CN112444337A - 一种带温度补偿的输电铁塔螺栓预紧力测量探头和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带温度补偿的输电铁塔螺栓预紧力测量探头和方法，所述的测量探头包括外壳和设置在外壳内的固定环、温度传感器、圆柱形纵波超声压电陶瓷晶片、圆柱形横波超声压电陶瓷晶片，所述的圆柱形横波超声压电陶瓷晶片设置在外壳内中部且与螺栓贴合，所述的圆柱形纵波超声压电陶瓷晶片设置于圆柱形横波超声压电陶瓷晶片上方，所述的固定环设置外壳内壁上且与螺栓固定，所述的温度传感器设置在固定环和圆柱形横波超声压电陶瓷晶片之间且与螺栓接触，所述的外壳内部间隙设置背衬。本发明带温度补偿的输电铁塔螺栓预紧力测量探头与待测螺栓装卸方便，测量准确，更适合开展螺栓预紧力的在线实时监测。

Description

一种带温度补偿的输电铁塔螺栓预紧力测量探头和方法

技术领域

本发明属于输电铁塔螺栓连接结构健康监测领域，特别涉及一种基于超声热声弹性效应的带温度补偿的输电铁塔螺栓预紧力测量探头和方法。

背景技术

电力输电系统是国家重要战略工程之一，输电铁塔连接结构作为该系统的关键硬件载体，其自身服役安全性和可靠性很大程度上取决于螺栓结构的连接强度，这是由于螺栓连接结构的刚度和阻尼特性决定了输电铁塔整体结构的静强度和动强度特性，而其刚度和阻尼特性同螺栓连接结构的预紧力密切相关。螺栓连接结构在预紧安装后的服役阶段，受环境载荷作用，会发生预紧力丢失乃至松动，所以亟需发展相应的螺栓松动状态健康监测技术，保证输电铁塔连接强度。

公开号为CN111611706A的中国发明专利申请公开了一种螺纹连接件预紧力估测方法、存储有螺纹连接件预紧力估算程序的计算机可读介质，属于螺纹连接件维护领域，包括使用纵波测量在役螺纹连接件的纵波时差Δt_L，使用横波测量在役螺纹连接件的横波时差Δt_T，横波的频率低于纵波的频率；根据螺纹连接件的形状函数Γ获取螺纹连接件预紧力FP；该发明引入了螺纹连接件的形状函数，提高了螺纹连接件预紧力的估测精度。但是，该专利并没有考虑温度的影响，即忽略了温度变化对螺栓形变和纵横波波速的影响，具有一定的不准确性。

公开号为CN109668672A的中国发明专利申请公开了一种超声螺栓预紧力测量方法，包括：在螺栓首次紧固时，通过超声波测量螺栓自由状态和紧固状态下的声时差，基于所述声时差计算螺栓的伸长量，根据所述伸长量得出螺栓预紧力，以对螺栓预紧力进行精确控制。该发明能够精确测量首次紧固时螺栓的预紧力以及在役螺栓的残余预紧力，达到精确控制螺栓预紧力的目的。但是，该专利仅仅基于超声纵波单波信号，需要在每次紧固时候对螺栓应力测量数据进行基准状态标定，难以满足螺栓在役状态下的健康状态监测技术要求。

发明内容

为克服上述缺陷，本发明的目的在于提供一种带温度补偿的输电铁塔螺栓预紧力测量探头和方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种带温度补偿的输电铁塔螺栓预紧力测量探头，包括外壳和设置在外壳内的固定环、温度传感器、圆柱形纵波超声压电陶瓷晶片、圆柱形横波超声压电陶瓷晶片，所述的圆柱形横波超声压电陶瓷晶片设置在外壳内中部且与螺栓贴合，所述的圆柱形纵波超声压电陶瓷晶片设置于圆柱形横波超声压电陶瓷晶片上方，所述的固定环设置外壳内壁上且与螺栓固定，所述的温度传感器设置在固定环和圆柱形横波超声压电陶瓷晶片之间且与螺栓接触，所述的外壳内部间隙设置背衬。

优选地，所述的外壳为铝质合金圆柱形外壳。

优选地，所述的背衬材质为环氧树脂材料。

优选地，所述的固定环为环状吸附磁铁，所述的吸附磁铁与螺栓吸合。

优选地，所述的温度传感器为圆环形热敏材料温度传感器。

优选地，所述的外壳上还设置接插件。

一种带温度补偿的输电铁塔螺栓预紧力测量方法，包括以下步骤：

S1：通过延时激励方法依次激发横波和纵波电信号，分别通过横波和纵波超声压电陶瓷晶片转换为机械波，记录入射波时间，并通过结合界面沿着螺栓轴线由螺栓头部向尾部传播；

S2：依次接受超声横波和纵波机械波回波信号，分别通过横波和纵波超声压电陶瓷晶片转化为电信号，记录回波时间，获取回波和入射波的声时差；

S3：通过温度传感器测量输电铁塔螺栓的温度，记录相对室温的温度改变量；

S4：将步骤S1得到的声时差、步骤S2得到的温度改变量代入热声弹性效应方程，得到预紧力。

优选地，步骤S4中所述的热声弹性效应方程为：

式中：σ轴向应力，K_L与K_T分别为纵波与横波的声弹性系数；

对输电铁塔螺栓，L为螺栓伸长后的总长度，预紧后螺栓的等效受力长度为L₂，即为夹持长度加上螺栓头部和螺母轴向长度之和的一半；

Δt_L代表纵波传播时差，Δt_T代表横波传播时差；

V_L0与V_T0分别为室温条件下，零应力σ＝0状态下的纵波和横波声速；

ΔT是相对室温的温度改变量；

A_S为螺栓有效承力截面积，可表达为：

d为螺栓公称直径，P为螺纹螺距。

本发明的积极有益效果：

1.本发明带温度补偿的输电铁塔螺栓预紧力测量探头与待测螺栓装卸方便，测量准确，根据超声热声弹性效应，不仅考虑了温度变化对超声纵横波波速的影响，而且考虑了温度变化导致的螺栓结构热胀变形泊松比效应，同时依据给定规格材质螺栓的温度-预紧力-纵横波波速比关系图谱，进行螺栓的在役健康状态监测，避免了单波法需要每次安装后的基准标定工艺，更适合开展螺栓预紧力的在线实时监测。

附图说明

图1为本发明带温度补偿的输电铁塔螺栓预紧力测量探头结构示意图；

图中：1-外壳，2-固定环，3-温度传感器，4-圆柱形纵波超声压电陶瓷晶片，5-圆柱形横波超声压电陶瓷晶片，6-背衬。

具体实施方式

下面结合一些具体实施例对本发明进一步说明。

实施例1

参见图1，一种带温度补偿的输电铁塔螺栓预紧力测量探头，包括铝质合金圆柱形外壳1和设置在外壳1内的固定环2、温度传感器3、圆柱形纵波超声压电陶瓷晶片4、圆柱形横波超声压电陶瓷晶片5，外壳1保护内部传感器件；圆柱形横波超声压电陶瓷晶片5设置在外壳1内中部且与螺栓断面贴合，横波信号为5-8MHz，圆柱形纵波超声压电陶瓷晶片4设置于圆柱形横波超声压电陶瓷晶片5上方，纵波信号为2-5MHz；

固定环2设置外壳1内壁上且与螺栓固定，固定环2为环状吸附磁铁，吸附磁铁与螺栓吸合，通过铁磁性实现螺栓端面和圆柱形横波超声压电陶瓷晶片的贴合，适用于铁磁性材质的螺栓结构，装卸方便，对于非铁磁性材质螺栓结构，需要通过其它粘结方式实现压电陶瓷晶片和螺栓头部端面的有效声学贴合；温度传感器3为圆环形热敏材料温度传感器，设置在固定环2和圆柱形横波超声压电陶瓷晶片5之间且与螺栓接触，通过热电效应测量螺栓构件温度；外壳1、固定环2、温度传感器3之间相互粘接。

外壳1内部间隙设置背衬6，背衬6材质为环氧树脂材料，为吸声及阻尼材料，声阻抗尽接近压陶瓷晶片的声阻抗，起到支撑陶瓷晶片和吸收超声波能量的作用，提高测量探头灵敏度；外壳1上设置接插件(图未示)，通过连接线分别与纵/横波压电陶瓷晶片和温度传感器连接，将本发明测量探头得到的模拟信号传输给外部信号处理系统，完成数模转换。

上述带温度补偿的输电铁塔螺栓预紧力测量方法，包括以下步骤：

S1：为了避免同时激发纵横波造成的波形转换问题，以及由此导致电陶瓷晶片容易接受到杂波信号，所以通过延时激励方法依次激发横波和纵波电信号，即首先激励并接受横波信号，然后激励并接受纵波信号，横波和纵波激发时差为1-2s，分别通过横波和纵波超声压电陶瓷晶片转换为机械波，记录入射波时间，并通过结合界面沿着螺栓轴线由螺栓头部向尾部传播；

S2：依次接受超声横波和纵波机械波回波信号，分别通过横波和纵波超声压电陶瓷晶片转化为电信号，记录回波时间，获取回波和入射波的声时差；

S3：通过温度传感器测量输电铁塔螺栓的温度，传输给外部信号处理系统，完成数模转换，记录相对室温的温度改变量；

S4：将步骤S1得到的声时差、步骤S2得到的温度改变量代入热声弹性效应方程，得到预紧力。

预紧力计算过程为：

根据固体材料声弹性理论，当各向同性金属材质受到轴向应力σ作用时，沿螺栓中心轴方向传播的超声纵波和横波波速可以表示为：

上述公式可用于测量不同材质螺栓的温度-预紧力-纵横波波速比关系谱，进行螺栓的在役健康状态监测，避免了单波法需要每次安装后的基准标定工艺。

零应力σ＝0状态下，沿螺栓中心轴方向传播的超声纵波和横波声速可以表示为：

式中：V_Lσ与V_Tσ分别为非零应力σ≠0状态下超声纵波与横波的声速；

V_L0与V_T0分别为室温条件下，零应力σ＝0状态下的纵波和横波声速；

K_L与K_T分别为纵波与横波的声弹性系数；

ΔT是相对室温的温度改变量；

α为超声波速温度系数；

λ和μ是材料拉梅常数；

ρ是材料密度。

可见，V_L0和V_T0是材料线性声弹性效应的固有属性。

为提高测量准确性，需要获得螺栓夹持段和两端自由段伸长量和温度的关系，对输电铁塔螺栓，假设预紧后螺栓的等效受力长度为L₂，采用本发明所述的自发自收的纵横波在传播过程中的单一去程和回程，各自声时差Δt_L与Δt_T和轴向应力σ的关系为：

式中：Δt_L代表纵波传播时差，Δt_T代表横波传播时差；

对输电铁塔螺栓，L为螺栓伸长后的总长度，预紧后螺栓的等效受力长度为L₂，即为夹持长度加上螺栓头部和螺母轴向长度之和的一半，L₁为螺栓伸长长度L-L₂；

E为螺栓各向同性金属材料的弹性模量；

β为材料的热膨胀系数；

在保证分析精度前提下，上式可以转化为：

Δt_L0和Δt_T0分别表示零应力状态下螺栓中纵波和横波的传播时差。

零应力状态下，超声纵横波的声时差分别为：

(5)代入公式(4)，得到，

考虑β的量级为10^-5，而ΔT的量级为10²，所以βΔT＜＜1，上式可简化为，

考虑热胀变形的泊松比效应，螺栓预紧力F_p可表示为：

式中，ΔT是相对室温的温度改变量，A_S为螺栓有效承力截面积，可表达为：

d为螺栓公称直径，P为螺纹螺距。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种带温度补偿的输电铁塔螺栓预紧力测量探头，其特征在于，包括外壳和设置在外壳内的固定环、温度传感器、圆柱形纵波超声压电陶瓷晶片、圆柱形横波超声压电陶瓷晶片，所述的圆柱形横波超声压电陶瓷晶片设置在外壳内中部且与螺栓贴合，所述的圆柱形纵波超声压电陶瓷晶片设置于圆柱形横波超声压电陶瓷晶片上方，所述的固定环设置外壳内壁上且与螺栓固定，所述的温度传感器设置在固定环和圆柱形横波超声压电陶瓷晶片之间且与螺栓接触，所述的外壳内部间隙设置背衬。

2.根据权利要求1所述的一种带温度补偿的输电铁塔螺栓预紧力测量探头，其特征在于，所述的外壳为铝质合金圆柱形外壳。

3.根据权利要求1所述的一种带温度补偿的输电铁塔螺栓预紧力测量探头，其特征在于，所述的背衬材质为环氧树脂材料。

4.根据权利要求1所述的一种带温度补偿的输电铁塔螺栓预紧力测量探头，其特征在于，所述的固定环为环状吸附磁铁，所述的吸附磁铁与螺栓吸合。

5.根据权利要求1所述的一种带温度补偿的输电铁塔螺栓预紧力测量探头，其特征在于，所述的温度传感器为圆环形热敏材料温度传感器。

6.根据权利要求1所述的一种带温度补偿的输电铁塔螺栓预紧力测量探头，其特征在于，所述的外壳上还设置接插件。

7.一种带温度补偿的输电铁塔螺栓预紧力测量方法，其特征在于，利用权利要求1-6任一项所述的测量探头，包括以下步骤：

S1：通过延时激励方法依次激发横波和纵波电信号，分别通过横波和纵波超声压电陶瓷晶片转换为机械波，记录入射波时间，并通过结合界面沿着螺栓轴线由螺栓头部向尾部传播；

S2：依次接受超声横波和纵波机械波回波信号，分别通过横波和纵波超声压电陶瓷晶片转化为电信号，记录回波时间，获取回波和入射波的声时差；

S3：通过温度传感器测量输电铁塔螺栓的温度，记录相对室温的温度改变量；

S4：将步骤S1得到的声时差、步骤S2得到的温度改变量代入热声弹性效应方程，得到预紧力。

8.根据权利要求7所述的带温度补偿的输电铁塔螺栓预紧力测量方法，其特征在于，步骤S4中所述的热声弹性效应方程为：

式中：σ轴向应力，K_L与K_T分别为纵波与横波的声弹性系数；

对输电铁塔螺栓，L为螺栓伸长后的总长度，预紧后螺栓的等效受力长度为L₂，即为夹持长度加上螺栓头部和螺母轴向长度之和的一半；

Δt_L代表纵波传播时差，Δt_T代表横波传播时差；

V_L0与V_T0分别为室温条件下，零应力σ＝0状态下的纵波和横波声速；

ΔT是相对室温的温度改变量；

A_s为螺栓有效承力截面积，可表达为：

d为螺栓公称直径，P为螺纹螺距。

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