在役螺栓軸力電磁超聲測(cè)量系統(tǒng)的研制

丁　旭,武新軍

(華中科技大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院， 武漢 430074)

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在役螺栓軸力電磁超聲測(cè)量系統(tǒng)的研制

丁旭,武新軍

(華中科技大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院， 武漢 430074)

為解決在役螺栓軸力測(cè)量的技術(shù)難題，根據(jù)基于波型轉(zhuǎn)換的單傳感器螺栓軸力超聲測(cè)量原理，研制出一套在役螺栓軸力電磁超聲測(cè)量系統(tǒng)。詳細(xì)介紹了電磁超聲探頭、主機(jī)和測(cè)量軟件等系統(tǒng)的組成部分。實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明,該系統(tǒng)能夠用于在役螺栓軸力測(cè)量，測(cè)量相對(duì)誤差不超過(guò)10%。該系統(tǒng)采用電磁超聲非接觸耦合，避免了耦合劑影響，測(cè)量結(jié)果具有良好的穩(wěn)定性，為螺栓軸力控制提供了一種新的技術(shù)手段。

在役螺栓；軸力測(cè)量；電磁超聲

螺栓作為一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，拆裝方便的固定連接結(jié)構(gòu)，在橋梁[1-2]、石化[3]等大型基礎(chǔ)設(shè)施和成套設(shè)備中大量使用。螺栓連接一旦發(fā)生失效，會(huì)造成結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，甚至引發(fā)災(zāi)難性事故。螺栓連接的可靠性取決于螺栓的軸向預(yù)緊力(簡(jiǎn)稱(chēng)軸力)是否恰當(dāng)。不恰當(dāng)?shù)妮S力會(huì)導(dǎo)致螺母松脫或者螺栓斷裂，而使得螺栓連接提前失效。因此準(zhǔn)確測(cè)量螺栓軸力,能夠有效提高螺栓連接可靠性和結(jié)構(gòu)安全性。

目前工程中普遍使用的扭矩法和轉(zhuǎn)角法,只能在螺栓安裝時(shí)對(duì)軸力進(jìn)行控制，不能用于在役螺栓軸力的測(cè)量，并且誤差較大，實(shí)際軸力偏差甚至達(dá)到目標(biāo)軸力的20%以上[4]?；诼晱椥孕?yīng)的螺栓軸力超聲測(cè)量技術(shù)是一種低成本、快速、無(wú)損的螺栓軸力測(cè)量方法。該技術(shù)自出現(xiàn)以來(lái)，就受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[5-7]。國(guó)內(nèi)已經(jīng)有用于橋梁螺栓和法蘭螺栓的軸力測(cè)量系統(tǒng)研制的相關(guān)報(bào)道[8-9]。但是這些系統(tǒng)多采用壓電超聲換能器，難以控制耦合劑厚度而使得其受限于工程應(yīng)用。而電磁超聲換能器是一種使用電磁場(chǎng)在試件表面直接產(chǎn)生超聲波的非接觸換能器[10],筆者根據(jù)基于波型轉(zhuǎn)換的單傳感器螺栓軸力超聲測(cè)量原理，研制了一套在役螺栓軸力電磁超聲測(cè)量系統(tǒng)，系統(tǒng)采用電磁超聲非接觸耦合,避免了耦合劑的影響，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。

1　檢測(cè)原理

在役螺栓軸力可以通過(guò)測(cè)量螺栓軸向應(yīng)力獲得,螺栓軸向應(yīng)力可通過(guò)螺栓中聲彈性效應(yīng)產(chǎn)生的聲速變化進(jìn)行測(cè)量。電磁超聲探頭在螺栓端面激勵(lì)出與端面法線成微小夾角的橫波。橫波在另一端面反射，發(fā)生波型轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生一束橫波和一束縱波被超聲探頭接收。超聲波在螺栓中的傳播路徑如圖1所示，其中螺栓被簡(jiǎn)化為理想圓柱體；圖中，S1為入射橫波傳播路徑，S2為反射橫波傳播路徑，S3為反射縱波傳播路徑，α為入射橫波發(fā)射角，θS為入射橫波入射角，γS為反射橫波反射角，γL為反射縱波反射角。根據(jù)聲彈性理論，螺栓中的縱波和橫波聲速均會(huì)隨著應(yīng)力大小變化而變化，其表達(dá)式為：

(1)

(2)

圖1　超聲波(發(fā)生波型轉(zhuǎn)換)在螺栓中的傳播路徑

式中:vL和vS分別為縱波和橫波的聲速；下標(biāo)0和σ分別代表無(wú)應(yīng)力狀態(tài)和加載應(yīng)力狀態(tài)；σ為螺栓的軸向拉應(yīng)力；CL和CS分別為螺栓材料的縱波和橫波聲彈性常數(shù)。

由于橫波與軸線的夾角非常小，可以將超聲波的傳播路徑近似視為沿軸線傳播。因此探頭接收到的橫波和縱波信號(hào)的聲時(shí)分別為：

(3)

(4)

式中:L為螺栓長(zhǎng)度。

計(jì)算縱波聲時(shí)和橫波聲時(shí)的比，進(jìn)行泰勒展開(kāi)，并取一階泰勒級(jí)數(shù)作為近似，有：

(5)

根據(jù)式(5)可知,縱波信號(hào)和橫波信號(hào)的聲時(shí)比與軸向應(yīng)力大小成線性關(guān)系。在測(cè)量前對(duì)無(wú)應(yīng)力螺栓縱橫波聲速比和縱橫波聲彈性常數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，在現(xiàn)場(chǎng)只需要測(cè)量在役螺栓的聲時(shí)比就可以計(jì)算出螺栓的軸向應(yīng)力大小，進(jìn)而確定螺栓軸力。

2　檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

根據(jù)上述檢測(cè)原理研制出的螺栓軸力電磁超聲測(cè)量系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖和實(shí)物照片,如圖2所示。其主要由主機(jī)、電磁超聲探頭和便攜計(jì)算機(jī)組成。該系統(tǒng)的主要測(cè)量對(duì)象為M24～M30鋼制螺栓;可測(cè)量的螺栓最大長(zhǎng)度為200 mm;相對(duì)測(cè)量誤差不超過(guò)10%。

圖2　螺栓軸力電磁超聲測(cè)量系統(tǒng)框圖和實(shí)物照片

2.1主機(jī)

主機(jī)是測(cè)量系統(tǒng)的核心，其各模塊都有自身特殊的功能要求。控制模塊要求能夠根據(jù)計(jì)算機(jī)指令產(chǎn)生各控制信號(hào)，并且各信號(hào)遵循嚴(yán)格的時(shí)序關(guān)系。其中,脈沖信號(hào)的各項(xiàng)參數(shù)需準(zhǔn)確、可控。門(mén)控功率放大模塊要求能夠以較低功耗實(shí)現(xiàn)兆赫茲頻率脈沖的大功率、低失真放大。弱信號(hào)接收模塊要求能夠?qū)⑽⑷醯母哳l電磁超聲信號(hào)放大至數(shù)據(jù)采集卡能夠分辨的程度，并且能夠承受激勵(lì)時(shí)的高沖擊電壓。

控制模塊負(fù)責(zé)接收計(jì)算機(jī)指令，產(chǎn)生脈沖信號(hào)、采集觸發(fā)信號(hào)和接收控制信號(hào)，同時(shí)還負(fù)責(zé)對(duì)門(mén)控功率放大模塊報(bào)警信號(hào)的監(jiān)控和響應(yīng)。由于控制模塊任務(wù)較多，并且對(duì)實(shí)時(shí)性有較高要求，因此采用以FPGA (Field-programmable gate array，現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列) 芯片為核心的設(shè)計(jì)。FPGA芯片內(nèi)搭建了多個(gè)時(shí)序邏輯電路分別處理控制模塊的各項(xiàng)功能。所有的時(shí)序邏輯電路均工作在100 MHz時(shí)鐘下，具有納秒級(jí)的響應(yīng)速度。各時(shí)序邏輯電路通過(guò)一組寄存器進(jìn)行控制，寄存器的值由計(jì)算機(jī)指令進(jìn)行更改。脈沖信號(hào)為單音脈沖，要求脈沖頻率和周期數(shù)均可調(diào)。因此設(shè)計(jì)了基于DDS (Direct digital synthesis, 直接數(shù)字合成)技術(shù)的脈沖信號(hào)合成器。DDS的數(shù)字部分采用FPGA芯片實(shí)現(xiàn)，驅(qū)動(dòng)獨(dú)立的數(shù)模轉(zhuǎn)換電路產(chǎn)生期望的單音脈沖信號(hào)。信號(hào)最高頻率可達(dá)12.5 MHz，頻率調(diào)節(jié)步進(jìn)12 Hz，周期數(shù)可調(diào)范圍為1～255。

為滿足儀器便攜性的要求，功率放大模塊的體積和重量均受到限制，不能布置大量散熱片，因此要求功率放大模塊具有很低的功率損耗以降低發(fā)熱。螺栓軸力電磁超聲測(cè)量系統(tǒng)工作時(shí)，90%以上的時(shí)間在等待回波信號(hào)，產(chǎn)生激勵(lì)脈沖的時(shí)間非常短。針對(duì)這一特性，設(shè)計(jì)了門(mén)控AB類(lèi)功率放大電路以實(shí)現(xiàn)低功耗的大功率低失真放大。AB類(lèi)放大電路本身具有效率高、失真小的特點(diǎn)，能夠滿足脈沖信號(hào)功率放大的需要。門(mén)控電路在激勵(lì)脈沖放大結(jié)束后將放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)調(diào)至截止區(qū)，進(jìn)一步降低功率放大電路的功耗。為實(shí)現(xiàn)兆赫茲信號(hào)功率放大，門(mén)控功率放大模塊采用響應(yīng)特性好的場(chǎng)效應(yīng)晶體管作為功率元件，并使用傳輸線變壓器作為輸出變壓器，最終實(shí)現(xiàn)向50 Ω負(fù)載輸出頻率2.5 MHz，峰值電壓800 V的單音脈沖的目標(biāo)。

電磁超聲激勵(lì)時(shí)會(huì)在接收線圈上產(chǎn)生一個(gè)高電壓脈沖。為避免弱信號(hào)接收模塊在高電壓脈沖沖擊下進(jìn)入阻塞狀態(tài)，在輸入端設(shè)計(jì)了電壓閾值網(wǎng)絡(luò)，將高于閾值的信號(hào)旁路，以保障后續(xù)電路正常工作。根據(jù)被測(cè)螺栓規(guī)格的不同，電磁超聲信號(hào)幅值變化范圍較大，并包含大量干擾信號(hào)。為最大程度地提高信號(hào)信噪比，弱信號(hào)接收模塊在設(shè)計(jì)中采取了以下措施：① 采用可變?cè)鲆娣糯笃骱凸潭ㄔ鰤悍糯笃鞔钆涞脑O(shè)計(jì)，在提供高增益的同時(shí)將超聲信號(hào)幅值始終控制在數(shù)據(jù)采集卡的最佳范圍。② 設(shè)計(jì)高階帶通濾波器，濾除信號(hào)中的噪聲。③ 對(duì)弱信號(hào)接收模塊電源進(jìn)行濾波抑噪聲設(shè)計(jì)，降低電源噪聲干擾。

電磁超聲信號(hào)需要重復(fù)采樣，取平均值以盡量消除噪聲影響。為此,數(shù)據(jù)采集卡支持?jǐn)?shù)字信號(hào)觸發(fā)并具有穩(wěn)定的觸發(fā)響應(yīng)時(shí)間，以保證每次激勵(lì)的信號(hào)采集開(kāi)始時(shí)刻一致。

為保障測(cè)量系統(tǒng)的便攜性，采用USB接口實(shí)現(xiàn)主機(jī)和便攜計(jì)算機(jī)的指令與數(shù)據(jù)通信。

2.2電磁超聲探頭

電磁超聲探頭由磁化器和線圈兩大部分組成。磁化器用于產(chǎn)生方向不同的偏置磁場(chǎng)，以激勵(lì)和接收不同波型的超聲波。根據(jù)基于波型轉(zhuǎn)換的螺栓軸力測(cè)量原理，電磁超聲探頭需要產(chǎn)生傾斜入射的橫波，并且能夠同時(shí)接收橫波和縱波信號(hào)，因此電磁超聲探頭采用了垂直磁化的圓柱永久磁鐵作為磁化器。在圓柱磁鐵覆蓋區(qū)域的偏置磁場(chǎng)垂直于試件表面，能夠產(chǎn)生和接收橫波信號(hào)。在圓柱磁鐵邊緣的偏置磁場(chǎng)平行于試件表面，能夠用于接收縱波信號(hào)。線圈使用螺旋線平面線圈，以便滿足同時(shí)接收縱波和橫波信號(hào)的要求。

圓柱磁鐵直徑是電磁超聲探頭的重要參數(shù)，直接影響探頭的性能。較大的直徑能夠提高橫波激勵(lì)和接收的效率，但是會(huì)削弱波型轉(zhuǎn)換縱波信號(hào)的接收效率。較小的直徑能提高波型轉(zhuǎn)換縱波信號(hào)的接收效率，但是會(huì)降低橫波的激勵(lì)效率。由于縱波是通過(guò)波型轉(zhuǎn)換由橫波反射中產(chǎn)生的，橫波激勵(lì)的減弱也可能導(dǎo)致縱波信號(hào)幅值下降。因此在設(shè)計(jì)時(shí),需要對(duì)橫波激勵(lì)效率和縱波接收效率進(jìn)行平衡，確定合適的磁鐵直徑以獲得最佳的信號(hào)幅值。通過(guò)大量試驗(yàn)，確定了最佳的圓柱磁鐵直徑，設(shè)計(jì)制作了螺栓軸力電磁超聲測(cè)量探頭，其實(shí)物圖片如圖3所示。

圖3　螺栓軸力電磁超聲測(cè)量探頭

2.3測(cè)量軟件

電磁超聲軸力測(cè)量軟件基于便攜式PC計(jì)算機(jī)，使用C++語(yǔ)言和Matlab聯(lián)合開(kāi)發(fā)，其總體框圖如圖4所示。

圖4　測(cè)量軟件的總體框圖

圖5　螺栓軸力測(cè)量軟件界面

根據(jù)螺栓軸力測(cè)量的需求，軸力測(cè)量軟件分為信號(hào)采集、系數(shù)標(biāo)定和軸力測(cè)量三大功能模塊，實(shí)現(xiàn)的主要功能有：主機(jī)參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集控制、數(shù)據(jù)讀取存儲(chǔ)與顯示、聲時(shí)測(cè)量、軸力測(cè)量系數(shù)計(jì)算和軸力計(jì)算等。主機(jī)參數(shù)設(shè)置包括對(duì)控制模塊和數(shù)據(jù)采集卡的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，包括激勵(lì)脈沖波形參數(shù)、功率放大參數(shù)、弱信號(hào)放大和濾波參數(shù)、采集范圍和頻率參數(shù)等。數(shù)據(jù)采集控制負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集卡的啟動(dòng)和停止。數(shù)據(jù)讀取存儲(chǔ)及顯示功能負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)的顯示以及數(shù)據(jù)文件的讀取和保存。聲時(shí)測(cè)量功能對(duì)采集到的超聲數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從信號(hào)中提取出波型轉(zhuǎn)換縱波和橫波信號(hào)的聲時(shí)。軸力測(cè)量系數(shù)計(jì)算功能通過(guò)對(duì)螺栓聲時(shí)數(shù)據(jù)以及對(duì)應(yīng)的螺栓軸力數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，標(biāo)定無(wú)應(yīng)力螺栓縱橫波聲速比和縱橫波聲彈性常數(shù)等螺栓軸力測(cè)量系數(shù)。軸力計(jì)算功能根據(jù)標(biāo)定獲得的螺栓軸力測(cè)量系數(shù)和被測(cè)螺栓聲時(shí)，計(jì)算準(zhǔn)確的螺栓軸力大小。螺栓軸力測(cè)量軟件中系數(shù)標(biāo)定模塊和軸力測(cè)量模塊的軟件界面如圖5所示。

3　實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

3.1實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)

為驗(yàn)證螺栓軸力電磁超聲測(cè)量系統(tǒng)的性能，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)使用螺栓軸力加載實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行加載，使用研制的系統(tǒng)測(cè)量螺栓軸力。被測(cè)螺栓規(guī)格為GB/T 1228 M24×150 -10.9 S。

首先在被測(cè)螺栓中隨機(jī)選取5顆螺栓進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)，測(cè)量被標(biāo)定螺栓以25 kN為步進(jìn)從0 kN軸力到250 kN軸力下的波型轉(zhuǎn)換縱波聲時(shí)和橫波聲時(shí)。圖6為M24螺栓上的電磁超聲信號(hào)波形。

圖6　M24螺栓的電磁超聲信號(hào)波形

根據(jù)測(cè)量的聲時(shí)結(jié)果，采用線性回歸方法得到波型轉(zhuǎn)換縱波-橫波聲時(shí)比與軸力的關(guān)系。綜合5顆螺栓的標(biāo)定結(jié)果，得到M24×150 mm螺栓聲時(shí)比T1-3/T1-2與軸力F的關(guān)系如下:

(6)

獲得標(biāo)定系數(shù)后，另取10顆螺栓將其軸力加載至250kN后進(jìn)行軸力測(cè)量，結(jié)果如表1所示。將螺栓軸力加載實(shí)驗(yàn)臺(tái)的軸力示數(shù)視為真值，計(jì)算電磁超聲軸力測(cè)量的相對(duì)誤差。由于螺栓軸力加載實(shí)驗(yàn)臺(tái)的加載方式為人工施擰，因此軸力示數(shù)無(wú)法準(zhǔn)確地控制在250 kN，存在一定偏差。10顆螺栓中，軸力超聲測(cè)量的最大相對(duì)誤差為5.3%，最小相對(duì)誤差為-0.7%。

表1　實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下螺栓GB/T 1228 M24×150的軸力測(cè)量結(jié)果

3.2現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

為檢驗(yàn)螺栓軸力電磁超聲測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量能力，在廣東省珠海市的橫琴二橋工地進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。測(cè)量對(duì)象為施工方為驗(yàn)證螺栓安裝工藝而制作的大橋某結(jié)點(diǎn)處上弦頂板的1∶1實(shí)物模型，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)布置及上弦頂板模型尺寸分別如圖7,8所示。針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工況,使用壓力環(huán)測(cè)量螺栓的真實(shí)軸力。上弦頂板1∶1實(shí)物模型上使用扭矩法安裝了70顆性能等級(jí)為10.9S的M30鋼結(jié)構(gòu)高強(qiáng)度大六角頭螺栓，其中20顆螺栓安裝了壓力環(huán)。使用螺栓軸力電磁超聲測(cè)量系統(tǒng)對(duì)這20顆螺栓的軸力進(jìn)行了測(cè)量，并將測(cè)量結(jié)果與壓力環(huán)的讀數(shù)進(jìn)行了對(duì)比。

圖7　現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)布置示意

圖8　上弦頂板模型尺寸示意

安裝了壓力環(huán)的螺栓規(guī)格為GB/T 1228 M30×190-10.9 S，緊固距離為142 mm。使用同規(guī)格螺栓在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)，得到軸力和波型轉(zhuǎn)換縱波-橫波聲時(shí)比的關(guān)系為：

(7)

根據(jù)標(biāo)定試驗(yàn)得到的測(cè)量常數(shù)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的聲時(shí)比,得到20顆螺栓的測(cè)量結(jié)果,見(jiàn)表2。將壓力環(huán)讀數(shù)視為螺栓軸力真值,計(jì)算軸力超聲測(cè)量相對(duì)誤差。結(jié)果表明,在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下，螺栓軸力電磁超聲測(cè)量系統(tǒng)的相對(duì)測(cè)量誤差不大于10%。

表2　現(xiàn)場(chǎng)條件下螺栓GB/T 1228 M30×190的軸力測(cè)量結(jié)果

4　結(jié)論

根據(jù)基于波型轉(zhuǎn)換的單傳感器螺栓軸力測(cè)量原理，研制了在役螺栓軸力電磁超聲測(cè)量系統(tǒng)，能夠用于規(guī)格為M24～M30的螺栓軸力測(cè)量。通過(guò)實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)的試驗(yàn),表明該系統(tǒng)的軸力測(cè)量相對(duì)誤差不大于10%。該系統(tǒng)使用電磁超聲換能器，避免了耦合劑厚度對(duì)螺栓軸力測(cè)量的影響，提高了測(cè)量結(jié)果的穩(wěn)定性，利于其在工程現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用。

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Development of EMAT Based Axial Load Measurement System for In-service Bolts

DING Xu, WU Xin-jun

(School of Mechanical Science and Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)

To solve the technical problems of the axial load measurement of in-service bolts, the measurement system for the axial load of in-service bolts using the electromagnetic acoustic transducers is developed according to the principle of axial load measurement based on mode conversion. It consists of electromagnetic acoustic transducer, host, and software. Laboratory and field experiments indicated that the system could be used in axial load measurement of in-service bolts and the measuring relative error was less than 10%. The advantage of the system is that the electromagnetic acoustic transduction is adopted to obtain the good stability and to avoid the effect of couplant in the traditional piezoelectric transduction. In the meanwhile, a new technical means for the bolt axial load control is also provided.

In-service bolt; Axial load measurement; Electromagnetic acoustic transducer

2015-11-03

國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開(kāi)發(fā)專(zhuān)項(xiàng)資助項(xiàng)目 (2012YQ09017502)

丁旭(1985-)，男，博士研究生，研究方向?yàn)殡姶懦暉o(wú)損檢測(cè)技術(shù)。

武新軍(1971-)，男，教授，博士生導(dǎo)師,主要研究方向?yàn)闊o(wú)損檢測(cè)新技術(shù),E-mail: xinjunwu@mail.hust.edu.cn。

10.11973/wsjc201606012

TG115.28

A

1000-6656(2016)06-0048-05