CN1156679C - 超声螺栓紧固力测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声螺栓紧固力测试装置。它包括：分别安装在螺栓端面的纵波换能器、横波换能器，纵波换能器分别接超声波发射电路和经纵波接收电路接放大器，横波换能器分别接超声波发射电路和经横波接收电路接放大器；安装在被夹紧工件两端面的位移传感器经测厚电路、第一A/D模数转换电路接DSP中央处理器；安装在螺母端面的温度传感器经测温电路、第二A/D模数转换电路接DSP中央处理器；主控振荡器分别接超声发射电路图和经逻辑电路接放大器；时基脉冲电路经累加平均电路接DSP中央处理器；用于存储材料系数的只读存储器ROM挂接在DSP中央处理器上。它采用声弹性原理，通过测量超声波在螺栓中传播速度确定螺栓的紧固力。可广泛用于钢结构上高强度螺栓的轴向应力无损检测。

Description

超声螺栓紧固力测试装置

                          技术领域

本发明涉及力或应力的计量，是一种超声螺栓紧固力测试装置。

                          背景技术

建筑钢结构以其造价低于混凝土结构、有效使用面积高于混凝土结构、污染少于混凝土结构、抗震性能好，以及我国钢产量已跃居世界第一，国家政策鼓励建筑中多用钢材等诸多因素而得到迅速发展。日、韩、西欧等地区住宅钢结构所占比例高达20～50％，而我国目前尚不到1％，因此钢结构建筑在我国还有很大的发展空间。

钢结构中大量使用高强螺栓连接。因此，其施工质量直接影响建筑工程质量及使用安全。因此，高强螺栓的紧固力必须控制在规定的范围内，过小固然不行，过大更有害。因为高强螺栓的材料有一定脆性，紧固力过大的螺栓在载荷作用下有可能最先断裂，从而削弱该节点的承载力，严重时就可能诱发结构失稳，造成安全事故。为此，国家建设部、国家质检总局联合发布了《GB 50205-2001钢结构工程施工质量验收规范》，对此做了详细规定。此外还有其他相关标准如GB/T 1228～1231，GB/T 3632～3633等标准与之配套，足见此事的重要性。

高强螺栓紧固力的大小在实际施工时是无法直接测量，而是通过拧紧螺栓的扭矩来控制的。由于施工人员素质、施工器具以及施工管理等方面的原因，欠拧和超拧的现象难以完全避免。现在的事后检查方法是抽样部分退出重拧。不仅费时费事，而且抽查面很小。对此国外也尚无成熟的办法。

                          发明内容

本发明的目的是提供一种超声螺栓紧固力测试装置，它通过超声波实现螺栓紧固力的无损检测。

本发明采用的技术方案包括：

1)分别安装在螺栓端面的纵波换能器、横波换能器，纵波换能器分别接超声波发射电路和经纵波接收电路接放大器，横波换能器分别接超声波发射电路和经横波接收电路接放大器；

2)安装在被夹紧工件两端面的位移传感器经测厚电路、第一A/D模数转换电路接DSP中央处理器；

3)安装在螺母端面的温度传感器经测温电路、第二A/D模数转换电路接DSP中央处理器；

4)主控振荡器分别接超声发射电路图和经逻辑电路接放大器；

5)时基脉冲电路经累加平均电路接DSP中央处理器；

6)用于存储材料系数的只读存储器ROM挂接在DSP中央处理器上。

超声发射电路包括触发脉冲产生电路和发射脉冲产生电路，触发脉冲产生电路由两片555定时器来实现，第一片555定时器构成一占空比可调的多谐振荡器；第二片555定时器构成一方波发生器；发射电压通过电阻R8加在开关管TR1集电极上，开关管TR1发射极接地；超声换能器发射脉冲采用电容储能和电感储能相结合的方式，它由开关管TR1、储能电容C3、储能电感L等组成；

纵波接收及放大器和横波接收及放大器为相同参数的两个电路，包括换能器和三级放大：前两级采用高速精密放大器LM318；第三级采用运算放大器LF353；

测厚电路包括正弦波产生电路和峰值提取电路，经A/D模数转换电路数字化后与DSP中央处理器接口；

测温电路通过运算放大器4558将电流输出转化为电压输出，便于经A/D模数转换电路数字化后与DSP中央处理器接口；

主控振荡器包括三个数字非门与RC电路；

时基脉冲由晶振并联两个电容和两个电阻与两个非门组成的电路串联并通过另一非门输出至累加平均电路；

逻辑电路包括回波识别电路和过零提取电路，分别由高速比较器LM360和JK触发器74L573组成；

累加平均电路可由MCS-51系列单片机组成最小单片机系统实现。

本发明与背景技术相比，具有的有益的效果是：采用声弹性原理，通过测量超声波在螺栓中传播速度确定螺栓的紧固力。该测试装置可广泛应用于钢结构上高强度螺栓的轴向应力检测，在已联接螺栓上直接测量，不会对联接构件造成任何破坏，可实现真正的无损检测。适用于对8.8级与10.9级高强度螺栓轴向应力的检测，可应用于螺栓预紧力的精确控制以及螺栓工作应力的监测。测量精度可达8％，检测时间少于3分钟。可广泛应用于紧螺栓联接的场合。

                           附图说明

图1是本发明纵横波法测紧固螺栓轴向应力尺寸约定图；

图2是本发明的结构框图；

图3是本发明的超声发射电路原理图；

图4是本发明的超声接收、放大电路原理图；

图5是本发明的测温电路原理图；

图6是本发明的测厚电路原理图；

图7是本发明的主控振荡器原理图；

图8是本发明的时基脉冲电路原理图；

图9是本发明的逻辑电路原理。

具体实施方式

1、本发明的测试理论基础

当螺栓不受应力时，纵横波在其中传播的声速为：

$C_{l0}=\sqrt{(\mathrm{\λ}+2\mathrm{\μ}){\mathrm{\ρ}}_0}---\left(1\right)$

$C_{t0}=\sqrt{\mathrm{\μ}/{\mathrm{\ρ}}_0}$

上式中：C_l0、C_t0——分别为纵、横波在固体材料中传播的声速；

             ρ₀——材料的密度；

          λ、μ——拉梅常数。

而根据非线性弹性理论和非线性声学，当各向同性固体材料受某一方向应力、且纵横波同应力方向一致时，声速和应力的关系为：

          (V_l0-C_l0)/C_l0＝-K_L·T

          (V_t0-C_t0)/C_t0＝-K_T·T    (2)

上式中：K_L，K_T——仅与材料有关的系数；

      V_l0，V_t0——受应力后的纵、横波声速；

      C_l0，C_t0——受力前的声速；

             T——应力。

设螺栓未受应力时温度为t₀℃，螺栓的温度膨胀系数为β，则螺栓在温度为t℃时，纵横波在螺栓中传播的声时分别为：

         S_l0＝2L₀[1+β(t-t₀)]/V_l(t)

         S_t0＝2L₀[1+β(t-t₀)]/V_t(t)    (3)

温度对声速的影响为：

      V_l(t)＝C_l0(1-α_lΔt)

      V_t(t)＝C_t0(1-α_tΔt)    (4)

其中：Δt＝t-to，V_l(t)、V_t(t)分别为纵、横波不受应力而温度为t℃时的声速，

      L。为螺栓在温度为t₀℃时的长度，β为温度膨胀系数，C_l0、C_t0分别

      为纵横波在不受应力且温度为t₀℃时的声速，α_l及α_t分别为纵横波声速

      随温度变化的声速系数。于是：

      S_l0＝2L₀(1+βΔt)/[C_l0(1-α_lΔt)]

      S_t0＝2L₀(1+βΔt)/[C_t0(1-α_tΔt)]

设横纵波在不受应力时S_t0对S_l0比值为：

      x₀＝S_t0/S_l0＝[C_l0(1-α_lΔt)]/[C_t0(1-α_tΔt)]

而α_l及α_t约为10^-4数量级，是只与材料有关的常数。所以当Δt＜10³℃数量级时，α_lα_tΔt＜10^-5，取一级近似得：

上式表明当Δt＜10³时，x₀与Δt近似为一直线，且斜率为(α_t-α_l)C_l0/C_t0。

设螺栓受拉应力T，温度t℃情况下，纵横波在螺栓内传播的声时为S_l和S_t，

      x₀＝S_t0/S_l0≈C_l0(1-α_lΔt-α_tΔt)/C_t0螺栓中传播的声时为受力部分及不受力部分声时之和，考虑温度及应力对螺栓的伸长，并注意利用式(4)及图1，则有

$S_l=\frac{2\mathrm{\Δl}[1+\mathrm{\β}(t-t_0)]}{V_l\left(t\right)}+\frac{2r^{\′}[1+\mathrm{\β}(t-t_0)]+{2r}^{\′}T/E}{V_l(T,t)}$

$=\frac{2\mathrm{\Δl}[1+\mathrm{\β}(t-t_0)]}{C_{l0}[1-{\mathrm{\α}}_l(t-t_0)]}+\frac{{2r}^{\′}[1+\mathrm{\β}(t-t_0)]+{2r}^{\′}T/E}{C_{l0}[1-{\mathrm{\α}}_l(t-t_0)](1-K_{L}T)}$

$=S_{l0}+\frac{{2r}^{\′}(1+\mathrm{\β\Δt})+{2r}^{\′}T/E-{2r}^{\′}(1+\mathrm{\β\Δt})(1-K_{L}T)}{C_{l0}(1-{\mathrm{\α}}_l\mathrm{\Δt})(1-K_{L}T)}$

上式中V_l(t)、V_l(T，t)分别为纵波不受应力且温度为t℃和受应力T且温度为t℃时的声速；E为扬氏模量，r′＝r+r₁+r₂为有效夹紧距离，即螺栓受应力长度(见图1)，r为两螺母内夹紧距离，(r₁+r₂)为两螺母内螺栓受力长度称夹紧距离；K_L为仅由材料决定的常数，T为应力；Δl＝L₀-r′为螺栓不受应力长度，2Δlβ(t-t₀)为螺栓不受力长度由温度变化所增加的声程，2r′T/E为螺栓受力长度由应力变化所增加的声程，2r′β(t-t₀)为螺栓受力长度由温度变化所加的声程。横波情况完全类似。化简，纵横波在螺栓中传播的声时为：

$S_l=S_{l0}+\frac{{2r}^{\′}(1+\mathrm{\β\Δt})K_{L}T+{2r}^{\′}T/E}{C_{l0}(1-{\mathrm{\α}}_l\mathrm{\Δt})(1-K_{L}T)}$

$S_t=S_{t0}+\frac{{2r}^{\′}(1+\mathrm{\β\Δt})K_{T}T+{2r}^{\′}T/E}{C_{t0}(1-{\mathrm{\α}}_t\mathrm{\Δt})(1-K_{T}T)}$

上式可进一步化简为：

$T=\frac{S_l{x}_0-S_t}{(S_l{x}_0-S_t)(K_L+K_T)+\frac{{2r}^{\′}(1+\mathrm{\β\Δt})(K_L-K_T)}{C_{l0}(1-{\mathrm{\α}}_t\mathrm{\Δt})}}$

由文献[1]可知，K_L约为10^-5/MPa＝10^-11m²/N，K_T约为10^-12m²/N数量级。一般情况下T＜250MPa，因此T(K_T+K_L)＜＜1，上式可进一步化为：

$T=\frac{C_{t0}(1-{\mathrm{\α}}_t\mathrm{\Δt})(S_l{x}_0-S_t)}{{2r}^{\′}(1+\mathrm{\β\Δt})(K_L-K_T)}---\left(5\right)$

定义：

K(r)＝C_t0/[2r′(K_L-K_T)]

K(t)＝(1-α_tΔt)/(1+βΔt)

则：

T＝K(r)K(t)(S_lx₀-S_t)    (6)K(r)为只与材料和夹紧距离有关而与温度及应力无关的系数，K(t)为只与材料和温度有关而与应力无关的系数，x₀为螺栓无应力时的横、纵波波速之比值，其值与温度及材料有关而与应力无关。因此K(r)、K(t)、x₀均可在实测前测出其相应螺栓材料值并存贮在数据存储器中。当温度变化不大(小于100℃)时，根据螺栓受应力时测得的纵横波声时，可由式(6)近似计算出螺栓应力。

通过对不同材料的螺栓在无应力条件下测出其纵横波声时，用计算机采集数据并描绘曲线，不同的材料有不同的斜率，即x₀＝S_t0/S_l0。对于同一材料x₀为温度的线性函数。将各种材料的x₀与温度t拟合成线性关系式x₀(t)存储在只读存储器中。

式(5)中的r′＝r+r₁+r₂是螺栓应受力长度是不容易直接测量的，但r是夹紧距离是容易测量的，(r₁+r₂)是螺栓在螺母区内受力部分，无法直接量度。为求出K(r)，令ΔS＝S_lx₀-S_t，于是：

$\frac{1}{K\left(r\right)}=\frac{K\left(t\right)\mathrm{\ΔS}}{T}=\frac{2(K_L-K_T)}{C_{\mathrm{to}}}(r+r_1+r_2)---\left(7\right)$

其中：K(t)为仅与材料和温度有关而与应力无关的常数，可以通过材料特性参数和温度直接计算出来； $\frac{2(K_L-K_T)}{C_{\mathrm{to}}}$ 为仅与材料有关的常数。因此测出同一温度、应力，不同夹紧距离r下的一系列 值，用该值对r进行直线拟合求出(r₁+r₂)，即可获得K(r)的值。

将各种螺栓材料的K(r)、K(t)及x₀(t)值都进行测定并存储在只读存储器中。当实测已紧固螺栓应力时，根据已知的螺栓材料及测温电路获得的螺栓温度提取相应的K(r)、K(t)及x₀(t)值，同时测得受应力时的纵、横波声时及夹紧距离，根据式(6)便可计算出紧固螺栓中的轴向应力。

2、仪器结构及工作原理

如图2所示，是本发明的结构框图，它包括：

1)分别安装在螺栓端面的纵波换能器7、横波换能器8，纵波换能器7分别接超声波发射电路10和经纵波接收电路9接放大器13，横波换能器8分别接超声波发射电路10和经横波接收电路16接放大器13；

2)安装在被夹紧工件两端面的位移传感器1经测厚电路3、第一A/D模数转换电路4接DSP中央处理器17；

3)安装在螺母端面的温度传感器2经测温电路5、第二A/D模数转换电路6接DSP中央处理器17；

4)主控振荡器11分别接超声发射电路10和经逻辑电路12接放大器13；

5)时基脉冲电路14经累加平均电路15接DSP中央处理器17；

6)用于存储材料系数的只读存储器ROM18、键盘19、显示器21和存储器20挂接在DSP中央处理器17上。

如图3所示，超声发射电路10包括触发脉冲产生电路10.1和发射脉冲产生电路10.2；由主控振荡器11控制开关管TR的通断，给触发脉冲产生电路10.1提供电源VCC。当主控振荡器11产生发射信号，开关管TR导通，触发脉冲产生电路10.1工作，否则触发脉冲产生电路10.1不工作。由触发脉冲产生电路产生触发脉冲控制开关管TR1的通断，当开关管TR1导通时，发射脉冲产生电路工作，产生的发射脉冲加到换能器上使其发射超声波；当开关管TR1截止时，换能器停止发射；触发脉冲产生电路由两片555定时器来实现，第一片555定时器构成一占空比可调的多谐振荡器；第二片555定时器构成一方波发生器，3脚产生方波，通过上拉电阻R7送至开关管TR1基极，控制开关管TR1的通断。主控脉冲的周期决定了超声波重复发射的周期。主控脉冲端接于第二片定时器555的4端(内部复位端)，这使得在主控脉冲的高电平时，方波发生器工作，产生方波脉冲；而主控脉冲为低电平时，方波发生器复位。通过调节变阻器R2可方便的改变触发脉冲的个数，进而控制发射脉冲的个数。超声换能器发射脉冲采用电容储能和电感储能相结合的方式，它由开关管TR1、储能电容C3、储能电感L等组成。触发脉冲到来之前，开关管TR1截止，发射电压通过电阻R8向电容C3充电；当触发脉冲到来时，开关管TR1导通，电容C3通过开关管TR1向换能器放电。由于开关管TR1的导通电阻小，电容C3上充得的电压几乎全部加到换能器上，使之获得能量而产生超声辐射。

如图4所示，纵波接收9及放大器13和横波接收16及放大器13为相同参数的两个电路，包括换能器7、8和三级放大：前两级种放大100倍，采用高速精密放大器LM318；第一级放大电路中超声接收换能器信号送入高速精密放大器LM318同相端，反相端通过电阻R10接地，同时通过电阻R11实现负反馈，输出通过电容C7与电阻R12送入第二级高速精密放大器LM318同相端，反相端通过电阻R13接地，同时通过电阻R14实现正反馈。电路带宽15MHz，放大倍数为100倍时，能充分满足要求；第三级采用运算放大器LF353，通过电阻R17实现正反馈，其余接法与第二级放大电路相同，输出通过电容C19与电阻R18送至逻辑电路。

如图5所示，测温电路5通过运算放大器4558将电流输出转化为电压输出，温度传感器2可采用半导体温度传感器AD590。AD590实际上是一个与绝对温度成正比的电流源，它可以接受的工作电压可以从4-30V，且感测的温度范围为-55-+150℃。它有非常好的线性输出，其输出电流与温度成正比，它在0℃时其输出电流为273.2uA，所以在100℃时为373.2uA。采用运算放大器4558把电流输出转化为电压输出，以便于ADC0804数字化后与DSP处理器接口。

如图6所示，测厚电路3包括正弦波产生电路3.1和峰值提取电路3.2，经A/D模数转换电路4数字化后与DSP中央处理器17接口。采用差动式位移传感器进行夹紧层厚度测量，精度可达0.1mm，A/D模数转换电路可选用ADC0804芯片。

如图7所示，主控振荡器11包括三个数字非门与RC电路串联；这是一种结构十分简单的电路，很容易选择适当的R、C参数调整该振荡器的频率。

如图8所示，时基脉冲电路14由晶振并联两个电容和两个电阻与非门组成的电路串联并通过非门输出至累加平均电路15；这也是一种简易的门电路与晶振等元件组成的电路，该脉冲电路工作在晶振基频的振荡状态。

如图9所示，逻辑电路12包括回波识别电路12.1和过零提取电路12.2两部分，分别由高速比较器LM360和JK触发器74L573组成。逻辑电路采用过零检测技术，高速比较器LM360AC的翻转比较电平设置在远离脉冲超声信号的过零点，这样大大增强了电路的抗干扰能力。

使用该测试装置进行螺栓紧固力测量时，首先将螺栓带螺纹段的端部进行机械打磨，达到一定光洁度要求后涂以耦合剂，用夹具将超声纵、横波换能器探头压上，同时将位移传感器夹在被夹紧工件两端面，并在螺母上压上温度传感器。换能器、位移传感器、温度传感器与夹具制成一体，使仪器更加便携可靠。键盘19输入螺栓材料，发射超声波，即可在显示器21上显示此时螺栓紧固应力值，并可存储于存储器20中。该超声螺栓紧固力测试装置操作方便，检测时间不超过3分钟。安装方式与工作原理如图2。

具体实施例子：

对于M30×210、10.9级建筑钢结构用高强度螺栓，材料为20MnTiB。首先将螺栓带螺纹段的端部进行机械打磨，达到一定光洁度要求后涂以耦合剂，安装测试装置各类传感器，键盘输入螺栓材料为20MnTiB，发射超声波，通过声时测量电路获得纵、横波传播声时，同时由位移传感器测得来紧厚度，温度传感器测得螺栓温度，送至DSP中央处理器；DSP中央处理器通过查材料系数只读存储器ROM中的数据表得到20MnTiB的材料系数K(r)、K(t)和x₀值，并利用公式T＝K(r)K(t)(S_lx₀-S_t)计算出此时螺栓的紧固应力。将此应力值通过显示器显示，并存储于数据存储器中。

Claims (2)

1.超声螺栓紧固力测试装置，其特征在于它包括：

1)分别安装在螺栓端面的纵波换能器(7)、横波换能器(8)，纵波换能器(7)分别接超声波发射电路(10)和经纵波接收电路(9)接放大器(13)，横波换能器(8)分别接超声波发射电路(10)和经纵波接收电路(16)接放大器(13)；

2)分别安装在被夹紧工件两端面的位移传感器(1)经测厚电路(3)、第A/D模数转换电路(4)接DSP中央处理器(17)；

3)安装在螺母端面的温度传感器(2)经测温电路(5)、第二A/D模数转换电路(6)接DSP中央处理器(17)；

4)主控振荡器(11)分别接超声发射电路(10)和经逻辑电路(12)接放大器(13)；

5)时基脉冲电路(14)经累加平均电路(15)接DSP中央处理器(17)；

6)用于存储材料系数的只读存储器ROM(18)挂接在DSP中央处理器(17)上。

2.根据权利要求1所述的超声螺栓紧固力测试装置，其特征在于：

1)超声发射电路(10)包括触发脉冲产生电路(10.1)和发射脉冲产生电路(10.2)，触发脉冲产生电路由两片555定时器来实现，第一片555定时器构成一占空比可调的多谐振荡器；第二片555定时器构成一方波发生器；发射电压通过电阻(R8)加在开关管(TR1)集电极上，开关管(TR1)发射极接地；超声换能器发射脉冲采用电容储能和电感储能相结合的方式，它由开关管(TR1)、储能电容(C3)、储能电感(L)、阻尼电阻(R9)、隔离二极管(D5、D6)、换能器(7、8)组成；

2)纵波接收(9)及放大器(13)和横波接收(16)及放大器(13)为相同参数的两个电路，包括换能器(7、8)和三级放大：前两级采用高速精密放大器LM318；第三级采用LF353运算放大器；

3)测厚电路(3)包括正弦波产生电路(3.1)和峰值提取电路(3.2)，经A/D模数转换电路(4)数字化后与DSP中央处理器(17)接口；

4)测温电路(5)通过运放4558将电流输出转化为电压输出，便于经A/D模数转换电路(6)数字化后与DSP中央处理器(17)接口；

5)主控振荡器(11)包括三个数字非门与RC电路；

6)时基脉冲(14)由晶振并联两个电容和两个电阻与两个非门组成的电路串联并通过另一非门输出至累加平均电路(15)；

7)逻辑电路(12)包括回波识别电路(12.1)和过零提取电路(12.2)，分别由高速比较器LM360和JK触发器74L573组成；

8)累加平均电路(15)可由MCS-51系列单片机组成最小单片机系统实现。

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