CN115993399A - 螺栓检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种螺栓检测系统及方法。该检测方法包括：以标定螺栓的温度和规格作为条件建立数据库，数据库包含有若干组具有不同条件的超声波渡越时间与标定螺栓的预紧力相关的拟合关系模型；基于实测螺栓的温度和规格，在数据库中选定条件匹配的拟合关系模型，并基于实测螺栓的头部端面上多个检测位置的超声波渡越时间的实测值与选定的拟合关系模型之间的对比结果，确定实测螺栓的预紧力、裂纹位置和裂纹状态。该检测方法既可检测螺栓预紧力，又可检测螺栓的裂纹缺陷，并且将预紧力的检测与裂纹检测进行拟合关联，从而在检测螺栓裂纹缺陷的过程中，有效规避螺栓预紧力对超声波在螺栓中的传播特性造成的不利影响，使螺栓检测更加全面和精确。

Description

螺栓检测系统及方法

技术领域

本发明涉及检验检测技术领域，尤其涉及一种螺栓检测系统及方法。

背景技术

螺栓结构作为一种重要的机械结构，能够将各个机械零件紧密地连接在一起。在各种机械连接中，螺栓的连接被广泛地认为已经是最普遍、最简单、最有效的连接工具和方式之一，并已在高速列车中大量使用。随着高速列车的发展，列车速度的提升，加速了列车关键部分及其螺纹的疲劳和损伤，对列车的安全运行是一种潜在威胁。一旦在列车的行驶过程中发生列车关键部位的螺栓脱落或断裂，后果不堪设想。因此，定期对服役中列车关键部位的螺栓连接进行可靠性的检测是刻不容缓。

螺栓连接的可靠性取决于螺栓的轴向预紧力是否恰当和螺栓是否存在裂纹损伤。目前对螺栓轴向预紧力主要采用扭矩法和转角法确认，并且只能在螺栓安装时对预紧力进行控制,不能用于在役螺栓预紧力的测量,并且误差较大。而对螺栓裂纹主要采用磁粉检测和渗透检测，这两种检测方式的共同特点是过程繁琐，效率低，同时需人工判别缺陷不够可靠。

超声波无损检测是通过声波在物体内部的传播特性对螺栓的内部结构特征进行无损检测。该方法是在不改变原有结构的基础上，保证原有系统能够持续有效运行的同时检测其内部缺陷的检测方法。由于超声检测具有穿透能力强，灵敏度高，速度快，成本低和对人体无害等诸多优点，现在有大量研究将其应用于螺栓检测中。但超声传播特性既受到螺栓轴向预紧力的影响，又受到裂纹等损伤得影响，现有技术采用超声对螺栓进行检测只针对轴向预紧力或者裂纹，且仅考虑其中一个因素对超声传播特性的影响，检测不够全面和精确。

发明内容

本发明提供一种螺栓检测方法，用以解决现有技术中用超声检测螺栓存在的检测不够全面和精确的缺陷，实现既可检测螺栓预紧力，又可检测螺栓的裂纹缺陷，且在检测裂纹缺陷时，避免了超声在螺栓中传播特性受到预紧力的影响，检测更加全面和精确。

本发明还提供一种螺栓检测系统。

本发明提供一种螺栓检测方法，包括：

步骤S1、以标定螺栓的温度和规格作为条件建立数据库，所述数据库包含有若干组具有不同条件的超声波渡越时间与所述标定螺栓的预紧力相关的拟合关系模型；

步骤S2、基于实测螺栓的温度和规格，在所述数据库中选定条件匹配的拟合关系模型，并基于所述实测螺栓的头部端面上多个检测位置的超声波渡越时间的实测值与选定的所述拟合关系模型之间的对比结果，确定所述实测螺栓的预紧力、裂纹位置和裂纹状态。

根据本发明提供的一种螺栓检测方法，所述步骤S1进一步包括：

步骤11、在一定温度下，从所述标定螺栓的松弛状态开始，向所述标定螺栓施加依次增加的标定预紧力，直至所述标定预紧力处于标定螺栓的额定预紧力范围以内；

在施加所述标定预紧力的过程中，以预设频率采集各个所述标定预紧力下的超声波渡越时间的理论值，并将采集到的所述超声波渡越时间的理论值与所述标定预紧力之间拟合并建立数组，以得到当前温度下所述超声波渡越时间与所述标定螺栓的预紧力之间的拟合关系曲线，从而建立所述拟合关系模型；

S12、改变温度并重复步骤S11，得到不同温度下的所述拟合关系模型。

根据本发明提供的一种螺栓检测方法，所述步骤S2进一步包括：

步骤S21、获取所述实测螺栓的温度和规格，在所述数据库中选定条件匹配的所述拟合关系模型；

步骤S22、在所述实测螺栓的头部端面获取各个所述检测位置的超声波渡越时间的实测值，并基于选定的所述拟合关系模型确定各个所述检测位置的预判断预紧力；

步骤S23、获取各个所述检测位置的超声波渡越时间的实测值与选定的所述拟合关系模型之间的对比结果；

若所有所述对比结果均处于选定的所述拟合关系模型的范围以内，则判定所述实测螺栓无裂纹，基于各个所述检测位置的预判断预紧力确定所述实测螺栓的预紧力；

否则判定所述实测螺栓存在裂纹，基于各个所述检测位置的预判断预紧力确定所述实测螺栓的预紧力，并基于各个所述对比结果确定裂纹位置和裂纹状态。

根据本发明提供的一种螺栓检测方法，所述步骤S22进一步包括：

利用所述数据库中存储的各个规格的标定螺栓的温度、检测位置、以及所述拟合关系模型，确定每个检测位置处的超声波渡越时间的实测值对应的所述标定螺栓的预紧力，作为所述预判断预紧力。

根据本发明提供的一种螺栓检测方法，所述步骤S23进一步包括：

步骤S231、基于各个所述检测位置的超声波回波信号与选定的所述拟合关系模型中预设的超声波回波信号接收阈值之间的对比结果，确定所述实测螺栓的裂纹位置；

步骤S232、基于各个所述检测位置的所述预判断预紧力之间的差异值与选定的所述拟合关系模型中预设的预紧力判定误差阈值之间的对比结果，确定所述实测螺栓的预紧力和裂纹状态。

根据本发明提供的一种螺栓检测方法，所述步骤S231进一步包括以下步骤：

以任一所述检测位置为基准检测位置，其余所述检测位置为回波检测位置，向所述基准检测位置发射超声波；

若所有所述回波检测位置收到的回波信号均小于或等于选定的所述拟合关系模型中预设的超声波回波信号接收阈值，则判定所述实测螺栓无裂纹；

若任一所述回波检测位置收到的回波信号大于选定的所述拟合关系模型中预设的超声波回波信号接收阈值，则判定当前所述回波检测位置为所述实测螺栓的裂纹位置。

根据本发明提供的一种螺栓检测方法，所述步骤S232进一步包括：

步骤S2321、基于各个所述检测位置的预判断预紧力之间的差异值，计算所述实测螺栓的预紧力；

步骤S2322、基于所述预紧力和所述裂纹位置处的超声波渡越时间的纵波实测值，计算所述实测螺栓的裂纹深度；

步骤S2323、基于所述裂纹位置处的超声波渡越时间的横波实测值，计算所述实测螺栓的裂纹扩展范围。

根据本发明提供的一种螺栓检测方法，所述步骤S2321进一步包括：

对比各个所述检测位置的所述预判断预紧力之间的所述差异值与选定的所述拟合关系模型中预设的预紧力判定误差阈值；

若所有的所述差异值均小于或等于所述预紧力判定误差阈值，则以所有所述检测位置的所述预判断预紧力的平均值作为所述实测螺栓的预紧力；

若至少有一组所述差异值大于所述预紧力判定误差阈值，则以所有所述检测位置中最大的所述预判断预紧力作为基准预判断预紧力，并基于其余所述检测位置的所述预判断预紧力与所述基准预判断预紧力的差异对比结果，以所有的有效预判断预紧力的平均值作为所述实测螺栓的预紧力，所述有效预判断预紧力小于或等于所述基准预判断预紧力；

若所有所述差异值均大于所述预紧力判定误差阈值，则以所述基准预判断预紧力作为所述实测螺栓的预紧力。

根据本发明提供的一种螺栓检测方法，所述步骤S2322进一步包括：

步骤S23221、基于选定的所述拟合关系模型，求得所述裂纹位置处的预紧力对应的所述超声波渡越时间的纵波理论值；

步骤S23222、基于所述裂纹位置处的超声波渡越时间的纵波实测值与纵波理论值的差异对比结果，计算所述裂纹深度。

根据本发明提供的一种螺栓检测方法，所述步骤S23222中，关于所述计算所述裂纹深度的步骤，进一步包括：

D＝L·t_裂纹位置/T_裂纹位置；

其中：

D为所述裂纹深度；

L为所述实测螺栓的长度；

t_裂纹位置为所述裂纹位置处的超声波渡越时间的纵波实测值；

T_裂纹位置为所述裂纹位置处的超声波渡越时间的纵波理论值；

所述超声波渡越时间为一次回波超声传播时间。

根据本发明提供的一种螺栓检测方法，所述步骤S2323进一步包括：

S23231、基于选定的所述拟合关系模型，求得所述裂纹位置处的预紧力对应的所述超声波渡越时间的横波理论值；

S23232、基于所述裂纹位置处的超声波渡越时间的横波实测值与横波理论值的差异对比结果，计算所述裂纹扩展范围。

根据本发明提供的一种螺栓检测方法，各个所述检测位置包括一个基准位置和至少三个辅助位置，所述基准位置位于所述实测螺栓的头部端面中心处，各个所述辅助位置成环形均布于所述基准位置的周围。

本发明还提供一种螺栓检测系统，用以执行如上所述的螺栓检测方法；

所述螺栓检测系统包括：

数据采集模块，用以在螺栓头部端面上多个检测位置采集超声信号，以获取螺栓的温度以及所述螺栓的头部端面上多个检测位置的超声波渡越时间的实测值，所述螺栓包括标定螺栓和实测螺栓；

数据处理模块，与所述数据采集模块连接，所述数据处理模块内置有数据库，所述数据库包含有若干组具有不同条件的超声波渡越时间与所述标定螺栓的预紧力相关的拟合关系模型；

所述数据处理模块能基于所述实测螺栓的温度和规格，在所述数据库中选定条件匹配的拟合关系模型，并基于所述实测螺栓的各个检测位置的超声波渡越时间的实测值与选定的所述拟合关系模型之间的对比结果，确定所述实测螺栓的预紧力、裂纹位置和裂纹状态。

根据本发明提供的一种螺栓检测系统，所述数据采集模块包括：

超声收发器，连接于所述数据处理模块；

若干个超声换能器，与所述超声收发器连接，各个所述超声换能器对应布设于所述螺栓的头部端面上的各个所述检测位置，且每个所述超声换能器的超声发射方向都平行或重合于所述螺栓的轴线；

至少一个温度传感器，连接所述数据处理模块，能检测所述螺栓的温度。

根据本发明提供的一种螺栓检测系统，所述数据处理模块包括：

数据收发子模块，分别与所述数据库和所述数据采集模块连接，用于收发超声波发射信号和超声波回波信号；

预紧力判定子模块，与所述数据收发子模块连接，用于获取并计算所述螺栓的预紧力；

裂纹判定子模块，与所述数据收发子模块和所述预紧力判定子模块连接，用于确定所述实测螺栓的裂纹位置和裂纹状态。

需要说明的是，现有技术中对螺栓轴向预紧力主要采用扭矩法和转角法进行测量，上述两种测量方法都只能在螺栓安装时对预紧力进行控制,不能用于在役螺栓预紧力的测量,并且检测误差较大。现有技术对螺栓的裂纹缺陷的检测主要采用磁粉检测和渗透检测，这两种裂纹检测方式的共同特点是过程繁琐，效率低，同时需人工判别缺陷不够可靠。而超声波无损检测是通过声波在物体内部的传播特性对螺栓的内部结构特征进行无损检测。本发明所述的螺栓检测方法是在不改变原有结构的基础上，保证原有系统能够持续有效运行的同时检测其内部缺陷的检测方法。由于超声检测具有穿透能力强，灵敏度高，速度快，成本低和对人体无害等诸多优点，虽然现有技术已将其应用于螺栓检测中，但超声传播特性既受到螺栓轴向预紧力的影响，又受到裂纹等损伤得影响，现有技术采用超声对螺栓进行检测只针对轴向预紧力或裂纹，且仅考虑其中一个因素对传播特性得影响，检测不够全面和精确。

针对上述技术问题，本发明提供一种螺栓检测方法。该检测方法包括：以标定螺栓的温度和规格作为条件建立数据库，数据库包含有若干组具有不同条件的超声波渡越时间与标定螺栓的预紧力相关的拟合关系模型；基于实测螺栓的温度和规格，在数据库中选定条件匹配的拟合关系模型，并基于实测螺栓的头部端面上多个检测位置的超声波渡越时间的实测值与选定的拟合关系模型之间的对比结果，确定实测螺栓的预紧力、裂纹位置和裂纹状态。该检测方法既可检测螺栓预紧力，又可检测螺栓的裂纹缺陷，并且将预紧力的检测与裂纹检测进行拟合关联，从而在检测螺栓裂纹缺陷的过程中，有效规避螺栓预紧力对超声波在螺栓中的传播特性造成的不利影响，使螺栓检测更加全面和精确。

该检测方法还能够实现对在役螺栓进行预紧力和裂纹缺陷的在线检测，无需预先将螺栓拆下，提高螺栓检测的效率和可靠性，避免出现现有技术中因对螺栓进行检测而反复拆装螺栓造成的设备可靠性下降问题。

本发明还提供一种螺栓检测系统，该检测系统包括数据采集模块和数据处理模块，该检测系统能够执行如上所述的螺栓检测方法。通过对应设置能够执行上述的螺栓检测方法的各步骤的具体模块，使得该螺栓检测系统具备上述的螺栓检测方法的全部优点，具体在此不再赘述。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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是本发明提供的螺栓检测方法的流程示意图；

图2是本发明提供的螺栓检测方法中螺栓头部端面上的检测位置示意图之一；

图3是本发明提供的螺栓检测系统中超声换能器在螺栓头部端面上的分布示意图之一；

图4是本发明提供的螺栓检测方法中螺栓头部端面上的检测位置示意图之二；

图5是本发明提供的螺栓检测系统的原理示意图之一；

图6是本发明提供的螺栓检测系统的原理示意图之二。

附图标记：

1：纵波压电晶片；2：横波压电晶片；3：第二超声换能器；A1：5基准位置；B1：第一辅助位置；B2：第二辅助位置；B3：第三辅助

位置。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发0明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，

所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合图1至图6描述本发明的螺栓检测方法(本发明中简称5为“检测方法”)，并基于该检测方法设置了螺栓检测系统。

如图1所示，本实施例所述的该检测方法包括步骤S1和步骤S2。

步骤S1、在数据处理模块内置数据库，该数据库是以标定螺栓的温度和规格作为条件建立的。该数据库中包含有若干组具有不同条件的超声波渡越时间与标定螺栓的预紧力相关的拟合关系模型。

0步骤S2、基于实测螺栓的温度和规格，数据处理模块在数据库

中选定条件匹配的拟合关系模型，并基于实测螺栓的头部端面上多个检测位置的超声波渡越时间的实测值与选定的拟合关系模型之间的对比结果，确定实测螺栓的预紧力、裂纹位置和裂纹状态。

该检测方法利用步骤S1的对标定螺栓的检测，建立数据库，从5而实现螺栓温度、螺栓规格、超声波渡越时间与标定螺栓的预紧力之

前的数据拟合关联，增加数据库的数据相关性；利用步骤S2的模型匹配和模型对比，使螺栓预紧力的检测与螺栓的裂纹缺陷检测之间进行拟合关联，从而提高检测精度、检测全面性和数据匹配精度，有效降低甚至规避现有技术中超声波在螺栓中的传播特性会受到螺栓预紧力的影响而产生的检测偏差。

并且，该检测方法还能够实现对在役螺栓进行预紧力和裂纹缺陷的在线检测，无需预先将螺栓拆下，提高螺栓检测的效率和可靠性，避免出现现有技术中因对螺栓进行检测而反复拆装螺栓造成的设备可靠性下降问题。

需要说明的是，通过数据采集模块检测螺栓的温度、超声波渡越时间和预紧力，螺栓包括标定螺栓和实测螺栓。标定螺栓的温度、规格、超声波渡越时间和预紧力均用于做拟合关联、建模、并建立数据库。实测螺栓是指实际需要检测的螺栓。

需要说明的是，超声波渡越时间是指超声换能器发出发射信号到接收到回波信号所用的时间，也即超声波在螺栓内渡越的时间。

需要说明的是，数据库中预设有不同规格的标定螺栓的预紧力检测最优超声参数、以及不同规格的标定螺栓在不同预紧力状态下进行裂纹检测的最优超声参数。利用预紧力检测最优超声参数进行预紧力检测，利用裂纹检测的最优超声参数进行裂纹检测。其中，预设的预紧力检测最优超声参数是与螺栓规格(主要是夹持长度)对应的超声波激发参数。该超声波激发参数包括激发电压、滤波、增益大小以及波形移位；同理，裂纹检测的最优超声参数与预紧力检测最优超声参相同，裂纹检测的最优超声参数具体包括激发电压、滤波、增益大小以及波形移位。

在一些实施例中，上述的步骤S1进一步包括：

步骤11、在一定温度下，从标定螺栓的松弛状态开始，优选通过标定试验台向标定螺栓施加依次增加的标定预紧力，直至标定预紧力处于标定螺栓的额定预紧力范围以内；

在施加标定预紧力的过程中，以预设频率采集各个标定预紧力下的超声波渡越时间的理论值，并将采集到的超声波渡越时间的理论值与标定预紧力之间拟合并建立数组，以得到当前温度下超声波渡越时间与标定螺栓的预紧力之间的拟合关系曲线，从而建立拟合关系模型；

S12、改变温度并重复步骤S11，得到不同温度下的拟合关系模型。

该检测方法利用步骤S11和步骤S22的循环过程，从而建立上述数据库，实现数据库的数据完善，增加数据匹配精度，并且将温度、超声波渡越时间与标定螺栓的预紧力之间进行数据拟合，得到不同温度下的超声波渡越时间与标定螺栓的预紧力之间的拟合关系曲线。

在一些实施例中，上述的步骤S2进一步包括：

步骤S21、获取实测螺栓的温度和规格，在数据库中选定条件匹配的拟合关系模型；

步骤S22、在实测螺栓的头部端面获取各个检测位置的超声波渡越时间的实测值，并基于选定的拟合关系模型确定各个检测位置的预判断预紧力；

步骤S23、获取各个检测位置的超声波渡越时间的实测值与选定的拟合关系模型之间的对比结果；

若所有对比结果均处于选定的拟合关系模型的范围以内，则判定实测螺栓无裂纹，基于各个检测位置的预判断预紧力确定实测螺栓的预紧力；

否则判定实测螺栓存在裂纹，基于各个检测位置的预判断预紧力确定实测螺栓的预紧力，并基于各个对比结果确定裂纹位置和裂纹状态。

该检测方法利用步骤S21实现实测数据与拟合关系模型的数据精准匹配，从而精准选定数据最吻合的拟合关系模型；利用步骤S22和步骤S23能够基于准确匹配的拟合关系模型实现螺栓裂纹的准确判定、以及螺栓的预紧力和裂纹检测的可靠在线检测，具体检测过程见下述具体实施例，在此不再赘述。

需要说明的是，优选实测螺栓的各个检测位置包括一个基准位置A和至少三个辅助位置。如图2所示，基准位置A位于实测螺栓的头部端面中心处，各个辅助位置成环形均布于基准位置A的周围。

可理解的，步骤S22进一步包括：利用数据库中存储的各个规格的标定螺栓的温度、检测位置、以及拟合关系模型，确定每个检测位置处的超声波渡越时间的实测值对应的标定螺栓的预紧力，作为预判断预紧力。换言之，预判断预紧力是基于数据库得到的、与每个检测位置处的超声波渡越时间的实测值相匹配的标定螺栓的预紧力，即螺栓预紧力的理想值。

需要说明的是，在进行上述的步骤S23的检测过程中，需要在螺栓头部端面的各个检测位置中选定一个检测位置作为基准位置A，例如图2所示的螺栓头部端面的中心处，并利用当前基准位置A的超声换能器向螺栓发射超声波，以在当前基准位置A形成超声波发射信号；并且，其余检测位置的超声换能器均不发射超声波，仅接收超声波回波信号。可理解的，理想情况下，螺栓中不应存在裂纹缺陷，故而当基准位置A的超声换能器产生超声波发射信号的时候，其余检测位置的超声换能器应当不会接收到超声回波信号。但实际情况中，由于超声束射性以及材料不均匀性等问题，其余检测位置的超声换能器可能会接收到一定的超声回波信号，但信号很弱。如果其余检测位置的超声换能器接收到较强的超声回波信号，这说明基准位置A的超声换能器的超声波发射信号出现了偏离入射方向的反射，那么由此可以判定螺栓中一定存在裂纹缺陷。

在上述原理的基础上，在一些具体实施例中，上述的步骤S23进一步包括：

步骤S231、基于各个检测位置的超声波回波信号与选定的拟合关系模型中预设的超声波回波信号接收阈值之间的对比结果，确定实测螺栓的裂纹位置；

步骤S232、基于各个检测位置的预判断预紧力之间的差异值与选定的拟合关系模型中预设的预紧力判定误差阈值之间的对比结果，确定实测螺栓的预紧力和裂纹状态。

上述步骤S231中，优选利用裂纹判定子模块判断螺栓是否存在裂纹缺陷，并确定裂纹位置。

由此可见，上述的螺栓裂纹判定步骤S23和具体步骤S231中，如果未发射超声波的超声换能器接收到超声回波信号大于数据库模块内预设存储的无发射超声换能器对应的超声波回波信号接收阈值，则判定螺栓存在裂纹缺陷，裂纹位置即为产生超声波发射信号的超声换能器所对应的检测位置。

在一些具体实施例中，为了实现对螺栓裂纹缺陷的精准判定，优选步骤S231进一步包括以下步骤：

以任一检测位置为基准检测位置，其余检测位置为回波检测位置，向基准检测位置发射超声波；

若所有回波检测位置收到的回波信号均小于或等于选定的拟合关系模型中预设的超声波回波信号接收阈值，则判定实测螺栓无裂纹；

若任一回波检测位置收到的回波信号大于选定的拟合关系模型中预设的超声波回波信号接收阈值，则判定当前回波检测位置为实测螺栓的裂纹位置。

需要说明的是，在上述的步骤S23和步骤S231所述的裂纹判定步骤中：第一方面，如果未发射超声波的超声波换能器接收到的超声回波信号大于数据库模块内存储的无发射超声换能器的超声波回波信号接收阈值，则判定螺栓存在裂纹缺陷，裂纹位置为发射超声波的超声换能器所对应检测位置。第二方面，如果同一实测螺栓的不同测量位置处的预判断预紧力之间的差异值大于数据库模块内存储的预紧力判定误差阈值，则判定螺栓存在裂纹缺陷，由此可知，以各个检测位置中最大的预判断预紧力作为基准预判断预紧力，裂纹位置为与基准预判断预紧力之间的差异值大于上述的预紧力判定误差阈值的预判断预紧力所对应的检测位置。

针对上述的第二方面，由于裂纹的存在会使得超声波的纵波渡越时间减少，从而根据纵波渡越时间计算出的预判断预紧力变小，比如若某一检测位置所对应的螺栓轴线上存在裂纹，则当前检测位置的超声换能器产生的纵波渡越时间就会变小，进而通过数据库计算得到的当前检测位置对应的预判断预紧力也会变小，而其余不存在裂纹缺陷的检测位置所对应的预判断预紧力之间的误差小于或等于预紧力判定误差阈值。例如：假设在不存在裂纹的检测位置中有一者的预判断预紧力最大，则最大的预判断预紧力与存在裂纹缺陷的检测位置对应的预判断预紧力之间的差异值必定大于预紧力判定误差阈值，由此，通过上述的螺栓裂纹判定步骤即可准确判定裂纹位置即为上述预判断预紧力变小的位置。

在一些具体实施例中，步骤S232进一步包括：

步骤S2321、基于各个检测位置的预判断预紧力之间的差异值，计算实测螺栓的预紧力；

步骤S2322、基于预紧力和裂纹位置处的超声波渡越时间的纵波实测值，计算实测螺栓的裂纹深度；

步骤S2323、基于裂纹位置处的超声波渡越时间的横波实测值，计算实测螺栓的裂纹扩展范围。

上述的步骤S2321进一步包括：

对比各个检测位置的预判断预紧力之间的差异值与选定的拟合关系模型中预设的预紧力判定误差阈值；

若所有的差异值均小于或等于预紧力判定误差阈值，则以所有检测位置的预判断预紧力的平均值作为实测螺栓的预紧力；

若至少有一组差异值大于预紧力判定误差阈值，则以所有检测位置中最大的预判断预紧力作为基准预判断预紧力，并基于其余检测位置的预判断预紧力与基准预判断预紧力的差异对比结果，以所有的有效预判断预紧力的平均值作为实测螺栓的预紧力，有效预判断预紧力小于或等于基准预判断预紧力；

若所有差异值均大于预紧力判定误差阈值，则以基准预判断预紧力作为实测螺栓的预紧力。

优选的，利用预紧力判定子模块执行上述的步骤S2321的预紧力计算过程。例如，同一实测螺栓上设有基准位置A、第一辅助位置B1、第二辅助位置B2和第三辅助位置B3。对应的，基准位置A的预判断预紧力为f_A，第一辅助位置B1的预判断预紧力为f_B1，第二辅助位置B2的预判断预紧力为f_B2，第三辅助位置B3的预判断预紧力为f_B3。

上述的预紧力计算过程具体为：

如果同一实测螺栓的不同检测位置处的预判断预紧力之间的差异值小于或等于预设的预紧力判定误差阈值，即上述的预判断预紧力两两之间的差异值都小于或等于预紧力判定误差阈值，将所有预判断预紧力的平均值作为实测螺栓的预紧力F，则有：F＝(f_A+f_B1+f_B2+f_B3)/4。

如果同一实测螺栓的不同检测位置处的预判断预紧力之间的差异值大于预设的预紧力判定误差阈值，则以各个检测位置中最大的预判断预紧力作为基准预判断预紧力，比较其余检测位置的预判断预紧力与基准预判断预紧力之间的预紧力差异，若一部分预紧力差异大于预紧力判定误差阈值而另一部分小于预紧力判定误差阈值，则以小于预紧力判定误差阈值的预判断预紧力作为有效预判断预紧力，计算所有的有效预判断预紧力的平均值作为实测螺栓的预紧力F；若所有的预紧力差异都大于预紧力判定误差阈值，则直接以基准预判断预紧力作为实测螺栓的预紧力F。

例如，如果在所有检测位置的预判断预紧力中f_B2最大，则以f_B2作为基准预判断预紧力，f_A和f_B1与f_B2之间的差异小于或等于预紧力判定误差阈值，f_B3与f_B2之间的预紧力差异大于预紧力判定误差阈值，则计算f_A、f_B1和f_B2的平均值作为实测螺栓的预紧力F，即F＝(f_A+f_B1+f_B2)/3；如果f_A、f_B1和f_B3与f_B2之间的预紧力差异均大于预紧力判定误差阈值，则以f_B2作为实测螺栓的预紧力F，即F＝f_B2。

需要说明的是，上述的实测螺栓的预紧力优选通过预紧力判定子模块判定和计算得出。并且，优选利用裂纹判定子模块实现上述的裂纹判定、裂纹深度计算以及裂纹扩展范围计算。进一步的，利用裂纹判定子模块根据未发射超声波的超声波换能器接收的超声回波信号以及各个检测位置处的预判断预紧力判断螺栓是否存在裂纹缺陷，并确定裂纹位置，然后根据求得的实测螺栓的预紧力以及裂纹位置处的超声波渡越时间的纵波确定裂纹深度，再根据超声换能器的横波压电晶片接收的超声波的横波信号大小用以判定螺栓裂纹缺陷的大小，即裂纹扩展范围。

在一些具体实施例中，为了实现裂纹深度的精确计算，优选上述的步骤S2322进一步包括：

步骤S23221、基于选定的拟合关系模型，求得裂纹位置处的预紧力对应的超声波渡越时间的纵波理论值；

步骤S23222、基于裂纹位置处的超声波渡越时间的纵波实测值与纵波理论值的差异对比结果，计算裂纹深度。

该检测方法中，根据上述求得的螺栓预紧力以及裂纹位置处的超声波渡越时间，即可确定裂纹深度。具体为：裂纹判定子模块根据预紧力判定子模块确定的实测螺栓的预紧力、以及数据库中存储的各个规格螺栓的温度、检测位置和拟合关系模型，确定裂纹位置处的预紧力所对应的超声波渡越时间的纵波理论值，将其与裂纹位置处超声波渡越时间的纵波实测值进行对比，利用上述的步骤S23221和步骤S23222进行精确计算裂纹深度。

具体的，通过预紧力判定子模块确定的螺栓预紧力值为F，假设裂纹位置为第三辅助位置B3，利用上述求得的实测螺栓的预紧力F和数据库模块中存储的各个规格螺栓的温度、检测位置和拟合关系模型，确定实测螺栓的预紧力F所对应的第三辅助位置B3的超声波渡越时间的纵波理论值为T_B3，即，该超声波渡越时间的纵波理论值T_B3是实测螺栓的预紧力为F以及第三辅助位置B3的螺栓轴线上不存在裂纹的情况下，第三辅助位置B3的超声波渡越时间的纵波理论值。而第三辅助位置B3的超声波渡越时间的纵波实测值为t_B3，即，该超声波渡越时间的纵波实测值t_B3是实测螺栓的预紧力为F以及第三辅助位置B3的螺栓轴线上不存在裂纹的情况下，第三辅助位置B3的超声波渡越时间的纵波实测值。由此可见，超声波渡越时间的纵波理论值T_B3和纵波实测值t_B3之间的差异是由于裂纹缺陷产生的。

在上述理论的基础上，在一定温度下，超声纵波在应力为σ时的声速为V_σ，V_σ＝V₀(1+Aσ)。其中V₀为超声波在零应力状态下的声速；A为声弹性系数，数量级为10-11。所以，Aσ<<1，V_σ约等于V_σ。本发明实施例中忽略螺栓的夹紧部分和未夹紧部分的声速差异，则上述的步骤S23222中，关于计算裂纹深度的步骤，进一步包括：

D＝L·t_裂纹位置/T_裂纹位置；

其中：

D为裂纹深度；

L为实测螺栓的长度；

t_裂纹位置为裂纹位置处的超声波渡越时间的纵波实测值；

T_裂纹位置为裂纹位置处的超声波渡越时间的纵波理论值；

其中，超声波渡越时间为一次回波超声传播时间。

在一些具体实施例中，为了实现裂纹扩展范围的精确计算，优选上述步骤S2323进一步包括：

S23231、基于选定的拟合关系模型，求得裂纹位置处的预紧力对应的超声波渡越时间的横波理论值；

S23232、基于裂纹位置处的超声波渡越时间的横波实测值与横波理论值的差异对比结果，计算裂纹扩展范围。

下面对本发明提供的螺栓检测系统进行描述，下文描述的螺栓检测系统与上文描述的螺栓检测方法可相互对应参照。

如图5和图6所示，本发明实施例所述的螺栓检测系统(本发明简称为“检测系统”)用以执行上述的螺栓检测方法；该检测系统包括数据采集模块和数据处理模块。数据采集模块用以在螺栓头部端面上多个检测位置采集超声信号，以获取螺栓的温度以及螺栓的头部端面上多个检测位置的超声波渡越时间的实测值。其中，优选螺栓包括标定螺栓和实测螺栓。数据处理模块与数据采集模块连接，数据处理模块内置有数据库，数据库包含有若干组具有不同条件的超声波渡越时间与标定螺栓的预紧力相关的拟合关系模型。该数据处理模块能基于实测螺栓的温度和规格，在数据库中选定条件匹配的拟合关系模型，并基于实测螺栓的各个检测位置的超声波渡越时间的实测值与选定的拟合关系模型之间的对比结果，确定实测螺栓的预紧力、裂纹位置和裂纹状态。

可理解的，数据处理模块接收所有超声换能器的超声发射信号和超声回波信号，根据每个超声换能器的超声发射信号和与超声发射后信号对应的超声接收信号计算每个检测位置的超声纵波渡越时间。

可理解的，优选该检测系统还包括检测控制模块，检测控制模块用于控制数据采集模块工作，且检测控制模块内预设有不同规格的螺栓预紧力检测最优超声参数、以及不同规格螺栓在不同预紧力状态下进行裂纹检测的最优超声参数。检测控制模块内预设的不同规格螺栓预紧力检测最优超声参数通过模拟仿真结合预实验优化获得。

在一些实施例中，数据采集模块包括超声收发器、若干个超声换能器、以及至少一个温度传感器。超声收发器连接于数据处理模块。各个超声换能器与超声收发器连接，各个超声换能器对应布设于螺栓的头部端面上的各个检测位置，且每个超声换能器的超声发射方向都平行或重合于螺栓的轴线。温度传感器连接数据处理模块，能检测螺栓的温度。

优选的，数据采集模块包括布置在螺栓头部端面上的成环形设置的超声换能器阵列、以及用于测量螺栓温度的温度传感器。超声换能器阵列中的每个超声换能器均与超声收发器相连。本实施例如图3所示，超声换能器阵列包括布置在螺栓头部端面中心的基准位置A的第一超声换能器以及分别布置在螺栓头部端面周边的第一辅助位置B1、第二辅助位置B2和第三辅助位置B3的三个第二超声换能器3。

本实施例如图3所示，第一超声换能器和第二超声换能器3均为具有超声波自发自收模式的压电晶片式超声换能器。进一步优选上述的第一超声换能器为横纵波一体超声换能器。其中，纵波压电晶片1位于中心位置，用于发射和接收超声波的纵波信号；横波压电晶片2有三个，用于接收超声波的横波信号。横波压电晶片2与纵波压电晶片1之间设置隔声材料。进行螺栓检测的过程中，横波压电晶片2始终开启接收超声回波信号通道。

可理解的，同一第一超声换能器中可以设置若干个横波压电晶片2，只需将所有的横波压电晶片2均匀分布在纵波压电晶片1的周缘即可。

一些实施例中，在螺栓的头部端面也可以设置超过三个辅助位置B，例如图4所示，在螺栓的头部端面中心处设有基准位置A，并在螺栓的头部端面成环形设置第一辅助位置B1、第二辅助位置B2、第三辅助位置B3、第四辅助位置B4和第五辅助位置B5。该情况下的预紧力计算过程、裂纹判定、裂纹深度计算以及裂纹扩展范围计算的过程与上述实施例基本相同，只需要根据检测位置的数量调整具体参数即可，具体过程在此不再赘述。

该检测系统进行螺栓检测的过程中，检测控制模块通过控制超声收发器依次激发超声换能器阵列中每个超声换能器向实测螺栓发射垂直于螺栓头部端面的超声波，当其中一个超声换能器发射超声波时，所有超声换能器均开启接收超声回波信号的通道。

可理解的，为了便于预实验操作，优选该螺栓检测系统还设有标定试验台，标定实验台用于对标定螺栓进行各项数据检测。优选该标定试验台的各项工况与实测螺栓的工况完全相同。

在一些实施例中，数据处理模块包括数据收发子模块、预紧力判定子模块和裂纹判定子模块。该数据处理模块内置有上述的数据库。数据收发子模块分别与数据库和数据采集模块连接，用于收发超声波发射信号和超声波回波信号。预紧力判定子模块与数据收发子模块连接，用于获取并计算螺栓的预紧力。裂纹判定子模块与数据收发子模块和预紧力判定子模块连接，用于确定实测螺栓的裂纹位置和裂纹状态。

在一些具体实施例中，数据库内存储有各个规格的螺栓在实际工况中的预紧力要求、预紧力判定误差阈值、无发射超声换能器的超声波回波信号接收阈值(包含纵波信号接收阈值和横波信号接受阈值)、预紧力判定误差阈值以及若干组拟合有各个规格螺栓的温度、检测位置、螺栓预紧力与超声波渡越时间之间关系的拟合关系模型。其中，检测位置即为超声换能器阵列中每个超声换能器在螺栓头部端面上的位置。数据库内存储的预紧力判定误差阈值和无发射超声换能器的超声波回波信号接收阈值均通过预实验优化获得。

需要说明的是，数据处理模块中的预紧力判定子模块的工作过程以及裂纹判定子模块的工作过程已在上述实施例中具体说明，在此不再赘述。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (15)

1.一种螺栓检测方法，其特征在于，包括：

步骤S1、以标定螺栓的温度和规格作为条件建立数据库，所述数据库包含有若干组具有不同条件的超声波渡越时间与所述标定螺栓的预紧力相关的拟合关系模型；

步骤S2、基于实测螺栓的温度和规格，在所述数据库中选定条件匹配的拟合关系模型，并基于所述实测螺栓的头部端面上多个检测位置的超声波渡越时间的实测值与选定的所述拟合关系模型之间的对比结果，确定所述实测螺栓的预紧力、裂纹位置和裂纹状态。

2.根据权利要求1所述的螺栓检测方法，其特征在于，所述步骤S1进一步包括：

步骤11、在一定温度下，从所述标定螺栓的松弛状态开始，向所述标定螺栓施加依次增加的标定预紧力，直至所述标定预紧力处于标定螺栓的额定预紧力范围以内；

在施加所述标定预紧力的过程中，以预设频率采集各个所述标定预紧力下的超声波渡越时间的理论值，并将采集到的所述超声波渡越时间的理论值与所述标定预紧力之间拟合并建立数组，以得到当前温度下所述超声波渡越时间与所述标定螺栓的预紧力之间的拟合关系曲线，从而建立所述拟合关系模型；

S12、改变温度并重复步骤S11，得到不同温度下的所述拟合关系模型。

3.根据权利要求1所述的螺栓检测方法，其特征在于，所述步骤S2进一步包括：

步骤S21、获取所述实测螺栓的温度和规格，在所述数据库中选定条件匹配的所述拟合关系模型；

步骤S22、在所述实测螺栓的头部端面获取各个所述检测位置的超声波渡越时间的实测值，并基于选定的所述拟合关系模型确定各个所述检测位置的预判断预紧力；

步骤S23、获取各个所述检测位置的超声波渡越时间的实测值与选定的所述拟合关系模型之间的对比结果；

若所有所述对比结果均处于选定的所述拟合关系模型的范围以内，则判定所述实测螺栓无裂纹，基于各个所述检测位置的预判断预紧力确定所述实测螺栓的预紧力；

否则判定所述实测螺栓存在裂纹，基于各个所述检测位置的预判断预紧力确定所述实测螺栓的预紧力，并基于各个所述对比结果确定裂纹位置和裂纹状态。

4.根据权利要求3所述的螺栓检测方法，其特征在于，所述步骤S22进一步包括：

利用所述数据库中存储的各个规格的标定螺栓的温度、检测位置、以及所述拟合关系模型，确定每个检测位置处的超声波渡越时间的实测值对应的所述标定螺栓的预紧力，作为所述预判断预紧力。

5.根据权利要求3所述的螺栓检测方法，其特征在于，所述步骤S23进一步包括：

步骤S231、基于各个所述检测位置的超声波回波信号与选定的所述拟合关系模型中预设的超声波回波信号接收阈值之间的对比结果，确定所述实测螺栓的裂纹位置；

步骤S232、基于各个所述检测位置的所述预判断预紧力之间的差异值与选定的所述拟合关系模型中预设的预紧力判定误差阈值之间的对比结果，确定所述实测螺栓的预紧力和裂纹状态。

6.根据权利要求5所述的螺栓检测方法，其特征在于，所述步骤S231进一步包括以下步骤：

以任一所述检测位置为基准检测位置，其余所述检测位置为回波检测位置，向所述基准检测位置发射超声波；

若所有所述回波检测位置收到的回波信号均小于或等于选定的所述拟合关系模型中预设的超声波回波信号接收阈值，则判定所述实测螺栓无裂纹；

若任一所述回波检测位置收到的回波信号大于选定的所述拟合关系模型中预设的超声波回波信号接收阈值，则判定当前所述回波检测位置为所述实测螺栓的裂纹位置。

7.根据权利要求5所述的螺栓检测方法，其特征在于，所述步骤S232进一步包括：

步骤S2321、基于各个所述检测位置的预判断预紧力之间的差异值，计算所述实测螺栓的预紧力；

步骤S2322、基于所述预紧力和所述裂纹位置处的超声波渡越时间的纵波实测值，计算所述实测螺栓的裂纹深度；

步骤S2323、基于所述裂纹位置处的超声波渡越时间的横波实测值，计算所述实测螺栓的裂纹扩展范围。

8.根据权利要求7所述的螺栓检测方法，其特征在于，所述步骤S2321进一步包括：

对比各个所述检测位置的所述预判断预紧力之间的所述差异值与选定的所述拟合关系模型中预设的预紧力判定误差阈值；

若所有的所述差异值均小于或等于所述预紧力判定误差阈值，则以所有所述检测位置的所述预判断预紧力的平均值作为所述实测螺栓的预紧力；

若至少有一组所述差异值大于所述预紧力判定误差阈值，则以所有所述检测位置中最大的所述预判断预紧力作为基准预判断预紧力，并基于其余所述检测位置的所述预判断预紧力与所述基准预判断预紧力的差异对比结果，以所有的有效预判断预紧力的平均值作为所述实测螺栓的预紧力，所述有效预判断预紧力小于或等于所述基准预判断预紧力；

若所有所述差异值均大于所述预紧力判定误差阈值，则以所述基准预判断预紧力作为所述实测螺栓的预紧力。

9.根据权利要求7所述的螺栓检测方法，其特征在于，所述步骤S2322进一步包括：

步骤S23221、基于选定的所述拟合关系模型，求得所述裂纹位置处的预紧力对应的所述超声波渡越时间的纵波理论值；

步骤S23222、基于所述裂纹位置处的超声波渡越时间的纵波实测值与纵波理论值的差异对比结果，计算所述裂纹深度。

10.根据权利要求9所述的螺栓检测方法，其特征在于，所述步骤S23222中，关于所述计算所述裂纹深度的步骤，进一步包括：

D＝L·t_裂纹位置/T_裂纹位置；

其中：

D为所述裂纹深度；

L为所述实测螺栓的长度；

t_裂纹位置为所述裂纹位置处的超声波渡越时间的纵波实测值；

T_裂纹位置为所述裂纹位置处的超声波渡越时间的纵波理论值；

所述超声波渡越时间为一次回波超声传播时间。

11.根据权利要求7所述的螺栓检测方法，其特征在于，所述步骤S2323进一步包括：

S23231、基于选定的所述拟合关系模型，求得所述裂纹位置处的预紧力对应的所述超声波渡越时间的横波理论值；

S23232、基于所述裂纹位置处的超声波渡越时间的横波实测值与横波理论值的差异对比结果，计算所述裂纹扩展范围。

12.根据权利要求1至11任一项所述的螺栓检测方法，其特征在于，各个所述检测位置包括一个基准位置和至少三个辅助位置，所述基准位置位于所述实测螺栓的头部端面中心处，各个所述辅助位置成环形均布于所述基准位置的周围。

13.一种螺栓检测系统，其特征在于，用以执行如权利要求1至12任一项所述的螺栓检测方法；

所述螺栓检测系统包括：

数据采集模块，用以在螺栓头部端面上多个检测位置采集超声信号，以获取螺栓的温度以及所述螺栓的头部端面上多个检测位置的超声波渡越时间的实测值，所述螺栓包括标定螺栓和实测螺栓；

数据处理模块，与所述数据采集模块连接，所述数据处理模块内置有数据库，所述数据库包含有若干组具有不同条件的超声波渡越时间与所述标定螺栓的预紧力相关的拟合关系模型；

所述数据处理模块能基于所述实测螺栓的温度和规格，在所述数据库中选定条件匹配的拟合关系模型，并基于所述实测螺栓的各个检测位置的超声波渡越时间的实测值与选定的所述拟合关系模型之间的对比结果，确定所述实测螺栓的预紧力、裂纹位置和裂纹状态。

14.根据权利要求13所述的螺栓检测系统，其特征在于，所述数据采集模块包括：

超声收发器，连接于所述数据处理模块；

若干个超声换能器，与所述超声收发器连接，各个所述超声换能器对应布设于所述螺栓的头部端面上的各个所述检测位置，且每个所述超声换能器的超声发射方向都平行或重合于所述螺栓的轴线；

至少一个温度传感器，连接所述数据处理模块，能检测所述螺栓的温度。

15.根据权利要求13所述的螺栓检测系统，其特征在于，所述数据处理模块包括：

数据收发子模块，分别与所述数据库和所述数据采集模块连接，用于收发超声波发射信号和超声波回波信号；

预紧力判定子模块，与所述数据收发子模块连接，用于获取并计算所述螺栓的预紧力；

裂纹判定子模块，与所述数据收发子模块和所述预紧力判定子模块连接，用于确定所述实测螺栓的裂纹位置和裂纹状态。

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