CN2226289Y

CN2226289Y - 螺栓轴向紧固应力超声波测量仪

Info

Publication number: CN2226289Y
Application number: CN 95243658
Authority: CN
Inventors: 刘镇清
Original assignee: Tongji University
Current assignee: Tongji University
Priority date: 1995-03-28
Filing date: 1995-03-28
Publication date: 1996-05-01
Anticipated expiration: 2005-03-28

Abstract

螺栓轴向紧固应力超声波测量仪是一种工程检测用的测力仪器，它由可发射并接收超声纵、横波的磁性换能器，纵波声时测量部分，横波声时测量部分，温度测量部分，单片机系统等组成。仪器中存储了众多螺栓材料的纵、横波声时与应力、温度的关系，可测量出常温下各种已紧固的螺栓轴向应力或安装过程中的螺栓预紧力，并可根据需要自动换算出螺栓的负载力或应力引起的伸长量。本实用新型具有结构简单，携带方便，易于操作优点。

Description

螺栓轴向紧固应力超声波测量仪

本实用新型属于超声检测及力学测量领域中的一种螺栓轴向紧固应力测量仪器，适用于已紧固螺栓或实施紧固过程中螺栓的轴向应力及其变化的测量。

目前用于直接测量螺栓轴向紧固应力的方法主要有电阻应变片方法和超声波方法。电阻应变片方法通过粘贴在螺栓侧面应变片的电阻变化来确定螺栓的紧固应力，由于在工程实际中有时不容易将应变片贴在螺栓的侧面等原因，这种方法的现场应用受到了一定的限制。超声波方法通过超声波沿螺栓轴向传播的时间及其变化来确定螺栓中的轴向紧固应力，现有的超声波螺栓轴向紧固应力测试仪采用测纵波传播时间与测温度相结合确定螺栓中的轴向应力，这需要在螺栓紧固前精密地测量纵波在螺栓中沿轴向传播的时间，再测量螺栓紧固后纵波传播时间的变化。对于已紧固螺栓的轴向应测量则无能为力。

本实用新型的目的是提供一种既能在实施螺栓紧固过程中测量螺栓的轴向应力及其变化，又能够测量已紧固螺栓的轴向应力，而且结构简单，测量精度高，智能化的超声波测量仪。

本实用新型由超声波探头、声时测量部分、温度测量部分以及单片机系统组成。超声波探头是一种自发自收纵横波合一的磁性探头，它由一块纵波晶片发射和接收窄脉冲的超声纵波，一块横波晶片发射并接收窄脉冲的超声横波，探头内置有磁性材料，测量时牢牢吸在被测工件上。声时测量部分包括主控振荡器，门电路，计数时基脉冲发生器，纵波发射电路，纵波接收放大电路，纵波回波提取电路，纵波时间计数器，横波发射电路，横波接收放大电路，横波回波提取电路，横波时间计数器。温度测量部分由热电耦温度传感器，热电耦信号放大器，A/D转换器组成。测量时，由声时测量部分激发超声波探头发射并接收纵波和横波，接收到的回波送到声时测量部分放大并由采用过零检测技术的回波提取电路产生声时方波，避免由于声衰减变化而造成声时的变化，提高了测量的精度。温度测量在常温附近进行，温度测量对温度变化进行补偿，温度补偿范围-50℃～200℃。单片机系统对测量进行控制，测量结果在单片机系统中运算处理，与储存于机内的各种材料的纵、横波声时与应力、温度的关系计算出螺栓的紧固应力或预紧应力，螺栓的负载力，螺栓受轴向应力引起的伸长量。

本实用新型的特点是：

1、超声波探头内置有磁性材料，纵波、横波合一的探头，它能牢牢地吸在被测工件上，有利于探头与被测件的稳定耦合。

2、联合测量超声波纵波、横波沿螺栓轴向的传播时间，并附以温度测量，这样本实用新型能在大温度范围内既可测量已紧固螺栓的轴向应力又可测量螺栓安装过程中的轴向预紧力。

3、可根据需要换算出螺栓的轴向负载力及因轴向应力引起的螺栓伸长量。

4、采有过零检测的回波提取方式，避免了声衰减的影响，较大幅度地提高了本实用新型的测量精度。

附图说明：

图1、为本实用新型的结构原理框图；

图2、为本实用新型超声波探头结构图；

图3、为本实用新型超声波探头结构图；

图4、为本实用新型回波提取电路实施图；

图5为本实用新型回波提取电路时序图。

结合附图详细说明本实用新型的构思、具体结构及实施。

图1为本实用新型的结构原理框图，图2为本实用新型的工作时序。主控振荡器1分别与纵波发射电路10、纵波回波提取电路12、纵波时间计数器13、非门3及单片机系统9的一端相联，超声波探头4的一端与纵波发射电路10及纵波接收放大电路11相联，超声波探头4的另一端与横波发射电路5及横波接收电路6相联，纵波回波提取电路12的另两端分别与纵波接收放大电路11和纵波时间计数器13的一端相联，纵波时间计数器13的另两端分别与计数时基脉冲发生器2及单片机系统9的一端相联，非门3的另一端分别与横波发射电路5、横波回波提取电路7、横波时间计数器8及单片机系统9的一端相联，横波回波提取电路7的另两端分别与横波接收电路6、横波时间计数器8的一端相联，横波时间计数器8的另两端分别与计数时基脉冲发生器2及单片机系统9的一端相联，热电耦温度传感器16与热电耦信号放大器15、A/D转换器14依次串联，A/D转换器14的另一端与单片机系统9的一端相联。

本实用新型中，主控振荡器1产生一振荡频率有轻微抖动的方波信号，这是为了消除主控振荡器1与计数时基脉冲发生器2两者信号间的相关性，使得多次测量平均有意义，在纵波测量这一部分，主控振荡器的输出信号上升沿驱动纵波发射电路10发生窄脉冲1(图2a与图2b)，使超声波探头4发射超声纵波，超声纵波在被测件中来回反射形成一系列回波(见图2c)，回波由纵波接收放大电路11放大后送回波提取电路12，纵波回波提取电路12的输出信号为发射超声纵波到第一次反射纵波(回波)的某一过零点(图2d)，这样得到的纵波时间基准不受声衰减的影响，保证了结果的可靠性，计数时基脉冲发生器2产生的计数脉冲(图2j)通过纵波时间计数器13在纵波时基准中计数产生纵波时间计数信号(图2e)，纵波时间计数信号则送单片机系统9，每次主控振荡器1输出信号上升沿使纵波回波提取电路12，纵波时间计数器13清零，并通知单片机系统9纵波测量开始，每次主控振荡器1输出信号的下降沿通过非门3使横波回波提取电路7及横波时间计数器8清零，通知单片机系统9测量开始，并驱动横波发射电路5发出窄脉冲(图2f)，这一窄脉冲使超声波探头4发射超声横波，超声横波在被测件中来回反射形成一系列回波(图2g)，回波信号由横波接收放大器6放大后送横波回波提取电路7，横波回波提取电路7的输出信号为发射超声横波到第一次反射横波(回波)的某一过零点(图2h)，同样此横波时间基准不受声衰减的影响，计数时基脉冲发生器2产生的计数脉冲(图2j)通过横波时间计数器8在横波时间基准中产生的横波时间计数信号(图2i)，横波时间计数信号则送单片机系统9。热电耦信号放大器15将热电耦温度传感器16发出的温度信号放大后送A/D转换器14，A/D转换器14则将模拟量的温度信号转换成数字信号送单片机系统9。单片机系统9将多次测量的纵波时间计数值、横波时间计数值及温度值进行平均以提高测量精度，然后根据各种材料螺栓的纵、横波声速与轴向应力、温度关系计算得到螺栓的轴向应力，最终结果由单片机系统9中的数码显示器显示。

图3为本实用新型超声波探头的结构剖面图。超声波探头4为一圆柱形结构，圆柱的侧面及上端为金属外壳17，上端的中央为一插座18，它有三个插脚，圆柱的下端为一环氧树脂薄层19，在环氧树脂薄层19之上的中央紧贴着横波晶片20，横波晶片20的两面引线分别与插座18的插脚26、插脚27相联，插脚26则通过连线与横波发射电路5、横波接收放大电路6相联，插脚27则作为接地线与整个仪器的接地端相联，横波晶片20之上置有一层环氧树脂绝缘层21与纵波晶片22相粘合，纵波晶片22两面的引线分别与插座18的插脚26与插脚27相联，插脚26则通过联线与纵波发射电路10、纵波接收放大电路11相联，在横波晶片20、纵波晶片22与金属外壳17之间填充磁性材料23，因此在实际使用时超声波探头4可牢牢地吸附在被测件上，纵波晶片22上面为一块超声背衬材料24，它起到改善超声波形状的作用。

图4为本实用新型的回波提取电路实施例，图5为本实用新型回波提取电路的时序图。这里说明，横波回波提取电路7与纵波回波提取电路12的电路形式是一样的，都采用这里所述的实施例。单稳触发器28的输入来自主控振荡器1的输出(对横波回波提取电路7则来自非门3的输出)，当主控振荡器1信号的上升沿时，一方面激发超声波(图5A)，另一方面使单稳触发器28发生一窄脉冲(图5B)，单稳触发器28的输出接JK触发器31的CD端，使JK触发器31的输出端Q为零(图5C)，JK触发器31的输出端Q又接JK触发器32的CD端，使JK触发器32的输出端Q置“1”，施密特门触发器29与另一施密特门触发器30的输入来自接收放大器11对横波回波提取电路7则来自横波接收放大器6，施密特门触发器29的输出接JK触发器31的CLK端，施密特触发器30的输出接JK触发器32的CLK端，调节施密特触发器29的触发电平使超声波首波的某个电平时(图5A)，JK触发器31翻转、输出Q恢复“1”(图5C)，调节施密特触发器30的触发电平使超声波首波后的过零点(图5A)时的JK触发器32翻转，输出Q为零(图5D)，这样JK触发器32的Q端输出的时间门宽度为超声波在试样中走过的时间加上一固定的时间量，这样就完成了回波提取工作。

Claims

螺栓轴向紧固应力测量仪，包括超声探头(4)，主控振荡器(1)，计数时基脉冲发生器(2)，非门(3)，横波发射电路(5)，横波接收电路(6)，横波回波提取电路(7)，横波时间计数器(8)，单片机系统(9)，纵波发射电路(10)，纵波接收放大电路(11)，纵波回波提取电路(12)，纵波时间计数器(13)，A/D转换器(14)，热电耦信号放大器(15)，热电耦温度传感器(16)，其特征在于：a、超声探头(4)外形为圆柱形，超声探头4的上端置有插座(18)，下端部为环氧树脂薄层(19)，横波晶片(20)和纵波晶片(22)设置在探头(4)下部中部，横波晶片(20)的一面与环氧树脂(19)紧贴在一起，横波晶片(20)与纵波晶片(22)之间置有环氧树脂绝缘层(21)，纵波晶片(22)的上面置有一块超声背衬材料(24)，横波晶片(20)的两面引线分别和插座(18)的插脚(26)，插脚(27)连接，纵波晶片(22)的两面引线分别和插座(18)的插脚(25)，插脚(27)连接，在横波晶片(20)和纵波晶片(22)和壳体(17)之间填充磁性材料(23)；b；纵、横波回波提取电路有单稳触发器(28)施密特门触发器(29)，施密特门触发器(30)，JK触发器(31)，JK触发器(32)构成，其中单稳触发器(28)一端与主控振荡器(1)连接，另一端与JK触发器(31)的CD端连接，施密特门触发器(29)的一端与施密特门触发器(30)的一端连接，施密特门触发器(29)的另一端与JK触发器(31)的CLK端连接，施密特门触发器(30)的另一端与JK触发器(32)的CLK端连接，JK触发器(32)的CD端与JK触发器(31)的Q端连接。