基于FPGA和LabVIEW的超声波螺栓应力测量系统设计

甘文成，王雪梅，倪文波，刘家斌

(西南交通大学机械工程学院，四川成都 610031)

0 引言

螺栓在连接处起着强化密封的作用，螺栓轴向应力大小直接影响着结构或设备的性能与质量，因此，科学准确地对螺栓轴向应力大小进行测量，对于保障产品或设备的正常运行和安全使用具有十分重要的意义。目前，用于螺栓轴向应力或连接松紧状态测量的经典方法主要有：应变式测试法、扭矩扳手法和光测力学法等，但都具有一定局限性，在很多实际工况中难以实现或获得高的测量精度[1-3]。20世纪50年代，随着声弹性理论的提出[4-5]，各国学者开展了大量有关声弹性现象的应用研究工作[6-11]。

声弹性理论是指弹性波在有应力的固体材料中的传播速度，不仅取决于材料的弹性常数和密度，还和应力有关。这种声速与应力之间的关系称为“声弹性效应”。在螺栓连接应力的测量中，应力的变化引起超声波速度变化，从而引起超声波渡越时间(time-of- flight，TOF)的变化。渡越时间是指超声波沿螺栓轴向传播的往返时间。通过测量TOF，便可间接测量螺栓的轴向应力大小。本文基于声弹性效应，使用现场可编程门阵列 (field-programmable gate array，FPGA)和基于PC机的LabVIEW虚拟仪器处理平台建立超声波螺栓应力测量系统。

1 超声波螺栓应力测量原理

基于声弹性效应的超声纵波螺栓应力测量原理如图1所示。测量时，将超声纵波直探头置于螺栓端面。L0为螺栓未受应力时的总长度，mm；L1和Lσ分别为螺栓有效受力区间内未受应力时的长度和受应力σ后的长度，mm；L2为螺栓不受应力的区间长度,mm。

螺栓在使用时，将其紧固应力视为单轴均匀拉伸应力，考虑胡克定律和声弹性效应的综合影响，在被测螺栓材料的弹性极限范围内，一方面应力与应变成正比；另一方面超声波在螺栓内沿轴向传播速度与所受应力相关[12]。分析可得螺栓所受轴向应力与超声纵波沿轴向传播的时间具有以下关系：

F=K(Tσ-T0)

(1)

式中：F为螺栓所受应力，MPa；K为标定系数，可通过标定实验获得；T0为螺栓应力为零时的纵波渡越时间，ns；Tσ为螺栓在应力状态下的纵波渡越时间，ns。

可见，若标定系数K已通过标定实验得到，在实际应用时，只需测量得到超声纵波在螺栓应力为0时的渡越时间T0以及有应力作用时的渡越时间Tσ，就可以计算出对应的螺栓应力大小，实现螺栓连接应力的测量。

2 超声波螺栓应力测量系统总体设计方案

基于FPGA和PC机LabVIEW虚拟仪器处理平台建立了如图2所示的超声波螺栓应力测量系统。整个测量系统由基于FPGA的超声信号检测及传输控制模块与基于PC机LabVIEW的信号处理模块两部分组成。前者以FPGA为核心，主要实现超声信号的激励、回波信号的高速数模转换和采集以及数据的千兆以太网传输控制等功能。基于LabVIEW的信号处理模块对FPGA传输来的超声波信号进行相应的数据处理，测量得到超声波渡越时间，进而计算出螺栓应力大小并进行显示。

图2 螺栓应力测量系统总体框图

3 基于FPGA的超声信号检测及传输控制模块设计

3.1 FPGA模块

FPGA是硬件电路的中枢，本测量系统采用Cyclone IV系列EP4CE15F23C8器件。该器件的逻辑单元达到15 408个，在实现低功耗和低成本的同时，能够满足所建立系统的要求。FPGA的寄存器转换级电路(register transfer level，RTL)原理图如图3所示，主要完成高速数据采集、传输和超声激励等的逻辑控制。

图3 FPGA的RTL原理图

3.2 超声激励信号产生模块

传统的超声激励方法多采用模拟RC放电回路产生高电压的窄脉冲信号对超声探头进行激励，存在脉冲宽度较宽、不易控制等问题，为了更加灵活有效地对探头进行激励，本文设计了利用FPGA进行控制的超声激励信号产生电路模块。由FPGA输出1～5个周期的2路反向脉冲信号(如图4所示)，该脉冲信号的频率与所用超声探头的中心频率一致。MD1213是1个高速双路MOSFET栅极驱动器，利用它将TTL电平脉冲信号转换成强电流信号进而驱动双路高压MOSFET晶体管TC6320。TC6320在电路中起到对高频脉冲信号电压放大的作用，其击穿电压为200 V，输出峰值电流可达2 A。通过TC6320，激励电路可产生峰峰值高达200 V的高电压超声激励脉冲(如图5所示)。通过FPGA可灵活控制、调整激励脉冲个数和频率，以适应不同中心频率探头和被测螺栓长度的要求。

图4 FPGA输出的2路反向脉冲信号

图5 峰峰值200 V的超声激励脉冲信号

3.3 超声回波信号的采样控制模块

在螺栓应力测量中，模数转换器的采样率越高，时间测量精度越高，应力测量精度也随之提升，但对硬件的要求也越高。系统选用的12位模数转换器AD9226，可实现50 Msps的转换率，采样时间间隔为20 ns，时间测量不确定度约为10 ns，根据标定实验所得的灵敏度系数K=1.180 6 MPa/ns[13]，应力测量的不确定度约为12 MPa。为了在现有硬件条件下，提高应力测量精度，考虑被测超声回波信号具有周期性的特点，系统以FPGA为核心，使用“等效时间采样法”对被测超声信号进行采样控制[14]。FPGA输出2路反相的50 MHz采样时钟，分别控制采样。2路采集信号相位相差180°，缓存于FPGA的FIFO中。最后在PC机中完成2路采集数据的拼接、信号重构。拼接后的数据等效采样频率达到100 MHz，采样时间间隔为10 ns，应力测量准确度提高1倍，不确定度约为6 MPa。

3.4 超声波信号的传输模块

为了对采集得到的超声回波数据进行进一步处理、显示，构建良好的人机交互界面，在FPGA的控制下，把采集数据通过千兆以太网传输到PC机中。系统采用UDP协议进行数据传输。FPGA主要完成数据的打包控制，依次对MAC帧头、IP包头、UDP包头、FIFO中缓存的超声波数据以及CRC校验码进行配置，进而通过千兆媒体独立接口(gigabit medium independent interface，GMII)实现与物理层驱动芯片RTL8211EG的数据通信。该芯片可以实现1 000 Mbit/s的传输速率，能够将打包数据实时传输至PC机端。

4 基于LabVIEW的应用程序设计

PC机利用虚拟仪器平台LabVIEW实现对FPGA上传的超声数据的接收与处理，程序流程图如图6所示。

图6 PC机程序流程图

4.1 数据接收模块

LabVIEW数据接收模块基于WinPcap模块对数据进行接收。WinPcap模块不间断地对PC机上的各个适配器进行检测，在检测到某个适配器有数据传来后，自动地将数据包抓取出来。接收模块程序如图7所示，每次循环，程序会抓取1帧数据包，其为长度512字节的十六进制字符串。当抓取的字符串总长度等于存储超声波数据的FIFO的深度时，本次循环停止，接收到的超声波数据被送入数据处理模块。

图7 LabVIEW接收模块程序

4.2 数据处理模块

采用等效时间采样法对超声回波信号进行采集和拼接处理，等效采样率提高为100 MHz，螺栓应力测量不确定度约为6 MPa。为了进一步提高螺栓应力测量精度，LabVIEW数据处理模块对拼接数据进一步进行了三次样条插值处理。三次样条插值(cubic spline interpolation)简称Spline插值，是为了获得光滑曲线的一种插值方法。数学上通过求解三弯矩方程组得到连接2个采样点之间的光滑曲线。LabVIEW内置的样条插值子VI可根据求解所得的曲线方程在每2点之间插入一定数量的点。考虑到采集所得的数据本身存在误差，插入过多的点没有意义，因此本文在每2点中插入4点。如图8所示是数据处理模块对1组超声回波信号的处理结果，处理后的数据每2点之间时间间隔为2 ns，相应的螺栓应力测量的不确定度约为1.2 MPa。对多周期的信号进行平均处理，可以进一步减小随机误差。系统计算出10组TOF，求其平均值，根据标定所得的灵敏度系数计算螺栓所受轴向应力大小。

图8 超声回波信号分析处理结果

5 系统测试

为了验证所建立系统的有效性，本文使用1个中心频率为5 MHz的超声探头对一个M10的8.8级碳钢螺栓进行超声应力实际测量。分别在未施加载荷与施加一定载荷的状态下对螺栓进行测量，如表1所示是最终应力测量结果，如图9所示是在载荷状态下PC机虚拟仪器处理平台的人机交互界面的显示结果。结果显示，所搭建系统成功实现了对螺栓轴向应力的测量。

表1 螺栓轴向应力测量结果

图9 基于PC机虚拟仪器处理平台的人机交互界面

6 结束语

本文针对传统螺栓应力测量方法的局限性，基于声弹性效应建立了超声螺栓轴向应力测量系统。测量系统的下位机部分以FPGA为核心，在FPGA的控制下能灵活产生不同频率、不同周期数的高电压超声激励脉冲信号，以适应不同探头和类型螺栓对激励信号的要求。同时实现了基于FPGA的超声回波信号高速采集与实时传输控制。上位机基于虚拟仪器处理平台LabVIEW实现对FPGA上传超声数据的可靠接收，并根据标定所得灵敏度系数实时计算出螺栓轴向应力大小。针对超声波螺栓应力测量中超声回波信号具有周期重复的特征，系统综合应用等效时间采样法、三次样条插值法和平均值法，提高了螺栓轴向应力的测量精度。试验结果表明，所建系统能够成功实现对螺栓轴向应力的测量，应力测量不确定度约为1.2 MPa。