李展鵬，王淑娟，錢孜洋

(哈爾濱工業(yè)大學電器與電子可靠性研究所，黑龍江哈爾濱 150001)

0 引言

高強度螺栓廣泛應用于風電、橋梁、鐵路等領域，起著關鍵性的作用[1]。一旦發(fā)生斷裂等失效情況，會造成損失。因此，高強度螺栓的性能、壽命以及使用狀態(tài)受到業(yè)界高度重視，特別是螺栓的軸向應力情況[2]。然而，目前普遍采用的力矩法，由于受摩擦系數分散性的影響，實際測量中會產生最大20%的相對誤差，不利于設備的安全性和可靠性[3]。超聲法測量螺栓軸力，能夠獲得較高的精度[4-6]。

目前，超聲法測量螺栓軸力的方法主要有單波法(縱波法)和雙波法(橫縱、波法或模式轉換波、縱波法)[7]。雙波法的優(yōu)勢在于不需要獲知螺栓的原長，可以對在役螺栓進行測量，因此具有更加廣泛的應用前景。本文基于電磁超聲技術，研制了一款采用雙波法對高強度螺栓進行軸力測量的設備，相比于傳統(tǒng)超聲技術，具有非接觸、無需打磨、無需耦合劑的優(yōu)勢，測量便捷、快速，能夠滿足工程現場測量需求。

1 測量儀基本工作原理

1.1 雙波法軸向應力測量原理

根據聲彈性理論[8]，橫波、縱波波速與應力關系為：

=kLσ+BL

=kSσ+BS

(2)

式中：ρ為螺栓材料密度；vL為縱波波速；vS為橫波波速；μ、λ為二階彈性系數；l、m、n為三階彈性系數；σ為螺栓軸向應力。

式(1)與式(2)作差：

=kσ+B

(3)

考慮到在螺栓受力范圍內，橫波和縱波的變化值很小[9]，因此可作如下近似：

(vL+vS)2=const

(4)

由式(3)、式(4)得：

(5)

式中：L為螺栓長度；tS為橫波飛行時間；tL為縱波飛行時間；k′為標定斜率；B′為標定截距。

式(5)是應力的計算表達式，tS和tL為直接測量量，通過預先標定同一型號螺栓的k′和B′,即可實現對在役螺栓的軸力測量，或者在擰緊過程中對螺栓進行軸力測量。

由式(5)可知，相比于單波法，雙波法的優(yōu)勢在于能夠通過方程聯立從軸力計算式中消除螺栓長度L，即無需已知螺栓長度，可以對在役螺栓直接進行應力測量。

1.2 電磁超聲換能器原理

電磁超聲換能器(electromagnetic acoustic transducer，EMAT)主要由永磁體、線圈和被測試件組成。工作原理如圖1所示。當線圈中通以高頻電流時，會在試件集膚深度內感應出同頻渦流，渦流在靜磁場的作用下，使得鐵磁性試件表面質點受到洛倫茲力、磁化力和磁致伸縮力的作用，從而激發(fā)超聲波。當超聲回波返回試件表面時，金屬表面由于機械振動而切割磁感線，產生感應電動勢和渦流，渦流的交變磁場被線圈拾獲，完成超聲波的接收。當靜磁場為垂直渦流平面方向時，激發(fā)的主要是橫波；當靜磁場為平行渦流平面方向時，激發(fā)的主要是縱波；橫波、縱波接收過程亦如此。因此，在設計用于螺栓軸力測量的EMAT探頭時，應該調整靜磁場的水平和垂直分量，使其能夠同時激發(fā)和接收橫波和縱波。

圖1 電磁超聲激發(fā)橫縱波原理示意圖

2 裝置總體結構

基于電磁超聲技術的高強度螺栓軸力測量儀總體框圖如圖2所示。高頻大功率發(fā)射模塊用于激勵電磁超聲探頭產生橫波和縱波。低噪聲信號調理模塊對微弱的超聲信號進行放大、濾波。通過高速采集模塊對超聲信號完成模數轉換，FPGA進行累計平均、相關濾波等數字信號處理，進一步提高信號信噪比。被處理過后的數據經由WiFi無線傳輸至數據終端，用戶可通過數據終端的Windows操作系統(tǒng)、鍵盤、顯示器和USB等進行人機交互，完成數據的顯示、儲存、分析與管理。主機和數據終端均使用電池供電。

圖2 軸力測量儀總體框圖

3 發(fā)射接收模塊

電磁超聲換能器換能效率低，需要大功率的脈沖激勵電源來驅動產生超聲波。同時需要低噪聲的信號調理電路來完成對微弱超聲回波信號的放大、濾波。電磁超聲發(fā)射與接收模塊的原理框圖如圖3所示。首先，FPGA產生充電脈沖，控制反激式升壓電路為高壓電容組充電，完成高壓儲能。然后，FPGA發(fā)出高頻驅動脈沖，經由H橋放大，阻抗匹配網絡，向EMAT提供大功率脈沖激勵電流，同時產生橫波和縱波。

圖3 發(fā)射接收模塊原理框圖

反射回來的超聲回波首先經過低噪聲差分放大器進行放大，再經過可控增益放大器二級放大，最后輸入至窄帶濾波器進行濾波以提高信噪比。

4 測試流程

基于電磁超聲技術的高強度螺栓軸力測量儀測試流程主要包括：標定、測量和數據分析。測試流程的控制主要通過數據終端進行。

首先，取一根與待測螺栓同型號的標準螺栓，按照相同的裝配工藝(夾持長度等保持一致)，配合萬能電子試驗機進行步進拉伸試驗。在拉伸試驗過程中，測量儀會同步記錄所有的超聲信號。拉伸試驗結束后，數據終端會自動計算如圖4上方所示的標定曲線，即式(5)中的k′和B′。

圖4 測試流程：標定

然后，使用數據終端進入測試界面，導入標定結果后即可開始對其他螺栓進行測量。測量結果和超聲波形會實時顯示在數據終端上，如圖5所示。所有原始數據和測量結果均會同步保存到數據終端以便分析。此外，利用數據終端，可以對主機參數進行配置，包括：超聲頻率、放大增益、重復頻率、算法等級、采樣深度等。

圖5 測試流程：測量

最后，使用數據終端的分析功能，能夠查詢，導出，繪制和修正測量結果，如圖6所示。

圖6 測試流程：數據分析

5 實驗結果

使用研制的基于電磁超聲技術的高強度螺栓軸力測量儀對6根10.9級M36長為600 mm的內六角高強度螺栓進行測試，夾持長度為520 mm，標記為1～6號。其中1號作為標定螺栓。所有的測試均在萬能電子試驗機上進行，測試結果如表1、表2所示。結果表明，該測量儀的測量相對誤差小于5%。

表1 10.9級M36內六角螺栓測量結果 kN

表2 10.9級M36內六角螺栓測量相對誤差

6 結束語

本文基于電磁超聲技術，研制了一款使用雙波法對高強對螺栓進行軸力測量的測量儀。該測量儀包括探頭、主機和數據終端3個部分，能夠完成電磁超聲的收發(fā)、數據采集與計算、測量結果顯示與管理等螺栓軸力測量全流程功能。測量的相對誤差小于5%。本文研制的手持式螺栓軸力測量儀，具有非接觸、無需打磨、無需耦合劑的特點，為工程現場螺栓軸力測量提供了一個快捷、高效的解決方案。