一种超声波检测探头的标定装置及其工作方法与流程

本发明属于检测装置制造领域，特别涉及一种超声波检测探头的标定装置及其标定方法

背景技术：

螺栓作为一种结构简单，拆装方便的连接部件，在工业应用领域得到了广泛应用。在实际使用过程中，螺栓的常见失效形式主要有：受静载荷螺栓的失效多为螺纹部分的塑性变形或螺栓拉断；受变载荷螺栓的失效多为螺栓的疲劳断裂；受横向载荷的铰制孔用螺栓联接，其失效形式主要为螺栓杆剪断，栓杆或被联接件孔接触表面挤压破坏；如果螺纹精度低或联接时常装拆，很可能发生滑扣现象，而这其中，受静载荷的螺栓因轴向预紧力不恰当而引起的螺母松脱或螺栓断裂为最常见的螺栓失效形式，而螺栓轴向预紧力的大小取决于施加在螺栓连接处的应力与扭矩大小。对于钢结构上的螺栓紧固件，为保证结构的安全性和可靠性，必须严格控制螺栓连接件的预紧力，必要时还需对在在役螺栓的工作应力状态进行监测。现有技术中，针对不同材质的螺栓的应力，有多种测试方法，用来测试螺栓连接时的应力或扭矩大小。现有技术中，常用的测试扭矩与应力的方法包括有：扭矩扳手法、应变片测试法、光折射法和磁敏电阻传感器法。

使用扭矩扳手法测应力与扭矩常需要考虑测量结果受螺栓与螺母之间的摩擦、各个螺纹面接触面之间摩擦系数的分散性等因素的影响，存在较大的测量结果的不确定度问题。使用应变片测试应力，其测量结果仅为材料表面的应力，无法测试材料本体内部应力，且使用该方法测试的材料表面应力结果易受材料本身应力集中现象的影响。而光折射法利用光弹性效应测量透明材料的应力，制成的设备较复杂并且只能应用于工程材料为透明体时的在线检测，对于螺栓紧固力的测量局限于实验室，不能用于施工现场。

为实现适应多种工业现场的无损伤勘测，现今对螺栓应力的测量越来越多地使用超声应力检测法。超声波应力检测是基于超声波波速随应力状态改变而变化的声弹性原理，通过检测材料中超声波波速的变化而获取材料应力的。超声波应力检测具有对人体无害、对被测物无损伤、测量速度快等特点。且声弹性法与光弹性法不同，无需制作透明模型，对实际构件或结构也可测量，具有较高的精度，不受摩擦系数离散性的影响。

目前采用超声检测螺栓轴向应力的方法是沿螺栓轴向发射窄脉冲超声波束，通过超声回波信号的检测和分析计算超声波传播的时间，从而获得超声波在螺栓均匀受力部分的波速。在理论上推导波速与应力的对应关系，修正其他因素的影响，即可估算出该螺栓的紧固应力，计算拟合出波速与盈利的对应关系曲线，并通过大量比对试验使测量精度满足工程要求。通过超声波实时的高精度测量计算机械伸长量，理论修正螺栓头与拧螺母段尺寸的不确定性和应力的非均匀分布对应力测试结果的影响，可真正达到螺栓无损应力检测的目的。

但是，现有技术中使用超声波检测螺栓应力时，对螺栓施加不同载荷时，需将超声波探头拆下，对螺栓加载不同载荷后，再重新安装超声波探头，例如在张俊于2005年发表的硕士论文《基于声弹性原理的超声波螺栓紧固力测量技术研究》一文中提出了一种基于声弹性原理的超声波螺栓紧固力测量方法中提及，对待测螺栓加载不同的载荷时，需将待测螺栓拆卸，在材料拉伸机上对螺栓样品进行拉伸，再将待测螺栓重新安装到超声波螺栓紧固测试仪上重新检测其声时值。在重新安装超声波探头的过程中，超声波探头与螺栓之间的耦合关系也成为了影响测试螺栓的准确性的干扰因素，这导致了同种材料的螺栓在同一个测试实验中的不连续性，影响了超声波测试螺栓应力的准确度。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种利用计算机控制扭矩加载装置，改变待测螺栓与超声波探头的耦合方式，使得螺栓轴力测试取得连续性的超声波检测探头的标定装置。

本发明的另一个目的在于提供一种超声波检测探头的标定装置的工作方法，利用该方法标定的超声波探头排除了手动对螺栓施加载荷、反复拆卸超声波探头而引起的误差，测试结果准确，测试方法方便可靠。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

本发明提供一种超声波检测探头的标定装置，该装置包括有：用于存储、分析、计算实验数据并控制整体装置正常工作的中央控制模块；用于对外部螺母施加定量载荷的载荷模块，中央控制模块与载荷模块电连接；该装置还包括有：底座，左侧板、右侧板、用于测试螺栓轴力的力传感器模块和用于测试螺栓应力的超声波模块，左侧板与右侧板均固定在底座上，三者围合形成半封闭空间，力传感器模块与超声波模块置于该半封闭空间中；力传感器模块的左端与左侧板固定连接，力传感器模块的右端与超声波模块的左端固定连接；载荷模块固定在底座上；装夹外部待测螺栓时，外部待测螺栓的头部与超声波模块的右端可拆卸式连接，其尾部与穿过右侧板并向右伸出，外部螺母穿接在外部待测螺栓上；测量过程中，载荷模块扭转外部螺母，使外部待测螺栓与外部螺母配合压紧右侧板。

此处应该指出，中央控制模块为现有技术，应用现有技术中的cpu或上位机等部件便可实现本发明中中央控制模块的控制及数据运算处理等功能。

中央控制模块连接用于测试螺栓轴力的力传感器模块和用于测试螺栓应力的超声波模块连接，中央控制模块可收集力传感器模块与超声波模块的测试数据，对这些记录并在实验后进行分析处理，中央控制模块还与载荷模块连接，载荷模块在中央控制模块的控制下可对外部螺母施加定量扭矩载荷，使得外部待测螺栓与外部螺母配合压紧右侧板，外部待测螺栓中产生轴力，力传感器模块测量该轴力值，同时超声波模块测量得到该扭矩条件下螺栓中的超声波传播时差值，进而得到该扭矩载荷条件下外部待测螺栓中的应力值，中央控制模块对所有数值跟踪记录并计算分析，改变扭矩载荷实现定量扭矩下轴力的连续测量与超声波模块测量得到的应力值与螺栓轴力值的连续标定。

力传感器模块中包括有轴力传感器，轴力传感器的一端与左侧板固定连接，轴力传感器的另一端与超声波模块固定连接。应该强调的是，轴力传感器为现有技术，本发明在实际应用时，轴力传感器的具体类别与型号的选用不限于某一个特定型号的力传感器，测量人员可根据具体测量情况选用适合的轴力传感器，所有能实现测量轴力并且能与中央控制模块电连接的传感器都可应用在本发明实际应用中，并且包括在本发明的保护范围内。

超声波模块包括有外壳与超声波探头，超声波探头置于外壳中，且超声波探头与中央控制模块电连接；轴力传感器与外壳的左侧壁固定连接，外部待测螺栓的头部与外壳的右侧壁可拆式连接。在测量过程中，超声波探头与轴力传感器一旦安装并调试完毕即可开启测量，并且针对同一组外部待测螺栓与外部螺母，在测量过程中，测试人员仅需由中央控制模块操控载荷模块改变载荷，即可完成定量载荷的施加，无需将轴力传感器与超声波探头拆卸重新施加载荷后再重新安装，保证了测量过程的连续性，避免在重新安装轴力传感器与超声波探头的过程中因人为操作产生误差。

超声波模块还包括有探头压紧组件，探头压紧组件包括有活动端与固定端，探头压紧组件的活动端与固定端弹性连接，探头压紧组件的固定端固定在外壳的左侧内壁上，探头压紧组件的活动端伸出，且超声波探头可拆卸式连接在探头压紧组件的活动端上；外部待测螺栓的安装在外壳上后，探头压紧组件的活动端带动超声波探头压紧外部待测螺栓的头部。测量时，测量人员首先将超声波探头安装在探头压紧组件的活动端上，将探头压紧组件的活动端向左侧推开，将外部待测螺栓装载在外壳上后松手，探头压紧组件带动超声波探头压紧外部待测螺栓的头部即可完成外部待测螺栓的装夹。设置探头压紧组件，一方面方便超声波探头的安装与拆卸，另一方面也可利用探头压紧组件自动压紧螺栓头部，在后续的测量过程中，无需反复装夹外部待测螺栓，保证超声波探头与外部待测螺栓之间的耦合关系一致，剔除二者之间的耦合关系对测试结果和标定结果的影响。

右侧板上开设有螺栓伸出孔，外部待测螺栓装夹的过程中，外部待测螺栓的尾部从该螺栓伸出孔中伸出。

载荷模块包括有电机和套筒，电机固定在底座上，且电机的输出轴与套筒的一端固定连接，套筒的另一端与外部螺母可拆卸式连接，且电机与中央控制模块电连接；电机启动时，电机带动套筒扭转并对套接在外部待测螺栓上的外部螺母施加定量扭矩。电机由中央控制模块控制，外部螺栓装夹完成后，测量人员仅仅需要通过中央控制模块控制电机，即可由电机带动套筒进而扭转外部螺母，改变扭矩载荷，扭矩载荷改变后，外部螺母压紧右侧板，进一步引起外部待测螺栓轴力和应力改变，由此测量人员可以在以此装夹的情况下实现精准施加扭矩，并方便地获得定量扭矩情况下螺栓的轴力与应力的数据，方便对螺栓的测量及对超声波测量应力与轴力关系的标定。

载荷模块还包括有联轴器，联轴器置于电机与套筒之间，联轴器的一端与电机输出轴固定连接，联轴器的另一端与套筒固定连接。设置联轴器可有效连接电机输出轴与套筒，更好地实现套筒与电机输出轴之间的连接。

一种超声波检测标定装置的工作方法，该方法包括有以下步骤：s1：安装超声波探头：将超声波探头安装在探头压紧组件的活动端上；

s2：装夹待测件；

s3：调试初始测试条件到合适状态；

s4：中央控制模块控制载荷模块对待测件加载扭矩，记录此次测试的扭矩值w、轴力传感器测试的轴力值f和超声波探头测试的时差值t；

s5：改变加载扭矩，重复s4步骤n次，记录每一次测试的扭矩值wn、轴力传感器测试的轴力值fn和超声波探头测试的时差值tn；

s6：计算并处理数据，得到测试结果。

中央控制模块连接用于测试螺栓轴力的力传感器模块和用于测试螺栓应力的超声波模块连接，中央控制模块可收集力传感器模块与超声波模块的测试数据，对这些记录并在实验后进行分析处理，中央控制模块还与载荷模块连接，载荷模块在中央控制模块的控制下可对外部螺母施加定量扭矩载荷，在该定量扭矩条件下，外部待测螺栓轴力发生改变，此时轴力传感器测量得到该轴力，并将轴力值f传送回中央传感器中记录并保存；同时，超声波探头测量得到该轴力情况下超声波在螺栓中传播的时差值t，进一步改变扭矩，得到新的数据组，中央控制模块记录并分析数据，分析得到定量扭矩下扭矩与轴力的关系拟合曲线和该超声波传播时差值与轴力关系拟合曲线，同时实现轴力的测量与超声波探头的标定。

进一步地，s2：装夹待测件包括有以下子步骤：

s21：测试人员将超声波模块中的探头压紧组件推开，让出外部待测螺栓的安装空间；

s22：测试人员将外部待测螺栓安装在超声波模块的外壳上，保持外部待测螺栓的头部置于外壳内，所述尾部从右侧板上开设的螺栓伸出孔中伸出；

s23：测试人员松开手，探头压紧组件带动超声波探头自动紧贴外部待测螺栓的头部；

s24：测试人员将外部螺母置于右侧板的右侧，并将外部螺母松拧在外部待测螺栓上完成测试件的装夹。

设置超声波模块便于实现超声波探头的安装与拆卸，测量人员将超声波探头安装在探头压紧组件上后开始试验，试验完成后即可得到标定完成的超声波探头，该标定完成的超声波探头可用于对工业现场中的同类螺栓进行检测。将完成标定的超声波探头应用在工业现场中时，测量人员仅需使用该探头测试在役螺栓中超声波传播的时差值，即可得知该在役螺栓应力情况、根据测量实验中超声波传播的时差值与螺栓应力及螺栓轴力拟合结果，即可得知该在役螺栓的轴力状态，进而判断该在役螺栓的工作状态，实现在役螺栓无伤检测，方便快捷。

进一步地，s3：调试初始测试条件到合适状态包括以下子步骤：

s31：调整测试环境的温度、湿度条件，使其在测试过程中保持稳定；

s31：调整外部外部待测螺栓与外部螺母之间拧合状态，保持外部螺母远离右侧板，保证外部待测螺栓处于零轴力状态；

s33：调节轴力传感器的初始状态，保证其处于零受力状态。

利用本装置可测量不同扭矩条件下螺栓轴力的大小，同时可完成超声波探头对螺栓不同轴力与超声波在该种材料的螺栓中传播的时差值。

在测试过程中保证测试环境的温湿度恒定，有利于剔除环境温湿度等因素对测试结果的影响，而在测试前加对轴力传感器与螺栓调零，方便在后续测试过程中的计算并分析测量结果，保证测试结果可靠。

本发明的优势在于：相比于现有技术，在本发明当中，外部待测螺栓与外部螺母一次装夹完成后，利用载荷模块改变施加在外部待测螺栓与外部螺母上的载荷，即可连续地实现螺栓在不同载荷条件下轴力的测量以及超声波探头的标定，整个装置结构设计合理，该装置的工作方法操作简单，测量结果可靠。

附图说明

图1是本发明超声波检测探头的标定装置装夹外部待测螺栓a后的整体结构示意图。

图2是图1中v部分的局部放大图。

图3是本发明超声波检测探头的标定装置装夹外外部待测螺栓a后的局部结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

参见图1-3所示，本发明提供一种超声波检测探头的标定装置，该装置包括有：用于存储、分析、计算实验数据并控制整体装置正常工作的中央控制模块1；用于对外部螺母施加定量载荷的载荷模块2，中央控制模块1与载荷模块2电连接；该装置还包括有：底座3，左侧板4、右侧板5、用于测试螺栓轴力的力传感器模块6和用于测试螺栓应力的超声波模块7，左侧板4与右侧板5均固定在底座3上，三者围合形成半封闭空间，力传感器模块6与超声波模块7置于该半封闭空间中；力传感器模块6的左端与左侧板4固定连接，力传感器模块6的右端与超声波模块7的左端固定连接；载荷模块2固定在底座3上；装夹外部待测螺栓时，外部待测螺栓的头部与超声波模块7的右端可拆卸式连接，其尾部与穿过右侧板5并向右伸出，外部螺母穿接在外部待测螺栓上；测量过程中，载荷模块2扭转外部螺母，使外部待测螺栓与外部螺母配合压紧右侧板5。

此处应该指出，中央控制模块1为现有技术，应用现有技术中的cpu或上位机等部件便可实现本发明中中央控制模块1的控制及数据运算处理等功能。

中央控制模块1连接用于测试螺栓轴力的力传感器模块6和用于测试螺栓应力的超声波模块7连接，中央控制模块1可收集力传感器模块6与超声波模块7的测试数据，对这些记录并在实验后进行分析处理，中央控制模块1还与载荷模块2连接，载荷模块2在中央控制模块1的控制下可对外部螺母施加定量扭矩载荷，使得外部待测螺栓与外部螺母配合压紧右侧板5，外部待测螺栓中产生轴力，力传感器模块6测量该轴力值，同时超声波模块7测量得到该扭矩条件下螺栓中的超声波传播时差值，进而得到该扭矩载荷条件下外部待测螺栓中的应力值，中央控制模块1对所有数值跟踪记录并计算分析，改变扭矩载荷实现定量扭矩下轴力的连续测量与超声波模块7测量得到的应力值与螺栓轴力值的连续标定。

力传感器模块6中包括有轴力传感器61，轴力传感器61的一端与左侧板4固定连接，轴力传感器61的另一端与超声波模块7固定连接。应该强调的是，轴力传感器61为现有技术，本发明在实际应用时，轴力传感器61的具体类别与型号的选用不限于某一个特定型号的力传感器，测量人员可根据具体测量情况选用适合的轴力传感器61，所有能实现测量轴力并且能与中央控制模块1电连接的传感器都可应用在本发明实际应用中，并且包括在本发明的保护范围内。

超声波模块7包括有外壳71与超声波探头72，超声波探头72置于外壳71中，且超声波探头72与中央控制模块1电连接；轴力传感器61与外壳71的左侧壁固定连接，外部待测螺栓的头部与外壳71的右侧壁可拆式连接。在测量过程中，超声波探头72与轴力传感器61一旦安装并调试完毕即可开启测量，并且针对同一组外部待测螺栓与外部螺母，在测量过程中，测试人员仅需由中央控制模块1操控载荷模块2改变载荷，即可完成定量载荷的施加，无需将轴力传感器61与超声波探头72拆卸重新施加载荷后再重新安装，保证了测量过程的连续性，避免在重新安装轴力传感器61与超声波探头72的过程中因人为操作产生误差。

超声波模块7还包括有探头压紧组件73，探头压紧组件73包括有活动端与固定端，探头压紧组件73的活动端与固定端弹性连接，探头压紧组件73的固定端固定在外壳71的左侧内壁上，探头压紧组件73的活动端伸出，且超声波探头72可拆卸式连接在探头压紧组件73的活动端上；外部待测螺栓的安装在外壳71上后，探头压紧组件73的活动端带动超声波探头72压紧外部待测螺栓的头部。测量时，测量人员首先将超声波探头72安装在探头压紧组件73的活动端上，将探头压紧组件73的活动端向左侧推开，将外部待测螺栓装载在外壳上后松手，探头压紧组件73带动超声波探头72压紧外部待测螺栓的头部即可完成外部待测螺栓的装夹。设置探头压紧组件73，一方面方便超声波探头72的安装与拆卸，另一方面也可利用探头压紧组件73自动压紧螺栓头部，在后续的测量过程中，无需反复装夹外部待测螺栓，保证超声波探头72与外部待测螺栓之间的耦合关系一致，剔除二者之间的耦合关系对测试结果和标定结果的影响。

右侧板5上开设有螺栓伸出孔(图未示)，外部待测螺栓装夹的过程中，外部待测螺栓的尾部从该螺栓伸出孔中伸出。

载荷模块2包括有电机21和套筒22，电机21固定在底座3上，且电机21的输出轴与套筒22的一端固定连接，套筒的另一端与外部螺母可拆卸式连接，且电机21与中央控制模块1电连接；电机21启动时，电机21带动套筒22扭转并对套接在外部待测螺栓上的外部螺母施加定量扭矩。电机21由中央控制模块1控制，外部螺栓装夹完成后，测量人员仅仅需要通过中央控制模块1控制电机21，即可由电机21带动套筒22进而扭转外部螺母，改变扭矩载荷，扭矩载荷改变后，外部螺母压紧右侧板5，进一步引起外部待测螺栓轴力和应力改变，由此测量人员可以在以此装夹的情况下实现精准施加扭矩，并方便地获得定量扭矩情况下螺栓的轴力与应力的数据，方便对螺栓的测量及对超声波测量应力与轴力关系的标定。

载荷模块2还包括有联轴器23，联轴器23置于电机21与套筒22之间，联轴器23的一端与电机21输出轴固定连接，联轴器23的另一端与套筒22固定连接。设置联轴器23可有效连接电机21输出轴与套筒22，更好地实现套筒22与电机21输出轴之间的连接。

一种超声波检测标定装置的工作方法，该方法包括有以下步骤：s1：安装超声波探头：将超声波探头72安装在探头压紧组件73的活动端上；

s2：装夹待测件；

s3：调试初始测试条件到合适状态；

s4：中央控制模块1控制载荷模块2对待测件加载扭矩，记录此次测试的扭矩值w、轴力传感器测试的轴力值f和超声波探头测试的时差值t；

s5：改变加载扭矩，重复s4步骤n次，记录每一次测试的扭矩值wn、轴力传感器61测试的轴力值fn和超声波探头72测试的时差值tn；

s6：计算并处理数据，得到测试结果。

中央控制模块1连接用于测试螺栓轴力的力传感器模块6和用于测试螺栓应力的超声波模块7连接，中央控制模块1可收集力传感器模块6与超声波模块7的测试数据，对这些记录并在实验后进行分析处理，中央控制模块1还与载荷模块2连接，载荷模块2在中央控制模块1的控制下可对外部螺母施加定量扭矩载荷，在该定量扭矩条件下，外部待测螺栓轴力发生改变，此时轴力传感器61测量得到该轴力，并将轴力值f传送回中央传感器中记录并保存；同时，超声波探头72测量得到该轴力情况下超声波在螺栓中传播的时差值t，进一步改变扭矩，得到新的数据组，中央控制模块1记录并分析数据，分析得到定量扭矩下扭矩与轴力的关系拟合曲线和该超声波传播时差值与轴力关系拟合曲线，同时实现轴力的测量与超声波探头的标定。

进一步地，s2：装夹待测件包括有以下子步骤：

s21：测试人员将超声波模块7中的探头压紧组件73推开，让出外部待测螺栓的安装空间；

s22：测试人员将外部待测螺栓安装在超声波模块72的外壳上，保持外部待测螺栓的头部置于外壳71内，所述尾部从右侧板5上开设的螺栓伸出孔中伸出；

s23：测试人员松开手，探头压紧组件72带动超声波探头72自动紧贴外部待测螺栓的头部；

s24：测试人员将外部螺母置于右侧板5的右侧，并将外部螺母松拧在外部待测螺栓上完成测试件的装夹。

设置超声波模块7便于实现超声波探头的安装与拆卸，测量人员将超声波探头72安装在探头压紧组件73上后开始试验，试验完成后即可得到标定完成的超声波探头72，该标定完成的超声波探头72可用于对工业现场中的同类螺栓进行检测。将完成标定的超声波探头72应用在工业现场中时，测量人员仅需使用该探头测试在役螺栓中超声波传播的时差值，即可得知该在役螺栓应力情况、根据测量实验中超声波传播的时差值与螺栓应力及螺栓轴力拟合结果，即可得知该在役螺栓的轴力状态，进而判断该在役螺栓的工作状态，实现在役螺栓无伤检测，方便快捷。

进一步地，s3：调试初始测试条件到合适状态包括以下子步骤：

s31：调整测试环境的温度、湿度条件，使其在测试过程中保持稳定；

s31：调整外部外部待测螺栓与外部螺母之间拧合状态，保持外部螺母远离右侧板5，保证外部待测螺栓处于零轴力状态；

s33：调节轴力传感器61的初始状态，保证其处于零受力状态。

利用本装置可测量不同扭矩条件下螺栓轴力的大小，同时可完成超声波探头72对螺栓不同轴力与超声波在该种材料的螺栓中传播的时差值。

在测试过程中保证测试环境的温湿度恒定，有利于剔除环境温湿度等因素对测试结果的影响，而在测试前加对轴力传感器61与螺栓调零，方便在后续测试过程中的计算并分析测量结果，保证测试结果可靠。

本发明的优势在于：相比于现有技术，在本发明当中，外部待测螺栓与外部螺母一次装夹完成后，利用载荷模块改变施加在外部待测螺栓与外部螺母上的载荷，即可连续地实现螺栓在不同载荷条件下轴力的测量以及超声波探头的标定，整个装置结构设计合理，该装置的工作方法操作简单，测量结果可靠。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。