CN114623961B - 一种基于环型阵列的高声衰减螺栓轴力超声测量方法 - Google Patents

一种基于环型阵列的高声衰减螺栓轴力超声测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于环型阵列的高声衰减螺栓轴力超声测量方法，包括：S1.测量被测螺栓材料的声速；S2.在螺栓顶部制备环形阵列的超声传感器；S3.利用单阵元测量螺栓底部回波的飞行时间及螺栓长度；S4.构建几何模型，计算每个环形阵元的延迟法则；S5.按照时间延迟法则进行超声波信号的发射、采集与延迟叠加处理，实现底波飞行时间读取；S6.将标样螺栓进行轴向加载标定，拟合得到应力系数；S7.对紧固安装之后的待测螺栓进行飞行时间测量,结合标定系计算得到螺栓轴力。本发明创新的制备环形阵列传感器，控制超声波的延时聚焦，使得原本淹没在噪声中的超声底波信号显现出来，兼具测量精度高和测量效率高的优点。

Description

一种基于环型阵列的高声衰减螺栓轴力超声测量方法
技术领域
本发明涉及超声应力测量技术与薄膜传感器领域，具体涉及一种基于环型阵列的高声衰减螺栓轴力超声测量方法。
背景技术
螺栓紧固连接是工业部件最为主要的连接形式之一，也是连接结构中的薄弱环节。由于螺栓预紧力(轴力)减小导致的螺栓断裂及安全事故时有发生。超声波测量螺栓轴力的方法已经比较成熟，且广泛应用于航空航天、核电及新能源等领域。
超声波测量螺栓轴力的主要原理是基于声弹性效应，即从螺栓顶部发射的超声波信号，飞行到螺栓底部，然后由底面反射回来，被传感器接收到。通过记录超声波在螺栓中的飞行时间和标定，即可测得螺栓的轴力。因此，由底面反射的超声波是否可以被接收到，是这个方法可以实施的前提。
然而，根据应用场景的不同，螺栓材质包含合金钢、不锈钢、钛合金和高温合金等，而且这些材料的超声衰减特性都不一样。当面对如粗晶粒的高温合金等声衰减系数比较大的材料，采用传统的平面压电晶片的超声发射和接收，无法接收到来自螺栓底面的反射信号，从而无法实现此类螺栓的轴力测量。
针对高衰减材料螺栓的应力测量需求，本发明提出了环形阵列薄膜传感器的解决方。首先，通过将环形传感器采用粘接或者镀膜方式固定于螺栓顶部，从而避免传统接触式传感器耦合剂使用带来的声能耦合效率低的问题；其次，通过构建环形阵列的延迟发射模式，从而将波束能量汇聚在螺栓的底面，提高反射回来的声能量；最后，在接收时通过信号叠加模式，实现底面回波的振幅增强。通过对增强后底面回波信号的飞行时间测量和轴力标定，即可实现高衰减材料螺栓轴力的高精度测量。
发明内容
本发明的目的是提供一种高声衰减螺栓轴力超声测量方法，解决传统超声测量方法在高声衰减材料中无法获得底波飞行时间的问题，实现粗晶高温合金等材质螺栓中的轴力的精准测。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于环型阵列的高声衰减螺栓轴力超声测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、测量被测螺栓材料的声速；
步骤S2.在螺栓顶部制备环形阵列的超声传感器；
步骤S3.利用单阵元测量螺栓底部回波的飞行时间及螺栓长度；
步骤S4.构建几何模型，计算每个环形阵元的延迟法则；
步骤S5.按照时间延迟法则进行超声波信号的发射、采集与延迟叠加处理，实现底波飞行时间读取；
步骤S6.将标样螺栓进行轴向加载标定，拟合得到应力系数；
步骤S7.对紧固安装之后的待测螺栓进行飞行时间测量,结合标定系计算得到螺栓轴力。
在上述的一种基于环型阵列的高声衰减螺栓轴力超声测量方法，步骤S1中，选定与待测螺栓材料一致的螺栓材料，测试其声速c。
在上述的一种基于环型阵列的高声衰减螺栓轴力超声测量方法，步骤S2是利用镀膜方式或者贴片方式，在标样螺栓螺帽表面制备环形阵列的超声传感器，环形阵元由里到外的编号为Ri，其中i＝1,2,3,……N，且每个阵元面积S相等，阵元之间的间隙为g。
在上述的一种基于环型阵列的高声衰减螺栓轴力超声测量方法，步骤S3中，首先选取R1号阵元进行超声波的发射与接收，然后测量未加载情况下由螺栓底部返回的超声波的飞行时间t0，最后利用公式L＝c*t0/2计算得到待测螺栓的长度L。
在上述的一种基于环型阵列的高声衰减螺栓轴力超声测量方法，步骤S4中计算N个环形阵元的延迟法则具体包括：
步骤S4-1、在XY平面上，根据第i个阵元Ri坐标位置(xi，yi),依次计算阵元与中心的距离
Figure BDA0003518608140000021
步骤S4-2、结合螺栓长度，计算每个阵元发射超声波到达螺栓底部的声程
Figure BDA0003518608140000031
步骤S4-3、用声程Si除以声速c，计算每个阵元发射超声波到达螺栓底部的飞行时间，构成飞行时间数组ti
ti＝Si/c；
步骤S4-4、利用飞行时间数组ti减去R1号阵元对应的飞行时间t0，得到时间延迟数组Δti
Δti＝ti-t0。
在上述的一种基于环型阵列的高声衰减螺栓轴力超声测量方法，步骤S5中，按照时间延迟数组Δti进行超声波信号的发射、采集与延迟叠加处理，具体包括：
步骤S5-1、以Ri阵元对应的延迟时间为Δti，依次对所有的N个阵元进行激发，使得波束合成聚焦于标样螺栓底部；
步骤S5-2、以采样速率fs、采样点数M，对每个阵元接收的超声信号进行采集，得到N个长度为M的一位数组[Ai1,Ai2,……,Aij,……AiM]构成的超声信号；
步骤S5-3、计算每个超声信号数组的延迟位数Pi＝Δti*fs,然后对每个超声信号Ai进行平移处理，得到平移后超声信号Bi为：
Figure BDA0003518608140000032
步骤S5-4、将平移处理后的N个信号进行叠加，得到聚焦超声信号Af
Figure BDA0003518608140000033
步骤S5-5、读取聚焦信号Af对应的最大波形时刻，记录为超声波飞行时间t。
在上述的一种基于环型阵列的高声衰减螺栓轴力超声测量方法，步骤S6中，将带传感薄膜的标样螺栓固定在拉力机上进行轴向加载标定，以5KN为步进依次加载5个载荷梯度，记录个载荷梯度对应的飞行时间ti,将载荷与飞行时间进行线性拟合得到应力系数K1和K2。
在上述的一种基于环型阵列的高声衰减螺栓轴力超声测量方法，步骤S7中，对紧固安装之后的待测螺栓，重复S3-S5步骤，可以测量得到其飞行时间t1,结合标定系数K1和K2应用，计算得到螺栓轴力F为：
F＝K1*(t1-t0)+K2。
在上述的一种基于环型阵列的高声衰减螺栓轴力超声测量方法，步骤S2中环形阵列的阵元数量N≥8,阵元间距小于0.5倍的超声波波长，阵元之间的间隙g小于阵元的最小宽度。
在上述的一种基于环型阵列的高声衰减螺栓轴力超声测量方法，步骤S5中采样速率fs大于100MHz，采样点数M大于512。
本发明的有益效果在于：首先，利用环形薄膜阵列实现超声波的延时聚焦，分别在发射阶段的波束合成和在接收阶段的叠加增强，使得原本淹没在噪声中的超声底波信号显现出来，解决了传统聚焦探头因结构弧形而无法耦合的问题；其次将环形传感器采用粘接或者镀膜方式固定于螺栓顶部，从而避免传统接触式传感器耦合剂使用带来的声能耦合效率低的问题，提高测量精度；最后，本方法无需人为的设定焦点深度，可以自适应螺栓的长度，自动的执行阵列延迟法则的计算、执行和飞行时间的读取，提高测量效率。
附图说明
图1是环形阵列传感器结构及模型示意图。
图2是环形阵元的延迟规则曲线。
图3是执行延时聚焦处理后的螺栓底部超声信号。
图4是未执行延时聚焦处理后的螺栓底部超声信号。
图5是螺栓轴力与超声飞行时间的标定曲线。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明作以下详细描述。
实施例1
选取M10的粗晶高温合金螺栓，采用基于环型阵列的高声衰减螺栓轴力超声测量方法，进行螺栓预紧力测试，包括以下步骤：
S1.选定与待测螺栓材料一致的螺栓材料，测试其声速c，得到c＝6100m/s；
S2.利用镀膜方式或者贴片方式，在标样螺栓螺帽表面制备阵元为16的环形阵列的超声传感器，如图1所示，环形阵元由里到外的编号为Ri(i＝1,2,3,……N＝16)，且每个阵元面积S相等，阵元之间的间隙为g＝0.1mm；
S3.选取R1号阵元进行超声波的发射与接收，测量未加载情况下由螺栓底部返回的超声波的飞行时间t0＝16702ns,利用公式L＝c*t0/2计算得到待测螺栓的长度L为50mm；
S4.构建几何模型，如图1所示，计算N个环形阵元的延迟法则：
(1)在XY平面上，根据第i个阵元Ri坐标位置(xi，yi),依次计算阵元与中心的距离
Figure BDA0003518608140000051
(2)结合螺栓长度，计算每个阵元发射超声波到达螺栓底部的声程
Figure BDA0003518608140000052
(3)用声程Si除以声速c，计算每个阵元发射超声波到达螺栓底部的飞行时间，构成飞行时间数组ti
ti＝Si/c,
(4)利用飞行时间数组ti减去R1号阵元对应的飞行时间t0，得到时间延迟数组Δti
Δti＝ti-t0,
将Δti绘制成图，如图2所示；
S5.按照时间延迟数组Δti进行超声波信号的发射、采集与延迟叠加处理：
(1)以Ri阵元对应的延迟时间为Δti，依次对所有的N个阵元进行激发，使得波束合成聚焦于标样螺栓底部；
(2)以采样速率fs＝100MHz、采样点数M＝1024，对每个阵元接收的超声信号进行采集，得到N个长度为M的一位数组[Ai1,Ai2,……,Aij,……AiM]构成的超声信号，如图3；
(3)计算每个超声信号数组的延迟位数Pi＝Δti*fs,然后对每个超声信号Ai进行平移处理，得到平移后超声信号Bi为：
Figure BDA0003518608140000053
(4)将平移处理后的N个信号进行叠加，得到如图4所示聚焦超声信号Af
Figure BDA0003518608140000054
(5)读取聚焦信号Af对应的最大波形时刻，记录为超声波飞行时间t；
S6.将带传感薄膜的标样螺栓固定在拉力机上进行轴向加载标定，以5KN为步进依次加载5个载荷梯度，记录个载荷梯度对应的飞行时间ti,如图5所示，将载荷与飞行时间进行线性拟合得到应力系数K1＝0.28和K2＝-0.24；
S7.对紧固安装之后的待测螺栓，重复S3-S5步骤，可以测量得到其飞行时间t1,＝16832ns结合标定系数K1和K2应用，利用拟合系数计算螺栓轴力，
F＝K1*(t1-t0)+K2
计算得到螺栓轴力F＝36.16KN。
从实施例可以看到，本发明采用环形薄膜阵列可以实现超声波在螺栓底部的汇聚，然后利用延时叠加的后处理，使得螺栓底波的回波更加明显，从而可以实现超声飞行时间的精准测量；将环形传感器采用粘接或者镀膜方式固定于螺栓顶部，从而避免传统接触式传感器耦合剂使用带来的声能耦合效率低的问题，也无需做探头的移动，提高测量精度；本方法利用超声波直接测量螺栓长度，然后自动将长度设置为聚焦深度，进而可以自动的执行阵列延迟法则的计算、执行和飞行时间的读取，提高测量效率。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (8)

1.一种基于环型阵列的高声衰减螺栓轴力超声测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、测量被测螺栓材料的声速；
步骤S2.在螺栓顶部制备环形阵列的超声传感器，具体是利用镀膜方式或者贴片方式，在标样螺栓螺帽表面制备环形阵列的超声传感器，环形阵元由里到外的编号为Ri，其中i＝1,2,3,……N，且每个阵元面积S相等，阵元之间的间隙为g；
步骤S3.利用单阵元测量螺栓底部回波的飞行时间及螺栓长度；
步骤S4.构建几何模型，计算每个环形阵元的延迟法则，具体包括：
步骤S4-1、在XY平面上，根据第i个阵元Ri坐标位置(xi，yi),依次计算阵元与中心的距离
Figure FDA0004090140350000011
步骤S4-2、结合螺栓长度，计算每个阵元发射超声波到达螺栓底部的声程
Figure FDA0004090140350000012
步骤S4-3、用声程Si除以声速c，计算每个阵元发射超声波到达螺栓底部的飞行时间，构成飞行时间数组ti
ti＝Si/c；
步骤S4-4、利用飞行时间数组ti减去R1号阵元对应的飞行时间t0，得到时间延迟数组Δti
Δti＝ti-t0；
步骤S5.按照时间延迟法则进行超声波信号的发射、采集与延迟叠加处理，实现底波飞行时间读取；
步骤S6.将标样螺栓进行轴向加载标定，拟合得到应力系数；
步骤S7.对紧固安装之后的待测螺栓进行飞行时间测量,结合标定系计算得到螺栓轴力。
2.根据权利要求1所述的一种基于环型阵列的高声衰减螺栓轴力超声测量方法，其特征在于，步骤S1中，选定与待测螺栓材料一致的螺栓材料，测试其声速c。
3.根据权利要求1所述的一种基于环型阵列的高声衰减螺栓轴力超声测量方法，其特征在于，步骤S3中，首先选取R1号阵元进行超声波的发射与接收，然后测量未加载情况下由螺栓底部返回的超声波的飞行时间t0，最后利用公式L＝c*t0/2计算得到待测螺栓的长度L。
4.根据权利要求1所述的一种基于环型阵列的高声衰减螺栓轴力超声测量方法，其特征在于，步骤S5中，按照时间延迟数组Δti进行超声波信号的发射、采集与延迟叠加处理，具体包括：
步骤S5-1、以Ri阵元对应的延迟时间为Δti，依次对所有的N个阵元进行激发，使得波束合成聚焦于标样螺栓底部；
步骤S5-2、以采样速率fs、采样点数M，对每个阵元接收的超声信号进行采集，得到N个长度为M的一位数组[Ai1,Ai2,……,Aij,……AiM]构成的超声信号；
步骤S5-3、计算每个超声信号数组的延迟位数Pi＝Δti*fs,然后对每个超声信号Ai进行平移处理，得到平移后超声信号Bi为：
Figure FDA0004090140350000021
步骤S5-4、将平移处理后的N个信号进行叠加，得到聚焦超声信号Af
Figure FDA0004090140350000022
步骤S5-5、读取聚焦信号Af对应的最大波形时刻，记录为超声波飞行时间t。
5.根据权利要求1所述的一种基于环型阵列的高声衰减螺栓轴力超声测量方法，其特征在于，步骤S6中，将带传感薄膜的标样螺栓固定在拉力机上进行轴向加载标定，以5KN为步进依次加载5个载荷梯度，记录个载荷梯度对应的飞行时间ti,将载荷与飞行时间进行线性拟合得到应力系数K1和K2。
6.根据权利要求1所述的一种基于环型阵列的高声衰减螺栓轴力超声测量方法，其特征在于，步骤S7中，对紧固安装之后的待测螺栓，重复S3-S5步骤，可以测量得到其飞行时间t1,结合标定系数K1和K2应用，计算得到螺栓轴力F为：
F＝K1*(t1-t0)+K2。
7.根据权利要求1所述的一种基于环型阵列的高声衰减螺栓轴力超声测量方法，其特征在于，步骤S2中环形阵列的阵元数量N≥8,阵元间距小于0.5倍的超声波波长，阵元之间的间隙g小于阵元的最小宽度。
8.根据权利要求1所述的一种基于环型阵列的高声衰减螺栓轴力超声测量方法，其特征在于，步骤S5中采样速率fs大于100MHz，采样点数M大于512。
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