基于电磁超声技术的高强度螺栓轴力测量仪

李展鹏，王淑娟，钱孜洋

(哈尔滨工业大学电器与电子可靠性研究所，黑龙江哈尔滨 150001)

0 引言

高强度螺栓广泛应用于风电、桥梁、铁路等领域，起着关键性的作用[1]。一旦发生断裂等失效情况，会造成损失。因此，高强度螺栓的性能、寿命以及使用状态受到业界高度重视，特别是螺栓的轴向应力情况[2]。然而，目前普遍采用的力矩法，由于受摩擦系数分散性的影响，实际测量中会产生最大20%的相对误差，不利于设备的安全性和可靠性[3]。超声法测量螺栓轴力，能够获得较高的精度[4-6]。

目前，超声法测量螺栓轴力的方法主要有单波法(纵波法)和双波法(横纵、波法或模式转换波、纵波法)[7]。双波法的优势在于不需要获知螺栓的原长，可以对在役螺栓进行测量，因此具有更加广泛的应用前景。本文基于电磁超声技术，研制了一款采用双波法对高强度螺栓进行轴力测量的设备，相比于传统超声技术，具有非接触、无需打磨、无需耦合剂的优势，测量便捷、快速，能够满足工程现场测量需求。

1 测量仪基本工作原理

1.1 双波法轴向应力测量原理

根据声弹性理论[8]，横波、纵波波速与应力关系为：

=kLσ+BL

=kSσ+BS

(2)

式中：ρ为螺栓材料密度；vL为纵波波速；vS为横波波速；μ、λ为二阶弹性系数；l、m、n为三阶弹性系数；σ为螺栓轴向应力。

式(1)与式(2)作差：

=kσ+B

(3)

考虑到在螺栓受力范围内，横波和纵波的变化值很小[9]，因此可作如下近似：

(vL+vS)2=const

(4)

由式(3)、式(4)得：

(5)

式中：L为螺栓长度；tS为横波飞行时间；tL为纵波飞行时间；k′为标定斜率；B′为标定截距。

式(5)是应力的计算表达式，tS和tL为直接测量量，通过预先标定同一型号螺栓的k′和B′,即可实现对在役螺栓的轴力测量，或者在拧紧过程中对螺栓进行轴力测量。

由式(5)可知，相比于单波法，双波法的优势在于能够通过方程联立从轴力计算式中消除螺栓长度L，即无需已知螺栓长度，可以对在役螺栓直接进行应力测量。

1.2 电磁超声换能器原理

电磁超声换能器(electromagnetic acoustic transducer，EMAT)主要由永磁体、线圈和被测试件组成。工作原理如图1所示。当线圈中通以高频电流时，会在试件集肤深度内感应出同频涡流，涡流在静磁场的作用下，使得铁磁性试件表面质点受到洛伦兹力、磁化力和磁致伸缩力的作用，从而激发超声波。当超声回波返回试件表面时，金属表面由于机械振动而切割磁感线，产生感应电动势和涡流，涡流的交变磁场被线圈拾获，完成超声波的接收。当静磁场为垂直涡流平面方向时，激发的主要是横波；当静磁场为平行涡流平面方向时，激发的主要是纵波；横波、纵波接收过程亦如此。因此，在设计用于螺栓轴力测量的EMAT探头时，应该调整静磁场的水平和垂直分量，使其能够同时激发和接收横波和纵波。

图1 电磁超声激发横纵波原理示意图

2 装置总体结构

基于电磁超声技术的高强度螺栓轴力测量仪总体框图如图2所示。高频大功率发射模块用于激励电磁超声探头产生横波和纵波。低噪声信号调理模块对微弱的超声信号进行放大、滤波。通过高速采集模块对超声信号完成模数转换，FPGA进行累计平均、相关滤波等数字信号处理，进一步提高信号信噪比。被处理过后的数据经由WiFi无线传输至数据终端，用户可通过数据终端的Windows操作系统、键盘、显示器和USB等进行人机交互，完成数据的显示、储存、分析与管理。主机和数据终端均使用电池供电。

图2 轴力测量仪总体框图

3 发射接收模块

电磁超声换能器换能效率低，需要大功率的脉冲激励电源来驱动产生超声波。同时需要低噪声的信号调理电路来完成对微弱超声回波信号的放大、滤波。电磁超声发射与接收模块的原理框图如图3所示。首先，FPGA产生充电脉冲，控制反激式升压电路为高压电容组充电，完成高压储能。然后，FPGA发出高频驱动脉冲，经由H桥放大，阻抗匹配网络，向EMAT提供大功率脉冲激励电流，同时产生横波和纵波。

图3 发射接收模块原理框图

反射回来的超声回波首先经过低噪声差分放大器进行放大，再经过可控增益放大器二级放大，最后输入至窄带滤波器进行滤波以提高信噪比。

4 测试流程

基于电磁超声技术的高强度螺栓轴力测量仪测试流程主要包括：标定、测量和数据分析。测试流程的控制主要通过数据终端进行。

首先，取一根与待测螺栓同型号的标准螺栓，按照相同的装配工艺(夹持长度等保持一致)，配合万能电子试验机进行步进拉伸试验。在拉伸试验过程中，测量仪会同步记录所有的超声信号。拉伸试验结束后，数据终端会自动计算如图4上方所示的标定曲线，即式(5)中的k′和B′。

图4 测试流程：标定

然后，使用数据终端进入测试界面，导入标定结果后即可开始对其他螺栓进行测量。测量结果和超声波形会实时显示在数据终端上，如图5所示。所有原始数据和测量结果均会同步保存到数据终端以便分析。此外，利用数据终端，可以对主机参数进行配置，包括：超声频率、放大增益、重复频率、算法等级、采样深度等。

图5 测试流程：测量

最后，使用数据终端的分析功能，能够查询，导出，绘制和修正测量结果，如图6所示。

图6 测试流程：数据分析

5 实验结果

使用研制的基于电磁超声技术的高强度螺栓轴力测量仪对6根10.9级M36长为600 mm的内六角高强度螺栓进行测试，夹持长度为520 mm，标记为1～6号。其中1号作为标定螺栓。所有的测试均在万能电子试验机上进行，测试结果如表1、表2所示。结果表明，该测量仪的测量相对误差小于5%。

表1 10.9级M36内六角螺栓测量结果 kN

表2 10.9级M36内六角螺栓测量相对误差

6 结束语

本文基于电磁超声技术，研制了一款使用双波法对高强对螺栓进行轴力测量的测量仪。该测量仪包括探头、主机和数据终端3个部分，能够完成电磁超声的收发、数据采集与计算、测量结果显示与管理等螺栓轴力测量全流程功能。测量的相对误差小于5%。本文研制的手持式螺栓轴力测量仪，具有非接触、无需打磨、无需耦合剂的特点，为工程现场螺栓轴力测量提供了一个快捷、高效的解决方案。