一种基于压电超声谐振法的小尺寸螺栓预紧力测量方法

本发明提供了一种基于压电超声谐振法的小尺寸螺栓预紧力测量方法，属于螺栓预紧力测量。

背景技术：

1、螺栓连接具有结构简单、连接紧凑、使用方便等优点，在各类机械结构中应用广泛。目前螺栓预紧力常用的测量方法有扭矩扳手法、应变计法、压电超声法等。但扭矩扳手法最大误差可超过20％。应变计法需用在风电、水电、桥梁等大尺寸螺栓无螺纹部位上。另外一种应用最为广泛的为压电超声时延法具有检测成本低、效率高、精度高、便携性好等优点。

2、超声波时延法目前研究的螺栓规格主要集中在m10及以上，长径比大于3：1。美国实行的超声波脉冲回波技术测量螺栓长度变化的标准中，指明了测量直径为6.3mm或更大尺寸的螺栓。对于直径小于m6，长径比小于3：1的小尺寸螺栓几乎没有涉及。但此类小螺栓在航空工业应用逐渐广泛，预紧力测量测量需求也日渐提升。使用超声谐振的方法可以较好的解决这类小螺栓预紧力测量问题。

3、谐振大多基于电磁超声，这是由于电磁超声的脉冲回波信号信噪比低，需通过谐振来提高信噪比。但电磁超声换能器尺寸通常较大，难以应用于直径小于m6，长径比小于3：1的小尺寸螺栓测量，若是将换能器尺寸做小，超声信号难以激发即使发生信噪比也极低，无法用于螺栓超声测量。压电超声谐振可通过将压电晶片尺寸做小的方式应用于小尺寸螺栓预紧力测量，但压电超声谐振一般基于一发一收式双换能器，螺栓预紧力的测量无法满足使用双换能器条件。因此亟需一种单换能器谐振的方法用于这类小尺寸螺栓预紧力的测量。

技术实现思路

1、本发明的发明目的是提供一种基于压电超声谐振法的小尺寸螺栓预紧力测量的方法，该方法使用单压电超声纵波换能器，通过扫频来调节激励超声换能器的频率，使超声波在螺栓内传播时发生谐振，实现已紧固小螺栓的预紧力测量。

2、本发明实现其发明目的所采取的技术方案是：一种基于压电超声谐振法的小尺寸螺栓预紧力测量的方法，其步骤如下：

3、s1、选取与待测螺栓相同规格和尺寸的螺栓作为标定螺栓，在标定螺栓头部表面中心位置布置超声纵波换能器；

4、s2、利用高能超声测试系统对标定螺栓进行预紧力标定实验，得到标定螺栓不同预紧力下的超声谐振信号，对超声谐振信号进行快速傅里叶变换得到不同预紧力下的超声谐振频谱，进而得到不同预紧力下的超声谐振频移量；

5、s3、将螺栓的预紧力与其相对应的超声谐振频移量进行线性拟合，得到螺栓预紧力与超声谐振频移量的函数关系f＝k×δf，其中f为螺栓预紧力，δf为超声谐振频移量，k为通过线性拟合得到的频移量系数；

6、s4、在待测螺栓的螺栓头部表面中心位置布置超声纵波换能器，在拧紧待测螺栓后，采用高能超声测试系统对待测螺栓进行超声谐振扫频激励，得到待测螺栓的超声谐振信号，然后对超声谐振信号进行快速傅里叶变换得到超声谐振频谱，确定待测螺栓的超声谐振频移量δf'；

7、s5、通过步骤s3得到的螺栓预紧力与超声谐振频移量的函数关系，将步骤s4得到的待测螺栓的超声谐振频移量δf'带入计算，即可得到待测螺栓的预紧力f'，f'＝k×δf'。

8、进一步，本发明所述待测螺栓为公称直径为3～6mm、长度为6～12mm的小尺寸螺栓。

9、进一步，本发明所述步骤s1和步骤s4中所用的超声纵波换能器直径为3～5mm，中心频率为4～10mhz。

10、进一步，本发明所述步骤s1和步骤s4中所用的超声纵波换能器为单压电超声纵波换能器。

11、进一步，本发明所述步骤s4采用非线性超声设备对待测螺栓进行超声谐振扫频激励，扫频间隔为0.5～5khz，扫频宽度为1～15mhz。

12、进一步，本发明所述步骤s2利用高能超声测试系统对标定螺栓进行预紧力标定实验，得到标定螺栓不同预紧力下的超声谐振信号，对超声谐振信号进行快速傅里叶变换得到不同预紧力下的超声谐振频谱，进而得到不同预紧力下的超声谐振频移量的具体方法是：

13、s21、将标定螺栓使用小螺栓夹具夹持在应力环上，保证试验环境恒温；

14、s22、在螺栓未受力状态下，利用高能超声测试系统对标定螺栓进行超声谐振扫频激励，获得超声谐振信号，将超声谐振信号进行快速傅里叶变换后得到超声谐振频谱；

15、s23、使用扳手不同程度的拧紧标定螺栓使其受不同预紧力，对不同预紧力下的标定螺栓进行超声谐振扫频激励，获得标定螺栓所受不同预紧力下的超声谐振信号，对超声谐振信号进行快速傅里叶变换得到不同预紧力下的超声谐振频谱，使用降噪频移算法对未受力状态下的超声谐振频谱与在不同预紧力下的超声谐振频谱进行分析，得出不同预紧力下的超声谐振频移量。

16、更进一步，本发明所述步骤s22和步骤s23对标定螺栓进行超声谐振扫频激励，扫频间隔为0.5～5khz，扫频宽度为1～15mhz。

17、进一步，本发明所述高能超声测试系统为非线性超声设备。

18、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

19、一、传统超声纵波法测量螺栓预紧力对回波信噪比有一定要求，小螺栓螺纹的反射杂波会干扰螺栓底部反射的超声波回波，导致回波信噪比低。本发明基于超声扫频激励，对超声回波信号信噪比没有要求。

20、二、螺栓预紧力的存在会影响超声波声速、声弹性系数进而影响超声信号。基于传统超声纵波法测量小螺栓预紧力时，预紧力引起的超声信号变化小，导致系统对螺栓预紧力的测量误差较大。基于本发明测量小螺栓预紧力时，谐振频谱是由多种频率耦合构成，多种频率的耦合可有效增强信号强度，减小单频信号引起的偶发性影响，有效提高小尺寸螺栓的测试精度。

21、三、本发明相较于传统压电超声谐振方法，仅使用单压电换能器，减小了多次耦合引入的误差，同时简化了测量流程，对提高小螺栓预紧力的测量精度，保障小螺栓连接件结构的安全可靠性具有实际应用价值。

技术特征：

1.一种基于压电超声谐振法的小尺寸螺栓预紧力测量的方法，其步骤如下：

2.根据权利要求1所述的一种基于压电超声谐振法的小尺寸螺栓预紧力测量的方法，其特征在于：所述待测螺栓为公称直径为3～6mm、长度为6～12mm的小尺寸螺栓。

3.根据权利要求1所述的一种基于压电超声谐振法的小尺寸螺栓预紧力测量的方法，其特征在于：所述步骤s1和步骤s4中所用的超声纵波换能器直径为3～5mm，中心频率为4～10mhz。

4.根据权利要求1所述的一种基于压电超声谐振法的小尺寸螺栓预紧力测量的方法，其特征在于：所述步骤s1和步骤s4中所用的超声纵波换能器为单压电超声纵波换能器。

5.根据权利要求1所述的一种基于压电超声谐振法的小尺寸螺栓预紧力测量的方法，其特征在于：所述步骤s4采用非线性超声设备对待测螺栓进行超声谐振扫频激励，扫频间隔为0.5～5khz，扫频宽度为1～15mhz。

6.根据权利要求1所述的一种基于压电超声谐振法的小尺寸螺栓预紧力测量的方法，其特征在于：所述步骤s2利用高能超声测试系统对标定螺栓进行预紧力标定实验，得到标定螺栓不同预紧力下的超声谐振信号，对超声谐振信号进行快速傅里叶变换得到不同预紧力下的超声谐振频谱，进而得到不同预紧力下的超声谐振频移量的具体方法是：

7.根据权利要求6所述的一种基于压电超声谐振法的小尺寸螺栓预紧力测量的方法，其特征在于：所述步骤s22和步骤s23对标定螺栓进行超声谐振扫频激励，扫频间隔为0.5～5khz，扫频宽度为1～15mhz。

8.根据权利要求1或6所述的一种基于压电超声谐振法的小尺寸螺栓预紧力测量的方法，其特征在于：所述高能超声测试系统为非线性超声设备。

技术总结
一种基于压电超声谐振法的小尺寸螺栓预紧力测量的方法，步骤如下：S1、选取与待测螺栓相同规格和尺寸的螺栓作为标定螺栓，在标定螺栓头部布置超声纵波换能器；S2、利用高能超声测试系统对标定螺栓进行预紧力标定实验，得到不同预紧力下的超声谐振频移量；S3、通过线性拟合，得到螺栓预紧力与超声谐振频移量的函数关系；S4、在待测螺栓的螺栓头部布置超声纵波换能器，在拧紧待测螺栓后，采用高能超声测试系统对待测螺栓进行超声谐振扫频激励，确定待测螺栓的超声谐振频移量；S5、通过螺栓预紧力与超声谐振频移量的函数关系，将待测螺栓的超声谐振频移量带入计算，即可得到待测螺栓的预紧力。本发明可实现小尺寸螺栓预紧力的精准测量。

技术研发人员：闫广隆,苟国庆,邱菲菲,陈兵,李会明,张晨昊,秦淑芝
受保护的技术使用者：西南交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13