在役螺栓軸力電磁超聲測量系統的研制

丁　旭,武新軍

(華中科技大學 機械科學與工程學院， 武漢 430074)

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在役螺栓軸力電磁超聲測量系統的研制

丁旭,武新軍

(華中科技大學 機械科學與工程學院， 武漢 430074)

為解決在役螺栓軸力測量的技術難題，根據基于波型轉換的單傳感器螺栓軸力超聲測量原理，研制出一套在役螺栓軸力電磁超聲測量系統。詳細介紹了電磁超聲探頭、主機和測量軟件等系統的組成部分。實驗室和現場試驗證明,該系統能夠用于在役螺栓軸力測量，測量相對誤差不超過10%。該系統采用電磁超聲非接觸耦合，避免了耦合劑影響，測量結果具有良好的穩定性，為螺栓軸力控制提供了一種新的技術手段。

在役螺栓；軸力測量；電磁超聲

螺栓作為一種結構簡單，拆裝方便的固定連接結構，在橋梁[1-2]、石化[3]等大型基礎設施和成套設備中大量使用。螺栓連接一旦發生失效，會造成結構失穩，甚至引發災難性事故。螺栓連接的可靠性取決于螺栓的軸向預緊力(簡稱軸力)是否恰當。不恰當的軸力會導致螺母松脫或者螺栓斷裂，而使得螺栓連接提前失效。因此準確測量螺栓軸力,能夠有效提高螺栓連接可靠性和結構安全性。

目前工程中普遍使用的扭矩法和轉角法,只能在螺栓安裝時對軸力進行控制，不能用于在役螺栓軸力的測量，并且誤差較大，實際軸力偏差甚至達到目標軸力的20%以上[4]。基于聲彈性效應的螺栓軸力超聲測量技術是一種低成本、快速、無損的螺栓軸力測量方法。該技術自出現以來，就受到國內外學者的廣泛關注[5-7]。國內已經有用于橋梁螺栓和法蘭螺栓的軸力測量系統研制的相關報道[8-9]。但是這些系統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用。而電磁超聲換能器是一種使用電磁場在試件表面直接產生超聲波的非接觸換能器[10],筆者根據基于波型轉換的單傳感器螺栓軸力超聲測量原理，研制了一套在役螺栓軸力電磁超聲測量系統，系統采用電磁超聲非接觸耦合,避免了耦合劑的影響，并進行了實驗室和現場測試。

1　檢測原理

在役螺栓軸力可以通過測量螺栓軸向應力獲得,螺栓軸向應力可通過螺栓中聲彈性效應產生的聲速變化進行測量。電磁超聲探頭在螺栓端面激勵出與端面法線成微小夾角的橫波。橫波在另一端面反射，發生波型轉換，產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。根據聲彈性理論，螺栓中的縱波和橫波聲速均會隨著應力大小變化而變化，其表達式為：

(1)

(2)

圖1　超聲波(發生波型轉換)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0和σ分別代表無應力狀態和加載應力狀態；σ為螺栓的軸向拉應力；CL和CS分別為螺栓材料的縱波和橫波聲彈性常數。

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的聲時分別為：

(3)

(4)

式中:L為螺栓長度。

計算縱波聲時和橫波聲時的比，進行泰勒展開，并取一階泰勒級數作為近似，有：

(5)

根據式(5)可知,縱波信號和橫波信號的聲時比與軸向應力大小成線性關系。在測量前對無應力螺栓縱橫波聲速比和縱橫波聲彈性常數進行標定，在現場只需要測量在役螺栓的聲時比就可以計算出螺栓的軸向應力大小，進而確定螺栓軸力。

2　檢測系統構成

根據上述檢測原理研制出的螺栓軸力電磁超聲測量系統的系統框圖和實物照片,如圖2所示。其主要由主機、電磁超聲探頭和便攜計算機組成。該系統的主要測量對象為M24～M30鋼制螺栓;可測量的螺栓最大長度為200 mm;相對測量誤差不超過10%。

圖2　螺栓軸力電磁超聲測量系統框圖和實物照片

2.1主機

主機是測量系統的核心，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計算機指令產生各控制信號，并且各信號遵循嚴格的時序關系。其中,脈沖信號的各項參數需準確、可控。門控功率放大模塊要求能夠以較低功耗實現兆赫茲頻率脈沖的大功率、低失真放大。弱信號接收模塊要求能夠將微弱的高頻電磁超聲信號放大至數據采集卡能夠分辨的程度，并且能夠承受激勵時的高沖擊電壓。

控制模塊負責接收計算機指令，產生脈沖信號、采集觸發信號和接收控制信號，同時還負責對門控功率放大模塊報警信號的監控和響應。由于控制模塊任務較多，并且對實時性有較高要求，因此采用以FPGA (Field-programmable gate array，現場可編程門陣列) 芯片為核心的設計。FPGA芯片內搭建了多個時序邏輯電路分別處理控制模塊的各項功能。所有的時序邏輯電路均工作在100 MHz時鐘下，具有納秒級的響應速度。各時序邏輯電路通過一組寄存器進行控制，寄存器的值由計算機指令進行更改。脈沖信號為單音脈沖，要求脈沖頻率和周期數均可調。因此設計了基于DDS (Direct digital synthesis, 直接數字合成)技術的脈沖信號合成器。DDS的數字部分采用FPGA芯片實現，驅動獨立的數模轉換電路產生期望的單音脈沖信號。信號最高頻率可達12.5 MHz，頻率調節步進12 Hz，周期數可調范圍為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熱。螺栓軸力電磁超聲測量系統工作時，90%以上的時間在等待回波信號，產生激勵脈沖的時間非常短。針對這一特性，設計了門控AB類功率放大電路以實現低功耗的大功率低失真放大。AB類放大電路本身具有效率高、失真小的特點，能夠滿足脈沖信號功率放大的需要。門控電路在激勵脈沖放大結束后將放大電路的靜態工作點調至截止區，進一步降低功率放大電路的功耗。為實現兆赫茲信號功率放大，門控功率放大模塊采用響應特性好的場效應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，最終實現向50 Ω負載輸出頻率2.5 MHz，峰值電壓800 V的單音脈沖的目標。

電磁超聲激勵時會在接收線圈上產生一個高電壓脈沖。為避免弱信號接收模塊在高電壓脈沖沖擊下進入阻塞狀態，在輸入端設計了電壓閾值網絡，將高于閾值的信號旁路，以保障后續電路正常工作。根據被測螺栓規格的不同，電磁超聲信號幅值變化范圍較大，并包含大量干擾信號。為最大程度地提高信號信噪比，弱信號接收模塊在設計中采取了以下措施：① 采用可變增益放大器和固定增壓放大器搭配的設計，在提供高增益的同時將超聲信號幅值始終控制在數據采集卡的最佳范圍。② 設計高階帶通濾波器，濾除信號中的噪聲。③ 對弱信號接收模塊電源進行濾波抑噪聲設計，降低電源噪聲干擾。

電磁超聲信號需要重復采樣，取平均值以盡量消除噪聲影響。為此,數據采集卡支持數字信號觸發并具有穩定的觸發響應時間，以保證每次激勵的信號采集開始時刻一致。

為保障測量系統的便攜性，采用USB接口實現主機和便攜計算機的指令與數據通信。

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。磁化器用于產生方向不同的偏置磁場，以激勵和接收不同波型的超聲波。根據基于波型轉換的螺栓軸力測量原理，電磁超聲探頭需要產生傾斜入射的橫波，并且能夠同時接收橫波和縱波信號，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。在圓柱磁鐵覆蓋區域的偏置磁場垂直于試件表面，能夠產生和接收橫波信號。在圓柱磁鐵邊緣的偏置磁場平行于試件表面，能夠用于接收縱波信號。線圈使用螺旋線平面線圈，以便滿足同時接收縱波和橫波信號的要求。

圓柱磁鐵直徑是電磁超聲探頭的重要參數，直接影響探頭的性能。較大的直徑能夠提高橫波激勵和接收的效率，但是會削弱波型轉換縱波信號的接收效率。較小的直徑能提高波型轉換縱波信號的接收效率，但是會降低橫波的激勵效率。由于縱波是通過波型轉換由橫波反射中產生的，橫波激勵的減弱也可能導致縱波信號幅值下降。因此在設計時,需要對橫波激勵效率和縱波接收效率進行平衡，確定合適的磁鐵直徑以獲得最佳的信號幅值。通過大量試驗，確定了最佳的圓柱磁鐵直徑，設計制作了螺栓軸力電磁超聲測量探頭，其實物圖片如圖3所示。

圖3　螺栓軸力電磁超聲測量探頭

2.3測量軟件

電磁超聲軸力測量軟件基于便攜式PC計算機，使用C++語言和Matlab聯合開發，其總體框圖如圖4所示。

圖4　測量軟件的總體框圖

圖5　螺栓軸力測量軟件界面

根據螺栓軸力測量的需求，軸力測量軟件分為信號采集、系數標定和軸力測量三大功能模塊，實現的主要功能有：主機參數設置、數據采集控制、數據讀取存儲與顯示、聲時測量、軸力測量系數計算和軸力計算等。主機參數設置包括對控制模塊和數據采集卡的參數進行設置，包括激勵脈沖波形參數、功率放大參數、弱信號放大和濾波參數、采集范圍和頻率參數等。數據采集控制負責數據采集卡的啟動和停止。數據讀取存儲及顯示功能負責數據采集卡采集數據的顯示以及數據文件的讀取和保存。聲時測量功能對采集到的超聲數據進行處理，從信號中提取出波型轉換縱波和橫波信號的聲時。軸力測量系數計算功能通過對螺栓聲時數據以及對應的螺栓軸力數據進行處理，標定無應力螺栓縱橫波聲速比和縱橫波聲彈性常數等螺栓軸力測量系數。軸力計算功能根據標定獲得的螺栓軸力測量系數和被測螺栓聲時，計算準確的螺栓軸力大小。螺栓軸力測量軟件中系數標定模塊和軸力測量模塊的軟件界面如圖5所示。

3　實驗室和現場試驗

3.1實驗室試驗

為驗證螺栓軸力電磁超聲測量系統的性能，在實驗室內使用螺栓軸力加載實驗臺進行加載，使用研制的系統測量螺栓軸力。被測螺栓規格為GB/T 1228 M24×150 -10.9 S。

首先在被測螺栓中隨機選取5顆螺栓進行標定試驗，測量被標定螺栓以25 kN為步進從0 kN軸力到250 kN軸力下的波型轉換縱波聲時和橫波聲時。圖6為M24螺栓上的電磁超聲信號波形。

圖6　M24螺栓的電磁超聲信號波形

根據測量的聲時結果，采用線性回歸方法得到波型轉換縱波-橫波聲時比與軸力的關系。綜合5顆螺栓的標定結果，得到M24×150 mm螺栓聲時比T1-3/T1-2與軸力F的關系如下:

(6)

獲得標定系數后，另取10顆螺栓將其軸力加載至250kN后進行軸力測量，結果如表1所示。將螺栓軸力加載實驗臺的軸力示數視為真值，計算電磁超聲軸力測量的相對誤差。由于螺栓軸力加載實驗臺的加載方式為人工施擰，因此軸力示數無法準確地控制在250 kN，存在一定偏差。10顆螺栓中，軸力超聲測量的最大相對誤差為5.3%，最小相對誤差為-0.7%。

表1　實驗室環境下螺栓GB/T 1228 M24×150的軸力測量結果

3.2現場試驗

為檢驗螺栓軸力電磁超聲測量系統的測量能力，在廣東省珠海市的橫琴二橋工地進行了現場試驗。測量對象為施工方為驗證螺栓安裝工藝而制作的大橋某結點處上弦頂板的1∶1實物模型，現場試驗布置及上弦頂板模型尺寸分別如圖7,8所示。針對現場工況,使用壓力環測量螺栓的真實軸力。上弦頂板1∶1實物模型上使用扭矩法安裝了70顆性能等級為10.9S的M30鋼結構高強度大六角頭螺栓，其中20顆螺栓安裝了壓力環。使用螺栓軸力電磁超聲測量系統對這20顆螺栓的軸力進行了測量，并將測量結果與壓力環的讀數進行了對比。

圖7　現場試驗布置示意

圖8　上弦頂板模型尺寸示意

安裝了壓力環的螺栓規格為GB/T 1228 M30×190-10.9 S，緊固距離為142 mm。使用同規格螺栓在實驗室進行標定試驗，得到軸力和波型轉換縱波-橫波聲時比的關系為：

(7)

根據標定試驗得到的測量常數和現場測量的聲時比,得到20顆螺栓的測量結果,見表2。將壓力環讀數視為螺栓軸力真值,計算軸力超聲測量相對誤差。結果表明,在現場環境下，螺栓軸力電磁超聲測量系統的相對測量誤差不大于10%。

表2　現場條件下螺栓GB/T 1228 M30×190的軸力測量結果

4　結論

根據基于波型轉換的單傳感器螺栓軸力測量原理，研制了在役螺栓軸力電磁超聲測量系統，能夠用于規格為M24～M30的螺栓軸力測量。通過實驗室和現場的試驗,表明該系統的軸力測量相對誤差不大于10%。該系統使用電磁超聲換能器，避免了耦合劑厚度對螺栓軸力測量的影響，提高了測量結果的穩定性，利于其在工程現場的應用。

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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

國家重大科學儀器設備開發專項資助項目 (2012YQ09017502)

丁旭(1985-)，男，博士研究生，研究方向為電磁超聲無損檢測技術。

武新軍(1971-)，男，教授，博士生導師,主要研究方向為無損檢測新技術,E-mail: xinjunwu@mail.hust.edu.cn。

10.11973/wsjc201606012

TG115.28

A

1000-6656(2016)06-0048-05