一种基于改进时间反转法的螺栓预紧力矩超声导波监测方法与流程

本发明涉及结构健康监测技术，具体涉及一种基于超声导波的螺栓预紧力矩监测方法。

背景技术：

螺栓连接广泛存在于机械、土木、能源和航空航天工程领域。为确保工程结构的安全服役，时刻保证螺栓处于正常工作状态是一个重要前提。然而，振动、冲击等外部力学环境，以及长期服役过程中的螺栓应力松弛都可能导致螺栓预紧力矩下降、连接松动，严重威胁结构安全。目前，工程中对螺栓预紧力矩的检测可通过传统无损检测技术实现，如超声体波方法。然而，无损检测技术需要大型设备支持，具有不适合实时在线监测的缺点。也可以在螺栓上安装压力传感器来测量螺栓力矩。而在每个螺栓上安装压力传感器，当螺栓数目庞大时将带来巨大的成本问题，且对于航空航天器而言，由众多传感器及线缆带来的附加质量问题也是难以忍受的。

为对螺栓松动实施在线监测，目前学者提出了基于振动测试、基于阻抗和基于超声导波等的结构健康监测方法。结构健康监测技术相较于常规无损检测方法，减少了繁琐的检测步骤，且能够适用于实时在线的监测方案。然而，基于振动测试的方法只能识别如螺栓脱落等大损伤，不具备定量识别螺栓预紧力矩的能力；而基于阻抗的方法需要采用昂贵的高精度的阻抗分析仪，且其监测范围仅局限于探头周围较小的区域。针对螺栓预紧力矩的监测问题，基于超声导波的方法具有独特的优势:所需的压电传感器可以同时发射和接收超声导波信号，同时超声导波在薄壁结构中可以传播较远的距离，分辨率较高，且不受周围环境低频振动的影响。

但是，由于导波的频散、多模态和边界反射的影响，使得对导波的分析相比于体波而言更加复杂而困难。因此学者提出了时间反转法来对导波信号进行处理。时间反转法可以补偿由于频散、多路径、多模态对响应信号的干扰，使螺栓松动的信息能够集中体现在时反聚焦波包中。这使得基于时间反转法的超声导波方法具有更高的监测精度，且具有能够在复杂螺栓连接结构中应用的优势。

根据已有公开文献([1]taow,shaopengl,junhuas,etal.healthmonitoringofboltedjointsusingthetimereversalmethodandpiezoelectrictransducers[j].smartmaterials&structures,2016,25(2):025010.[2]parvasism,hoscm,kongq,etal.realtimeboltpreloadmonitoringusingpiezoceramictransducersandtimereversaltechnique—anumericalstudywithexperimentalverification[j].smartmaterialsandstructures,2016,25(8):085015.)，目前基于时间反转的导波方法采用的表征螺栓松动的特征参量还比较单一，即仅采用了基于时反聚焦波包幅值的特征参量。基于幅值的特征参量的缺点主要体现为在高预紧力矩下特征参量的饱和现象。这导致在高预紧力矩下，特征参量无法反应预紧力距的变化情况。这一缺点严重限制了导波方法对螺栓预紧力矩的监测范围。

实际上，螺栓预紧力矩的变化除了会影响导波信号的幅值外，还会影响信号的相位。然而传统的时间反转法由于每次监测时反向发射的时反重发射信号(thetimereversedreemittingsignal)都不相同，因此难以比较信号的相位变化。本发明针对这一问题，改进了时间反转法，在监测过程中采用了唯一的标准时反重发射信号，使得对信号相位的比较成为可能，进而提高了对螺栓预紧力矩的监测范围和准确度。

技术实现要素：

要解决的技术问题

针对上述问题，本发明的目的在于提出一种基于改进时间反转法的螺栓预紧力矩超声导波监测方法，该方法综合考虑时反重构信号的幅值与相位，提高了对螺栓预紧力矩的监测范围和准确度。

技术方案

一种基于改进时间反转法的螺栓预紧力矩超声导波监测方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：离线建立参考数据库：

步骤1.1：在连接结构上胶粘两片压电陶瓷pzta和pztb元件，分别处于待测螺栓两侧，螺栓中心以及两片pzt元件的主形变方向共线；

步骤1.2：采用数显力矩扳手将待测螺栓拧紧到螺栓的额定预紧力矩；

步骤1.3：由任意波形发生器输出一个汉宁窗调制正弦脉冲信号，中心频率根据连接结构的频厚积选择，一般为100～300khz；汉宁窗调制正弦脉冲信号经功率放大器放大后作用在作为激励器的pzta元件电极两端，所述的功率放大器放大后的信号脉冲峰峰值为50～100v；

步骤1.4：在螺栓处于额定扭距时，采集作为传感器的pztb元件两端电极的电压信号，对电压响应信号进行高通滤波，并多次采集取平均值，得到一个滤波后的平均响应信号；

步骤1.5：将得到的平均响应信号在时域进行翻转，然后储存在信号发生器中，作为时反重发射信号，记为vr；

步骤1.6：将vr作为激励信号对pztb进行激励，反向传播后，采集pzta电极两端的响应信号；得到响应信号中时反聚焦波包的最大幅值，记为a0，并采用过零检测法计算时反聚焦波包的到达时间，记为t0；

步骤1.7：彻底松动螺栓，而后均匀选择若干个小于额定扭矩值的螺栓预紧力矩；对于每个螺栓预紧力矩值，重复步骤1.6n次，得到n组该螺栓预紧力矩值对应的时反聚焦波包的最大幅值ai和到达时间ti；计算标准化特征参量tia和tit：

tit＝ti-to

然后，依次计算每个螺栓预紧力矩值下测得的n组标准化特征参量的均值和方差，根据均值和方差，划分出95％置信区间不重叠的参考工况，得到由预紧力矩参考工况和特征参量置信区间组成的参考数据库；

步骤2：在线监测螺栓预紧力矩：

波形发生器按照设定的时间间隔重复将vr以脉冲形式输出，而后监测pzta两端电极的电压信号；计算特征参量tia′和tit′；将得到的特征参量与参考数据库比较，得到螺栓预紧力矩的估计值。

有益效果

本发明提出的一种基于改进时间反转法的螺栓预紧力矩超声导波监测方法，根据本发明的实施例，该基于改进时间反演法的主动超声导波定量化监测螺栓预紧力矩的方法可以达到预期目的。和现有技术对比，本发明比基于传统时反方法的监测方案对于螺栓扭距具有更大的监测范围，并提高了检测精度。

附图说明

图1：螺栓预紧力矩监测系统；

图2：螺栓预紧力矩监测系统测量流程；

图3：实例的试件结构尺寸及pzt元件布置位置；

图4：各激励与响应信号(a)5周期汉宁窗调制正弦脉冲激励；(b)在调制正弦脉冲激励下的响应信号；(c)时间反转后得到的标准时反重发射信号vr；(d)在vr激励下的响应信号；

图5：实例的特征参量tia在各预紧力矩工况下的统计结果及参考预紧力工况的确定；

图6：实例的特征参量tit在各预紧力矩工况下的统计结果及参考预紧力工况的确定；

图7：实例的参考预紧力工况及对应的特征参量tia的范围(参考数据库)；

图8：实例的参考预紧力工况及对应的特征参量tit的范围(参考数据库)。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

如图2所示，方法包括两大部分：

步骤1：离线建立参考数据库：

步骤1.1：在连接结构上用3mdp460工业胶粘贴两片pzt元件，分别作为激励器和传感器，位置见图3；pzt的尺寸为10mm×8mm×1mm，型号p5h，生产厂家是保定市宏声声学电子器材有限公司。其中两片pzt元件分别处于待测螺栓两侧，分别距螺栓中心134mm和30mm，螺栓中心以及两个pzt元件的主形变方向共线。3mdp460工业胶胶层薄而均匀，胶层厚度为0.04-0.06mm，并在50℃～60℃温度下固化两个小时。

步骤1.2：采用数显力矩扳手将待测螺栓拧到额定扭距，本实施例采用了m6螺栓，额定扭距定为10n·m。

步骤1.3：如图1所示，作为激励器的pzta依次连接功率放大器和波形发生器；作为传感器的pztb依次连接数据采集设备和计算机。

步骤1.4：在波形发生器中存储5周期经汉宁窗调制的正弦信号，正弦信号中心频率为100khz；波形发生器将存储的正弦信号按照单脉冲形式输出，输出信号经功率放大器放大后施加给作为激励器的pzta电极两端，功率放大器放大后的信号脉冲峰峰值为50v。

步骤1.5：采集作为传感器的pztb两端电极的电压信号，并对采集到的信号进行高通滤波，高通滤波的截止频率不小于步骤1.4中的中心频率的1.5倍；多次测量取平均值，得到滤波后的响应信号，如图4(b)所示。

步骤1.6：将得到响应信号进行时间反转，如图4(c)所示，作为标准时反重发射信号vr，储存在波形发生器中。

步骤1.7：将vr在pztb处重新激励，反向传播后，采集pzta处的响应信号。响应信号包含一个时反聚焦波包，如图4(d)所示。得到响应信号中时反聚焦波包的最大幅值，记为a0，并采用过零检测法(zero-crossingmethod)计算时反聚焦波包的到达时间，记为t0。计算标准化特征参量tia和tit：

tit＝ti-to

步骤1.8：通过扳手彻底松动螺栓，而后设定1n·m～10n·m共10个均匀分布的扭距工况；对于每个螺栓预紧力矩值，重复步骤1.7，得到该螺栓预紧力矩值对应的特征参量tia和tit；建立由预紧力矩和特征参量组成的参考数据库。本实施例中，对于每个螺栓预紧力矩值，重复步骤1.7五次，计算该螺栓预紧力矩值对应的特征参量平均值和方差，如图5和图6所示。根据实验结果，参考数据库设定了10n·m，7.26n·m，5.08n·m，3.15n·m和1.25n·m五个螺栓力矩工况，各个工况的95％置信区间不存在重叠，参考预紧力矩工况及其特征参量95％置信区间范围如图7及图8所示，图7和图8即为参考数据库。

步骤2：在线监测螺栓预紧力矩：

波形发生器每秒钟将vr以脉冲形式输出一次，保证上一次的导波在结构内有效衰减，而后监测pzta两端电极的电压信号，并对监测到的信号进行高通滤波，得到滤波后的响应信号；截取时反聚焦波包，计算特征参量tia和tit；将得到的特征参量与参考数据库比较，得到螺栓预紧力矩值。

本实施例中，某两次测得特征参量tia＝0.9806，8tit＝-0.8993和tia＝0.30943，tit＝-1.12452，如图7和图8所示，则通过查询图7和图8得到估计的预紧力矩为7.26n·m和1.25·nm，而实际扭距扳手读数为7n·m和2n·m，估计精度符合预期。