CN113758996A - 基于混频非线性超声的法兰螺栓松动检测方法及检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于混频非线性超声的法兰螺栓松动检测方法及检测装置，所示检测装置包括激励信号产生系统、法兰螺栓连接件、检测信号采集系统和信号处理系统。本发明的检测方法，利用混频激励方式下两列不同频率的超声信号在法兰螺栓连接部位发生的非线性声学响应来检测螺栓连接的紧固状态。本发明给出了法兰螺栓松动检测中压电传感阵列在法兰面上的布置方式以及利用非线性系数评估螺栓松动状态的方法。
Description
技术领域
本发明涉及超声无损检测领域，尤其是一种基于混频非线性超声的法兰螺栓松动检测方法及检测装置。
背景技术
法兰螺栓连接结构由于具有可拆卸、易维修、密封好、强度高等优点成为机械装备中普遍采样的连接方式之一。随着人们对机械装备安全性要求的逐渐提高，法兰螺栓连接结构的日益受到重视。在实际服役过程中，由于温度变化、载荷变化、周期振动等环境因素的影响，法兰螺栓连接部位可能会出现局部变形和应力松弛现象，造成螺栓连接松动，严重时导致法兰螺栓连接失效，引发安全事故。为避免此类事故发生，对法兰螺栓紧固状态进行检测显得尤为重要。
传统的基于振动和基于机电阻抗的螺栓紧固状态检测方法分别存在对前期松动不敏感、检测范围有限、检测成本高、难以实现实时监测等不足。基于线性超声的检测方法，在螺栓完全松动时检测效果明显，然而对于螺栓早期松动的检测效果不佳。因此，研发一种新型无损检测方法来评估法兰螺栓的松动情况是必然之势。
发明内容
针对现有技术存在的上述技术问题，本发明的目的在于提供基于混频非线性超声的法兰螺栓松动检测方法及检测装置，利用混频激励方式下两列不同频率的超声信号在法兰螺栓连接部位发生的非线性声学响应来检测螺栓连接的紧固状态，并通过计算检测信号的非线性系数对法兰螺栓连接的紧固状态进行评价。
所述的基于混频非线性超声的法兰螺栓松动检测装置，其特征在于包括激励信号产生系统、法兰螺栓连接件、检测信号采集系统和信号处理系统；
法兰螺栓连接件包括通过螺栓连接在一起的法兰，所述法兰螺栓连接件的螺栓头所在法兰面上布置有激励压电传感器阵列，法兰螺栓连接件的螺母所在法兰面上布置有接收压电传感器阵列；
激励信号产生系统包括函数发生器、BNC接头和高压功率放大器，所述函数发生器包括两个输出通道，能够同步触发两列连续正弦高频信号；所述BNC接头用于对函数发生器发出的两列连续正弦高频信号进行信号叠加，并输入至高压功率放大器，高压功率放大器用于对信号的电压和功率进行放大；
其中，所述激励信号产生系统输出的叠加、放大后的信号，输出给所述法兰螺栓连接件上的激励压电传感器阵列产生混频超声信号，混频超声信号输入至法兰螺栓连接件的主体结构中发生调制后被法兰另一侧的接收压电传感器阵列接收；
所述检测信号采集系统用于采集由接收压电传感器阵列传来的检测信号，并将采集到的信号传输给信号处理系统；所述信号处理系统用于对采集到的检测信号进行分析，提取信号中的混频调制分量的特征，计算非线性系数，利用非线性系数评估法兰螺栓松动状态。
所述的基于混频非线性超声的法兰螺栓松动检测装置，其特征在于所述法兰螺栓连接件的结构中，激励压电传感器以及接收压电传感器的数量均与法兰上螺栓的数量相同，螺栓在法兰上沿着圆周方向间隔阵列排布，每两个螺栓中间位置的螺栓头所在法兰面上均布置有一个激励压电传感器，每两个螺栓中间位置的螺母所在法兰面上均布置有一个接收压电传感器，激励压电传感器和接收压电传感器均在法兰上沿着圆周方向间隔阵列排布设置；其中，所述激励压电传感器和接收压电传感器均是由压电陶瓷片构成，并在法兰的两侧面上呈一一对称分布。
所述的基于混频非线性超声的法兰螺栓松动检测装置，其特征在于所述检测信号采集系统采用高频信号采集卡，所述信号处理系统为计算机。
所述的基于混频非线性超声的法兰螺栓松动检测装置的检测方法，其特征在于包括以下步骤：
1)确定两列高频信号的最佳激励频率：利用函数发生器产生一组正弦扫频信号，所述一组正弦扫频信号经过高压功率放大器放大之后传入法兰螺栓连接件，后被高频信号采集卡采集，通过计算机分析找出响应最佳时对应的频率，在不同超声频率范围内重复上述操作，确定两列连续正弦高频信号的最佳激励频率分别为f1、f2；
2)同步触发两列连续正弦高频信号：通过控制函数发生器的输出通道1和2的触发方式实现激励频率f1、f2两列信号同步触发，经由BNC接头叠加后输出；
3)接入法兰螺栓连接件：将叠加后的信号输出至高压功率放大器对信号的电压和功率进行放大(在实际试验检测中，由于函数发生器通常最大电压只到20V，法兰螺栓结构体积、质量较大，单靠函数发生器输出的电压不足以检测到明显信号，因此需要经高压功率放大器放大)，然后将信号输出给激励压电传感器阵列，产生混频超声信号，并输入待测法兰螺栓连接件，经过法兰螺栓连接件调制后经其另一侧的接收压电传感器阵列接收并传入检测信号采集系统；
4)利用非线性系数评估法兰螺栓松动状态：所述检测信号采集将采集到的信号传输给计算机，计算机对采集到的检测信号进行分析，通过傅里叶变换得到检测信号的频谱图，从频谱图中读取调制边频处的幅值及两个基频处的幅值，计算非线性系数，利用非线性系数评估法兰螺栓的松动状态。
其中，输入法兰螺栓构件的两列信号会在构件连接处发生调制现象。频谱图中读取的调制边频，即两列基频信号发生调制后出现的频率，包含f1+f2、f2-f1，也就是和频频率、差频频率。基频信号是指f1和f2。
所述的基于混频非线性超声的法兰螺栓松动检测方法，其特征在于所述的的同步触发两列连续正弦高频信号的具体方式为：
1)将所述函数发生器的输出通道1触发的信号进行BRUST，将循环方式改为无限循环，并将其触发方式改为外部触发；
2)将所述函数发生器的输出通道2触发的信号进行BRUST，将循环当时改为无限循环，并将其触发方式改为手动触发；
3)确保输出通道2的激励频率高于输出通道1的激励频率，实现在手动触发输出通道2的同时带动输出通道1的触发，从而可避免因触发顺序不同或触发先后时间不同对调制产生的影响。
所述的基于混频非线性超声的法兰螺栓松动检测方法，其特征在于所述利用非线性系数评估法兰螺栓松动状态的具体步骤为：
1)对采集到的检测信号进行傅里叶变换，得到信号的频谱图，从频谱图中读取差频f2-f1处的幅值Af2-f1、和频f2+f1处的幅值Af2+f1，以及基频f1处的幅值Af1、基频f2处的幅值Af2；
2)根据公式
计算出检测信号的非线性系数β，利用非线性系数与螺栓松动程度的关系，评估法兰螺栓松动状态。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1、本发明提出了一种基于混频非线性超声的法兰螺栓松动检测方法，该方法采用两列连续正弦高频信号进行混频激励，可以增强混频超声信号在螺栓连接部件的非线性调制响应，提高了检测灵敏度。
2、本发明提出了一种基于混频非线性超声的法兰螺栓松动检测装置，利用在法兰面上布置的压电传感器阵列，可分别对单个螺栓和整个法兰面的紧固状态进行检测，从而更好地评估法兰螺栓的松动情况。
3、本发明利用检测信号的频域特征定义非线性系数作为螺栓松动程度的评价指标，根据非线性系数余螺栓紧固度之间的关联关系可以对螺栓松动程度进行定量评价。
附图说明
图1为本发明法兰螺栓连接件的结构示意图；
图2为本发明检测方法的操作步骤流程示意图；
图3为本发明检测方法中各部件的作用示意图；
图1中：1-法兰，2-螺栓，3-激励压电传感器。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围并不限于此。
实施例：
本发明法兰螺栓连接件的结构如图1所示，包括法兰1，螺栓2和激励压电传感器3。法兰螺栓连接件包括通过螺栓2连接在一起的法兰1，法兰螺栓连接件的螺栓头所在法兰面上布置有激励压电传感器阵列，法兰螺栓连接件的螺母所在法兰面上布置有接收压电传感器阵列。
法兰螺栓连接件的结构中，激励压电传感器以及接收压电传感器的数量均与法兰上螺栓的数量相同，螺栓在法兰上沿着圆周方向间隔阵列排布，每两个螺栓中间位置的螺栓头所在法兰面上均布置有一个激励压电传感器，每两个螺栓中间位置的螺母所在法兰面上均布置有一个接收压电传感器，激励压电传感器和接收压电传感器均在法兰上沿着圆周方向间隔阵列排布设置；其中，所述激励压电传感器和接收压电传感器均是由压电陶瓷片构成，并在法兰的两侧面上呈一一对称分布。
进一步地对照图1中，法兰1上螺栓2的数量是8个，相应地激励压电传感器3和接收压电传感器的数量均是8个。激励压电传感器3和接收压电传感器在法兰1的两侧面上分别沿着圆周方向间隔阵列排布。
本发明的检测装置，包括激励信号产生系统、法兰螺栓连接件、检测信号采集系统和信号处理系统；所述信号处理系统为计算机，检测信号采集系统为高频信号采集卡。
1)所述激励信号产生系统包括函数信号发生器、BNC接头和高压功率放大器，高压功率放大器对输入信号的电压和功率进行放大后输出给激励压电传感器阵列；
2)法兰螺栓连接件为一个上法兰、下法兰通过螺栓固定连接在一起的法兰件，法兰上固定的螺栓的数量是8个，螺栓配套有螺母；
3)法兰件的一侧面上设置激励压电传感器阵列，法兰件的另一侧面上设置接收压电传感器阵列，其中激励压电传感器阵列通过高压功率放大器与BNC接头的输出端通过导线相连接，在激励电压作用下产生超声信号，并输入到法兰螺栓连接结构件，而经过法兰螺栓连接结构件调制后的超声检测信号被接收压电传感器阵列接收；
4)如图1，所述激励压电传感器阵列布置在螺栓头所在法兰面上，而接收压电传感器阵列布置在螺母所在法兰面上，两个传感器阵列均由8片压电陶瓷片构成，这些压电陶瓷片沿法兰螺栓孔中心点所在圆的周向均匀胶接在每两个螺栓的中间位置，并在法兰的两侧面上呈一一对称分布；
5)检测信号采集系统为高频信号采集卡，与接收压电传感器阵列通过导线相连接，用于采集由接收压电传感器阵列输出的超声检测信号；
6)所述信号处理系统为计算机，与高频信号采集卡通过数据线相连接，用于对采集到的检测信号进行分析，提取信号中的混频调制分量的特征，计算非线性系数。
如图2，为本发明检测方法流程图，检测步骤如下：
1)确定两列高频信号的最佳激励频率：利用函数发生器产生一组正弦扫频信号，所述一组正弦扫频信号经过高压功率放大器放大之后传入法兰螺栓连接件，后被高频信号采集卡采集，通过计算机分析找出响应最佳时对应的频率，在不同超声频率范围内重复上述操作，确定两列连续正弦高频信号的最佳激励频率分别为f1、f2；
2)同步触发两列连续正弦高频信号：通过控制函数发生器的输出通道1和2的触发方式实现激励频率f1、f2两列信号同步触发，经由BNC接头叠加后输出；
3)接入法兰螺栓连接件：将叠加后的信号输出至高压功率放大器对信号的电压和功率进行放大，然后将信号输出给激励压电传感器阵列，产生混频超声信号，并输入待测法兰螺栓连接件，经过法兰螺栓连接件调制后经其另一侧的接收压电传感器阵列接收并传入检测信号采集系统；
4)利用非线性系数评估法兰螺栓松动状态：所述检测信号采集将采集到的信号传输给计算机，计算机对采集到的检测信号进行分析，通过傅里叶变换得到检测信号的频谱图，从频谱图中读取调制边频处的幅值及两个基频处的幅值，计算非线性系数，利用非线性系数评估法兰螺栓的松动状态。
所述的的同步触发两列连续正弦高频信号的具体方式为：
1)将所述函数发生器的输出通道1触发的信号进行BRUST，将循环方式改为无限循环，并将其触发方式改为外部触发；
2)将所述函数发生器的输出通道2触发的信号进行BRUST，将循环当时改为无限循环，并将其触发方式改为手动触发；
3)确保输出通道2的激励频率高于输出通道1的激励频率，实现在手动触发输出通道2的同时带动输出通道1的触发，从而可避免因触发顺序不同或触发先后时间不同对调制产生的影响。
所述利用非线性系数评估法兰螺栓松动状态的具体步骤为：
1)对采集到的检测信号进行傅里叶变换，得到信号的频谱图，从频谱图中读取差频f2-f1处的幅值Af2-f1、和频f2+f1处的幅值Af2+f1，以及基频f1处的幅值Af1、基频f2处的幅值Af2；
2)根据公式
计算出检测信号的非线性系数β，利用非线性系数与螺栓松动程度的关系，评估法兰螺栓松动状态。
本发明可通过实验检测螺栓不同松动状态下的非线性系数，建立起非线性系数与螺栓松动程度之间的对应关系，以便后续在实际检测中评估法兰螺栓松动状态。
本说明书所述的内容仅仅是对发明构思实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式。
Claims (6)
1.基于混频非线性超声的法兰螺栓松动检测装置，其特征在于包括激励信号产生系统、法兰螺栓连接件、检测信号采集系统和信号处理系统；
法兰螺栓连接件包括通过螺栓连接在一起的法兰，所述法兰螺栓连接件的螺栓头所在法兰面上布置有激励压电传感器阵列，法兰螺栓连接件的螺母所在法兰面上布置有接收压电传感器阵列；
激励信号产生系统包括函数发生器、BNC接头和高压功率放大器，所述函数发生器包括两个输出通道，能够同步触发两列连续正弦高频信号；所述BNC接头用于对函数发生器发出的两列连续正弦高频信号进行信号叠加，并输入至高压功率放大器，高压功率放大器用于对信号的电压和功率进行放大；
其中，所述激励信号产生系统输出的叠加、放大后的信号，输出给所述法兰螺栓连接件上的激励压电传感器阵列产生混频超声信号，混频超声信号输入至法兰螺栓连接件的主体结构中发生调制后被法兰另一侧的接收压电传感器阵列接收；
所述检测信号采集系统用于采集由接收压电传感器阵列传来的检测信号，并将采集到的信号传输给信号处理系统；所述信号处理系统用于对采集到的检测信号进行分析，提取信号中的混频调制分量的特征，计算非线性系数，利用非线性系数评估法兰螺栓松动状态。
2.如权利要求1所述的基于混频非线性超声的法兰螺栓松动检测装置，其特征在于所述法兰螺栓连接件的结构中，激励压电传感器以及接收压电传感器的数量均与法兰上螺栓的数量相同，螺栓在法兰上沿着圆周方向间隔阵列排布，每两个螺栓中间位置的螺栓头所在法兰面上均布置有一个激励压电传感器，每两个螺栓中间位置的螺母所在法兰面上均布置有一个接收压电传感器，激励压电传感器和接收压电传感器均在法兰上沿着圆周方向间隔阵列排布设置；其中，所述激励压电传感器和接收压电传感器均是由压电陶瓷片构成，并在法兰的两侧面上呈一一对称分布。
3.如权利要求1所述的基于混频非线性超声的法兰螺栓松动检测装置，其特征在于所述检测信号采集系统采用高频信号采集卡，所述信号处理系统为计算机。
4.一种基于权利要求3所述的基于混频非线性超声的法兰螺栓松动检测装置的检测方法，其特征在于包括以下步骤：
1)确定两列高频信号的最佳激励频率：利用函数发生器产生一组正弦扫频信号，所述一组正弦扫频信号经过高压功率放大器放大之后传入法兰螺栓连接件，后被高频信号采集卡采集，通过计算机分析找出响应最佳时对应的频率，在不同超声频率范围内重复上述操作，确定两列连续正弦高频信号的最佳激励频率分别为f1、f2；
2)同步触发两列连续正弦高频信号：通过控制函数发生器的输出通道1和2的触发方式实现激励频率f1、f2两列信号同步触发，经由BNC接头叠加后输出；
3)接入法兰螺栓连接件：将叠加后的信号输出至高压功率放大器对信号的电压和功率进行放大，然后将信号输出给激励压电传感器阵列，产生混频超声信号，并输入待测法兰螺栓连接件，经过法兰螺栓连接件调制后经其另一侧的接收压电传感器阵列接收并传入检测信号采集系统；
4)利用非线性系数评估法兰螺栓松动状态：所述检测信号采集将采集到的信号传输给计算机，计算机对采集到的检测信号进行分析，通过傅里叶变换得到检测信号的频谱图，从频谱图中读取调制边频处的幅值及两个基频处的幅值，计算非线性系数，利用非线性系数评估法兰螺栓的松动状态。
5.如权利要求4所述的基于混频非线性超声的法兰螺栓松动检测方法，其特征在于所述的的同步触发两列连续正弦高频信号的具体方式为：
1)将所述函数发生器的输出通道1触发的信号进行BRUST，将循环方式改为无限循环，并将其触发方式改为外部触发；
2)将所述函数发生器的输出通道2触发的信号进行BRUST，将循环当时改为无限循环，并将其触发方式改为手动触发；
3)确保输出通道2的激励频率高于输出通道1的激励频率，实现在手动触发输出通道2的同时带动输出通道1的触发，从而可避免因触发顺序不同或触发先后时间不同对调制产生的影响。
6.如权利要求4所述的基于混频非线性超声的法兰螺栓松动检测方法，其特征在于所述利用非线性系数评估法兰螺栓松动状态的具体步骤为：
1)对采集到的检测信号进行傅里叶变换，得到信号的频谱图，从频谱图中读取差频f2-f1处的幅值Af2-f1、和频f2+f1处的幅值Af2+f1，以及基频f1处的幅值Af1、基频f2处的幅值Af2；
2)根据公式
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