统 |
| CN110514344A (zh) * | 2019-07-18 | 2019-11-29 | 青海大学 | 一种航空发动机螺栓预紧力精确控制方法 |
| CN110530571A (zh) * | 2019-08-30 | 2019-12-03 | 航天精工股份有限公司 | 一种对带传感器外螺纹紧固件进行预紧力标定的方法 |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114323375A (zh) * | 2021-05-12 | 2022-04-12 | 国网山西省电力公司电力科学研究院 | 一种gis盆式绝缘子法兰应力检测方法及系统 |
| CN113624388A (zh) * | 2021-07-08 | 2021-11-09 | 中国科学院工程热物理研究所 | 一种燃气轮机拉杆转子的预紧力-螺母拧紧力矩标定系统 |
| CN113916411A (zh) * | 2021-09-18 | 2022-01-11 | 哈尔滨工业大学 | 一种基于全局线性化Koopman状态观测器的预紧力测量方法 |
| CN114623956A (zh) * | 2022-02-24 | 2022-06-14 | 武汉大学 | 一种螺栓随机横向载荷及其作用方向的超声测量方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN111537132A (zh) | 一种轴向预紧力双波测量方法 | |
| CN111537131A (zh) | 一种轴向预紧力单波测量方法 | |
| RU2076252C1 (ru) | Ультразвуковой указатель нагрузки и способ его изготовления (их варианты) | |
| US8177464B2 (en) | Connector component with temperature-resistant sensor element | |
| US5220839A (en) | Ultrasonic load measuring device with control feature | |
| US7389682B2 (en) | Method and apparatus for engine torque sensing | |
| US6192759B1 (en) | Remote self-powered structure monitor | |
| US5205176A (en) | Ultrasonic load cell with transducer | |
| EP0381791B1 (en) | Ultrasonic load indicating member, apparatus and method | |
| US7114373B2 (en) | Fluid monitoring | |
| US20040065154A1 (en) | Load indicating member with identifying mark | |
| CN111504542A (zh) | 适于高温环境下使用的具有应力传感功能的紧固件及薄膜换能传感系统 | |
| CN111504541B (zh) | 适于高腐蚀环境下使用的具有应力传感功能的紧固件及薄膜换能传感系统 | |
| CN212363509U (zh) | 一种具有应力传感功能的紧固件及薄膜换能传感系统 | |
| Bulletti et al. | Interdigital piezopolymer transducers for time of flight measurements with ultrasonic lamb waves on carbon-epoxy composites under pure bending stress | |
| US20220390418A1 (en) | Active Temperature Compensation Technique for Structural Health Monitoring Sensors | |
| CN114623962B (zh) | 一种基于相控阵超声旋转扫描的螺栓横向载荷分布测量方法 | |
| CN110894858B (zh) | 健康监测系统 | |
| CN114623956A (zh) | 一种螺栓随机横向载荷及其作用方向的超声测量方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20200814 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |