使弯曲对受力构件超声测量的影响最小化的制作方法

专利名称：使弯曲对受力构件超声测量的影响最小化的制作方法
一般而言，本发明涉及装配和检验过程中紧固件的受力测量和控制，更明确地，涉及一个紧固件的设计和优化这种设计的方法，以减小非对称(非拉力的或“弯曲的”)应力对超声拉力测量的可靠性和准确度的影响。
有许多用超声波测量受力构件(例如紧固件)所受拉力的方法和技术。特别是，采用超声技术可以在安装过程中或以后为了检修而对一个紧固件(例如螺栓)中的拉力进行准确测量。这些技术已为现有的手段所证明。另外，还有一些技术经过确证，它们利用超声波对紧固件和其它受力构件进行探伤或其它无损鉴定。这些技术的成功有赖于对从所测元件内部发出的回波信号的可靠检测。
有一些专利介绍了采用脉冲回波技术来测量受力构件中的应力。美国专利No.4,294,122(颁发给Couchman)公开了一种在头部或螺纹端装有声波换能器的紧固件。声波换能器用来获得对紧固件的预应力测量并提供改进质量的控制检验。一个包含着与换能器相连的弹簧承载电接插件的电动扳手与一个脉冲回波测量系统连在一起。‘122专利还公开了一种测量预应力的脉冲回波技术。所述方法包括测量两路回波通过紧固件长度的时间，一路是在加预应力前，另一路作为扭矩加在紧固件上。然后，如果已知材料常数M，夹紧长度δ，直径D，对紧固件中的应力分布进行修正的经验常数α和回波传播时间的时间差ΔT，那么应力S就可以测量，紧固件预应力的准确测量值通过下式得到S=(M/(δ+αD))×ΔT.
另一个公开了脉冲回波测量技术专利的是美国专利No.4,471,657(颁发给Voris等人)。’657专利公开了一种测量受拉构件的长度和应力的装置和方法。所述方法包括测量两路同频但有一个预设的相位差的信号通过一个受力构件的长度所需的时间；测定传播时间较长的一路；对相位差进行补偿；然后用智能处理和控制装置接收时间间隔数据并进行数据处理，得到紧固件长度变化或受力构件上所加应力的准确换算值。所述装置包括一个永久或临时和受力构件连接的超声换能器。
美国专利No.4.602,511(颁发给Holt)介绍了一种同时利用纵波和横波的行程时间来确定受力构件中的应力的方法。’511专利不需要对受力构件在零应力情况下进行超声测量。而且，Holt给出了一个与紧固件长度无关的计算应力的公式，这样，就可以对一个已经受拉的紧固件的受拉应力进行计算。优选的实施例中通过检测相位来测量行程时间。发射约20-100个5-10MHz的信号，将发射信号和反射信号相加，将频率调谐至相位差为180°的相消干涉或相位差为零。Holt还提到，以前公开的行程时间测量技术可以作为替换。
美国专利No.3,918,294(颁发给Makino等人)介绍了一种测量螺栓中的轴向应力的方法。在螺栓上加上超声波产生受激振荡然后对螺栓中的两个不同的固有频率进行测量，其中一个在螺栓受到很小的或没有轴向力的情况下进行测量，另一个则是在螺栓受到轴向应力时测量。得到第一和第二频率之间的变化比或差值后，与对应所述变化比或差值的轴向应力标定数据进行比较。
超声受力测量是确定螺栓连接中受力的精密测量技术。带有活动超声换能器的脉冲回波技术已经在实验室和质量控制中使用了三十多年。然而，历史上由于在获得可靠的声波耦合以及在紧固工具中安装换能器方面的实际困难使得这种技术没能成为通用的装配固定方案。美国专利No.4,846,001(颁发给Kibblewhite)介绍了压电聚合物薄膜的使用，其与一个构件的上表面有永久的机械和声连接，并通过超声技术用它来确定构件的长度、所受拉力、应力或其他与所受拉力有关的特性。尽管这个发明在性能、简化生产和生产成本方面代表了相对于现有技术的重大进步，这种结构中的换能器有一些缺点。这些缺点与环境性能有关，尤其是聚合物材料的最大温度极限限制了它的应用，而且用胶固定在紧固件上的换能器有可能松脱，导致一个关键装置出现故障或造成损害。
这些缺点在Ultrafast(超快速)公司开发的固定换能器技术中得到了克服，特别地，所述技术在授予Kibblewhite并转让给Ultrafast公司的美国专利No.5,131,276中得到了公开。‘276专利介绍了一种带有超声换能器的受力指示构件，它包括一个直接在紧固件表面形成的声电薄膜。通过在紧固件上直接形成声电薄膜，使得所述薄膜与表面实现机械连接并且既能导电又能传声。这一进步不仅使精确脉冲回波受力测量技术可以用于生产装配并且通过消除由活动换能器相对于螺栓的轴向和径向移动以及耦合介质的变化而引起的误差显著提高了准确度。
这些误差消除以后，超声受力测量中不准确度的最大来源就是弯曲。螺栓中的弯曲应力可由下述原因之一或二者引起(1)在制造过程中由于成形或热处理而有一点弯曲的螺栓在拧紧时被“拉直”了，以及(2)在所连接的支承面不平行的连接中拧紧螺栓。当超声波或超声波束穿过一个紧固件或其它受力构件时，如果存在相对于传播轴不对称的应力，波束的方向将由于几何偏差以及材料应力对声速的影响而改变。在这种情况下，接收到的超声回波的幅值、相位和行程时间都可能改变，基于这些量的测量将受到不利的影响。因此，现有技术的方法和装置在可靠性和准确度方面容易受到拧紧和其它正常操作在紧固件中产生的弯曲应力的影响。
美国专利No.5,029,480(颁发给Kibblewhite)公开了一种受力指示构件(例如，一个紧固件)，其杆部的表面至少有一道凹槽。将一个超声换能器(优选地为压电薄膜换能器)装在受力指示构件上，使一束超声波对准凹槽。这样，凹槽作为人造的反射器，可以提供一个反射面，把由换能器产生的超声波反射回换能器。螺栓头部的表面可以做成一定形状使得超声信号能指向这个人造反射器。
尽管现有技术论述了采用辐射式的或聚焦式的表面将声波束指向特定的反射表面(象人造反射器这种情况)，却没有考虑采用末端或头部的几何形状来修正紧固件弯曲对接收到的回波的影响。美国专利No.4,569,229(颁发给de Halleux)介绍了一种测量受力构件应力的方法，它不需要对夹紧长度进行校准。所述方法测量回波从受力构件的头部传播到人造反射器并返回所需的时间。人造反射器在受力构件上形成轴向的、径向的、或轴向和径向都有的钻孔或穿孔。在螺栓内的传播时间与螺栓内的应力有关。
为了克服现有的紧固件设计中的缺陷(尤其是就弯曲而言)，提供了一种新的紧固件设计。同时还提供了一种确定所述设计的方法。本发明的中心目的是提供一种通过减小几何形状变化以及构件内非对称应力的影响来实现对受力构件的更准确更可靠的超声测量。
为了实现这些和其它目的，并考虑到其用途，本发明提供一种受力指示装置，它包括一个在受力时易变形的受力构件。在受力构件的一端引入超声波然后用超声波发射接收装置在同一端接收超声回波。在一个实施例中，在受力构件的头部或另一端放置换能器，超声波在受力构件内穿过。将构件的头部，末端，杆部或者它们的组合的某一部分做成特定形状或轮廓以降低几何形状变化和受力构件内的非对称应力对超声测量的影响。在一个实施例中，受力构件的一端或两端做成近似球形。在另一个实施例中，在紧固件的杆部做一个或多个圆环以构成反射器，将超声回波反射到紧固件头部的锥形槽中。
另外，围绕着一个模型，给出了确定和设计受力构件的表面轮廓的优选几何形状的方法。同时还提供了一种制作受力构件的方法，它至少有一端要经过造形以降低几何形状变化和受力构件内的非对称应力对超声测量的影响。
当然前面的一般性介绍和后面的详细叙述都是示范性的，本发明并不局限于这些内容。
结合附图阅读后面的详细介绍将有助于理解本发明，其中

图1是一个典型的带螺纹的紧固件，具有近似平面的头部端(头部)和平的螺纹端面(末端)；图2示出了图1所示的紧固件在没有弯曲的情况下其内部超声波的路径；图3示出了图1所示的紧固件在弯曲的情况下其内部超声波的路径；图4给出了一个由于被连接表面不平行而弯曲的螺栓；图5示出了在只受到拉力的情况下螺栓中的拉伸和压缩应力线(以及在连接中的主压缩应力线)；图6给出了螺栓中的拉力的幅值，采用了在螺栓计算中经常使用的简化视图；图7示出了沿与螺栓的轴线平行的四条线上的拉伸应力；图8示出了一个采用柱形单元来代表紧固件各个主要部分的紧固件模型；图9示意了弯曲对例如用作螺栓杆部模型的柱形单元的影响；图9A是在钢中的声波的行程时间变化率(Δt/t)相对于变形率E(Δl/l)的曲线，示出了声速变化(Δv/v)和变形化(Δl/l)的贡献；图10示出了由反射半径，RREF和零变化行程时间半径，RZDT(“零ΔT”)确定的紧固件的末端表面轮廓；图11是一个变形的螺栓，用来说明弯曲时的线偏移和角偏移；图12A给出了由超声方法确定的受力的误差(％)作为螺栓末端球形轮廓半径(mm)的函数的曲线并给出了采用Ultrafast公司的头部球形轮廓半径为76mm的螺栓，元件代号6108891300(M10×1.5×70)所进行的弯曲准确度测试得到的数据；图12B是第一纵向回波L1，和第二纵向回波L2的幅值衰减(％)作为螺栓末端球形轮廓半径(mm)的函数的曲线并给出了采用Ultrafast公司的头部球形轮廓半径为76mm的螺栓，元件代号6108891300(M10×1.5×70)所进行的弯曲准确度测试得到的数据；图12C是第一横向回波T1，和第二横向回波T2的幅值衰减(％)作为螺栓末端球形轮廓半径(mm)的函数的曲线并给出了采用Ultrafast公司的头部球形轮廓半径为76mm的螺栓，元件代号6108891300(M10×1.5×70)所进行的弯曲准确度测试得到的数据；图12D是回波幅值比L2/L1和T2/T1(％)作为螺栓末端球形轮廓半径(mm)的函数的曲线并给出了采用Ultrafast公司的头部球形轮廓半径为76mm的螺栓，元件代号6108891300(M10×1.5×70)所进行的弯曲准确度测试得到的数据；图12E是L1回波幅值衰减(％)作为螺栓所受弯曲力矩(Nm)的函数的曲线并给出了采用Ultrafast公司的头部球形轮廓半径为76mm的螺栓，元件代号6108891300(M10×1.5×70)所进行的弯曲准确度测试得到的数据；图12F是T1回波幅值衰减(％)作为螺栓所受弯曲力矩(Nm)的函数的曲线并给出了采用Ultrafast公司的头部球形轮廓半径为76mm的螺栓，元件代号6108891300(M10×1.5×70)所进行的弯曲准确度测试得到的数据；图13A和13B示出了一个根据本发明的紧固件设计的优选实施例，其中紧固件的球形头部半径(RH)和球形末端半径(RE)之和等于紧固件的长度，紧固件的头部可以没有换能器(图13A)或者永久固定一个换能器(图13B)；
图13C示出了另一个根据本发明的紧固件设计的实施例，具有球形头部半径(RH)和球形末端半径(RE)以及一个内紧固的头部；图13D示出了一个根据本发明的紧固件设计的实施例，紧固件的斜切或尖头末端的一部分之上具有球形末端半径(RE)，它的头部是平的，具有可活动的或固定的换能器；图14给出了在紧固件没有弯曲的情况下，一个可供选择的根据本发明的紧固件设计的实施例，其中紧固件的末端有一个90°的锥形尖角；图15示出了图14所示的紧固件在弯曲情况下的情形；图16给出了另一个可供选择的根据本发明的紧固件设计的实施例，其中紧固件的头部和末端有两种可能的表面轮廓；图17是一个普通(现有技术)的紧固件，具有人造超声波反射器和一个旨在使声波指向反射器的头部表面；图18给出了另一个可供选择的根据本发明的紧固件设计的实施例，其中紧固件具有一定形状的人造超声波反射器和紧固件杆部，以及紧固件头部的锥形槽。
在采用由Ultrafast公司开发的并专门在所述‘276专利中公开的永久换能器技术之前，一个紧固件(例如螺栓)只是为了夹紧的功能来设计的。然而，一个带有在紧固件上直接形成的声电薄膜的受力指示构件，使得所述构件不仅可以作为夹紧装置还可以用做受力传感器。通过在设计上稍做改动，就可以在不影响紧固件的夹紧功能和生产成本的前提下，在导致紧固件产生严重的弯曲应力的不利应用条件下，有可能显著提高受力测量的准确度。
下面紧接着给出弯曲应力对超声受力测量的影响的分析。之后，介绍了本发明的研究对象一个用来优化紧固件件端几何形状的模型。弯曲试验表明根据本发明模型确定的紧固件设计可以显著改进弯曲情况下的受力测量性能，连接中2°的弯曲引起的满量程受力误差小于2％。
螺栓弯曲螺栓的生产参数通常允许螺栓头部下方和杆部之间有最大1°的垂直度误差，但实际上，除非是较长的螺栓，典型情况下为0.2°到0.5°。螺栓弯曲最严重的情况通常在未经机械加工的浇铸连接支承表面上发生。现有技术在可靠性和准确度方面对紧固件中由紧固和正常操作产生的弯曲应力比较敏感。现有技术没有给出任何方法，能够在存在非对称(弯曲)应力的情况下保持接收到的来自紧固件内部的超声回波幅值和相位的完整性。
图1所示的典型的紧固件10具有平的头部12，平的末端14和中间杆部13。杆部13的整个或部分长度上可以有螺纹15。紧固件10可以是，例如象螺栓，螺桩或铆钉等的受力构件。用于超声受力测量技术的现有技术的紧固件设计中，由超声换能器18产生的超声波16从一个单反射面(例如，末端14)直接反射回超声换能器18-如图2所示。专业技术人员当然知道，超声波可以在紧固件内部传播，而且可以采用任何常规的装置，包括压电和电磁换能器和激光器来接收超声波，下面将给出更完整的介绍。给定一个平的平行反射面，由换能器18的一边产生的波前部分将沿原路返回。在图2中，所示的超声波16与紧固件10的中心纵轴a平行。
图3示出了紧固件10受到沿箭头20方向的弯曲力的情形。弯曲力在紧固件10的左边造成了一个受拉应力减小的区域(用减号指示)，在紧固件10的右边则造成了一个受拉应力增大的区域(用加号指示)。当紧固件受到弯曲应力作用时，非对称的径向应力梯度使得超声波前16的不同部分以不同的速度传播。具体而言，在受拉应力减小的区域超声波16传播更快，在受拉应力增大的区域超声波16传播较慢。这样当超声波16被超声换能器18接收时，将使传播方向(相对于纵轴a)发生偏折(折射)并造成相位差。结果，通过超声换能器18对紧固件10所受力的测量可能不准确。本发明的一个目的就是对超声波16进行引导，使得偏折和相位差的影响变得最小，因之弯曲的影响也变得最小。
连接中的螺栓中产生弯曲应力的主要原因是连接的支承面不平行或与螺纹孔的轴不垂直(见图4，示出了连接弯曲角，γ)。为了进行实验，可以通过在被测连接中采用有角度的垫片22在实验室模拟这种情况。为了使螺栓受到有角度的垫片22的影响最大，连接支承面必须坚硬，使嵌入最少，并且连接，包括受力单元，必须是刚性的。(实验是采用Ultrafast的认证试验连接，包括一个具有特定高弯曲刚性的承重元件来进行的。)
一般而言，当一个螺栓紧固在一个支承面不平行的连接中时，螺栓头部12(或螺母24，被紧固的那个)可以在径向自由移动而没有显著的约束力。连接的间隙孔通常被专门用来适应连接间隙的变化。另外，头部12或螺母24的转动使得支承面垂直于径向约束摩擦力发生运动，这种运动基本上使摩擦力降为零。(这种现象与紧固件的振动松动的情形差不多一样，G.Junker对此进行了详细介绍，文章“紧固件在振动情况下自松动的新判据”共23页，提交给1969年10月8日伦敦奥林匹亚的Unbrako学术讨论会)。因此，为了进行分析，用有角度的垫片22来模拟的非平行连接支承面的影响，可以用一个处在连接支承面的单纯弯曲力矩MB来近似，如图4所示，两个表面之间的螺栓杆部受到一个恒定的弯曲力矩。
螺栓模型由于超声波16被换能器18接收到的部分主要是在紧固件10的中心区域向下传播的，所以集中在头部12下方表面或螺纹15内附近的局部应力对接收到的超声波只有很小的影响。图5,6，和7给出了典型的螺栓应力分布，这些图分别从J.Bickford的文章“螺栓连接的设计和特性介绍”(Marcel Dekker公司，纽约，1990)的15,16和17页复印下来的。
在弯曲(即应力和偏折)情况下影响紧固件性能的关键参数是螺栓杆部各个部分的直径(d)和长度(l)。因此采用一个包括柱形单元(见图8)的紧固件10的简化模型来进行分析，对这个模型既可以进行解析分析又可以进行有限元分析。所述模型的主要缺陷是无法处理杆部13中穿过螺母和头部的应力减小。为了补偿这一影响，应力作用下的螺栓的等效长度为连接长度加上螺栓直径的几分之一“p”(典型值为0.3到0.6)。这种方法在使用超声螺栓应变仪来估算螺栓等效应力长度时经常采用。
对超声波测量的影响弯曲在五个方面对超声脉冲回波行程时间测量产生影响(ⅰ)由螺栓形变引起的物理路径长度改变；(ⅱ)由螺栓末端反射平面的角偏移引起的超声波方向改变；(ⅲ)由应力梯度引起的超声波的折射；(ⅳ)由于存在弯曲使得超声波在有附加应力的区域传播时声速发生改变；和(ⅴ)由换能器接收的波前的斜入射引起的相位影响。
螺栓形变当紧固件10受到一个弯曲力矩MB的作用时，其轴向应力为从杆部13一侧的压缩应力线性变化为另一侧的拉伸应力加上由紧固引起的拉伸应力(见图9)。紧固件10的每个柱形部分弯曲成一个半径为RB的圆弧，其中RB=EI/MBE是弹性模量，I是动量惯量，对一个圆柱杆部I=7πD4/64，式中D是柱形部分的直径。
由弯曲引起的最大附加纤维强度σB为σB=MD/2I=ED/2RB横穿螺栓的应力变化Δσ是2σB，所以，Δσ=ED/RB或 RB=ED/Δσ。
这个柱形单元的端面具有线偏移yB，为yB=MBl2/2EI式中l是柱形部分的长度。
不考虑应力对超声波传播的影响，这将导致物理路径长度增加Δx，为Δx=yBtanθB式中θB是所述部分末端的角偏移。
超声波方向改变柱形部分端面的角偏移θB可由下式给出θB=MBl/EI这个角偏移对紧固件10末端14的反射面的总偏转角有贡献，如果是一个平的末端，将使超声波16的方向偏离换能器18。
超声波的折射现有的分析中还没有考虑固杆部中的应力梯度对超声波传播的影响。但是，用几何声学对气杆部压力梯度和水的压力梯度对声波传播的影响进行了分析，例如，参见A.Pierce“声学的物理原理和应用初步”，371到388页(McGraw-Hill公司，Woodbury，纽约，1989年版)。由于声速在紧固件材料中随应力线性变化，所以这两种情况与弯曲螺栓中的线性应力梯度是可以类比的。
当超声波入射到具有应力梯度的区域时，声波将向较低声速一边(较高拉伸应力一边)偏折，声波路径的曲率半径RR(图9)为RR=v/︱v︱式中v是声速或者RR=v/(Δv/D)=vD/Δv式中Δv是声速沿螺栓直径D的变化。比值RB/RR=Δv/vD·ED/Δσ=E/v·Δv/Δσ由于应力=E×应变，应力沿螺栓直径的变化量等于E与沿螺栓直径的应变变化量的乘积，或者，Δσ=E·Δl/l，于是RB/RR=Δv/v·l/Δl由于Δt/t=Δv/v+Δl/l式中t是行程时间，Δt是声波行程时间的变化(如图9A所示)，比值RB/RR等于由声速改变引起的声波行程时间的相对变化，除以由于伸长或变形而引起的行程时间的相对变化。对于M16×150,8.8级的钢螺栓，纵向超声波的RB/RR比值约为2.2。
总之，当螺栓受到弯曲力矩作用时，声波向与螺栓弯曲方向相反的方向偏折。声波路径的弯曲比螺栓的弯曲更厉害，因数为2.2。由于声线路径的角度和偏折较小，所以可以认为它们近似等于螺栓弯曲引起的角度和偏折的-2.2倍(即向相反方向的2.2倍)。
声速的变化在螺栓的中性轴处，没有由螺栓所受力矩引起的附加应力。离中性轴越远，由弯曲引起的正应力或负应力越大-如图9所示。在弯曲情况下，中心声波路径离开中性轴偏向应力较高的区域，即声速较低的区域。因此，弯曲有通过降低声波的平均速度来增加行程时间的效果。
相位影响在弯曲情况下声波的折射和方向改变使得换能器18接收到的波前入射角是一个斜角，而不是90°。这一效应的后果是穿过换能器18的相位差以及回波幅值的减小，从而妨碍可靠的行程时间测量。而且，在更极端的情形，幅值有可能过零，使得脉冲回波测量系统发生“周期跳变”(即开始测量接收波形的另一个周期)。所谓“过零”是指超声波的幅值由于超声波形相位的相消效应而衰减到零。
模型和预测理想情况下，一个模型应能够确定紧固件两端的表面形状，当紧固件受到弯曲作用时，这两端将(1)在没有任何相位误差和回波幅值衰减的情况下将声波反射回换能器；(2)对由脉冲回波行程时间测量计算得到的受力不引入任何误差。不幸的是，这种理想情况是不可能的，因为在弯曲情况下能将声波以最佳方式反射回换能器的形状与在弯曲情况下能不引起行程时间变化的形状可能不一样。但二者是类似的，本模型的目的是对两种形状进行预测并确定一个最佳的折衷方案。
两种形状都可以近似为球形表面。由于固有的线性(应力/应变，弯曲力矩/偏折，应力/声速)，这些表面基本上与弯曲的程度无关。因而，对于特定的螺栓和连接，所述模型可确定两个球形端面轮廓的半径(1)RREF，将声波沿原路直接反射回换能器的表面轮廓的半径；(2)RZDT，使行程时间变化为零，即超声受力测量误差为零的表面轮廓的半径(图10)。
在根据本发明的一个实施例中，确定受力构件表面轮廓的方法包括，首先计算受力构件在非对称应力作用下受力构件第二端相对于所述的第一端的偏斜。然后，确定受力构件在非对称应力作用下所述的声波从第一端传播到第二端的入射线路径。接着，将所述表面轮廓确定为受力构件在非对称应力作用下将声波反射回超声回波接收装置的表面。
在根据本发明的另一个实施例中，确定受力构件表面轮廓的方法包括，首先计算受力构件在非对称应力作用下受力构件第二端相对于所述第一端的偏斜。然后，确定受力构件在非对称应力作用下所述声波从第一端传播到第二端的入射线路径。接着，计算偏折的声波的行程时间的变化。最后，确定一个表面轮廓，使得声波的行程时间变化最小。以上步骤在受力构件受到非对称应力时进行。
应注意，虽然所述轮廓可以近似为球形，它也可以取其它形状。例如，轮廓可以近似为抛物线，椭圆形，或任何其它形状，只要它能将超声回波反射回换能器并且在超声受力测量中引入最小的误差或没有误差。
根据本发明的模型只考虑了弯曲对声波中心线路径的影响。当然，由离中性轴的距离的影响而引起的波前横截面上的变化会带来其它一些误差。预计这些误差对行程时间的影响在一定程度上相互抵消；由这些变化导致的模型和实际情况之间的主要差别是由相位效应引起的幅值衰减的程度。另外，因为只对中心线路径进行了分析，在所述模型中对螺栓头部的表面轮廓没有进行任何假设。本发明的模型所基于的线路径分析没有考虑声波的衍射。
所述模型最初在计算机电子表格上实现。以下是所述算法的概述。
对每一个连续的柱形部分(n)1．横截面面积(An)；2．动量惯量(In)；3．在弯曲力矩M作用下部分n贡献的角偏移(θBn)；4．在弯曲力矩M作用下部分n贡献的线偏移(yBn)；5．中性轴在部分n的平均偏移(平均值yB)，包括相对于前一部分的偏移；6．在弯曲力矩M作用下部分n的最大应力(σBn)；以及7．在部分n，由应力梯度，零应力声速和应力作用下的声速变化计算得到的沿折射的声波中心线路径的平均声速。
对整个紧固件1．在弯曲力矩M作用下，反射端面的总角偏移(θB)(M调整到使总角偏移为1.0°)；2．总线偏移(yB)；3．声波中心线路径长度(P)，考虑到端面的曲率半径和偏移；4．声波中心线整个路径长度的平均声速(平均值v)；5．由平端面引起的行程时间误差(ΔTOF)；6．将行程时间误差减小到零所要求的几何路径长度的减小量(Δx)；7．反射半径(RREF)，即与入射的声波线路径垂直的表面轮廓的半径，其由声波相对于中性轴的线偏移和角偏移确定，近似等于YB/tan(θB)，式中YB和θB如上面所确定；以及8．行程时间零变化半径(RZDT)，即，使行程时间变化为零，并由此使弯曲情况下的超声受力测量误差为零的表面轮廓的半径，其由行程时间零变化下的紧固件长度和相对于中性轴的线偏移确定，近似等于((RB/RR+1)2YB2-ΔX2)/2ΔX，式中RB,RR和ΔX如上面所确定的。
然后，计算得到RRBF和RZDT之后，对紧固件的一端或两端的至少一个部分进行造形。轮廓的曲率半径取RREF或RZDT，视螺栓和超声信号的具杆部特性而定。一个具有曲率半径RREF的轮廓可能在行程时间测量中带来一些误差。但是，这种轮廓一般情况下对超声波幅值没有衰减，而是将信号直接反射回换能器。相反地，具有曲率半径RZDT的轮廓通常在行程时间测量中不产生误差，但是会造成超声信号幅值的衰减。
因此，对超声波在其中传播时信号幅值衰减很小的紧固件或当要求进行零误差行程时间测量时，一般在紧固件的一端或两端选用曲率半径为RZDT的轮廓。这样，就可获得误差为零的行程时间测量。然而，对超声波在其中传播时信号幅值衰减很大的紧固件，一般在紧固件的一端或两端选用曲率半径为RREF的轮廓。这样，尽管在超声受力测量中可能会出现一些小的误差，但可以确保有超声信号反射回换能器。
在任何情况下，在紧固件至少一端的至少一个部分采用曲率半径为RREF或RZDT的轮廓，将有助于实现既准确又可靠的超声受力测量。
在某些情况下，选用取值在RREF和RZDT之间的曲率半径的折衷方案可能比较有利。与平端面情形相比，选用这个范围内的半径可以同时保证改善幅值和TOF测量的准确度的可靠性。表1给出了以mm为单位的RREF和RZDT的取值及占所测试的紧固件长度的百分比。典型情况下，RREF为紧固件长度的50％+10％，而RZDT为紧固件长度的40％+10％。紧固件的总长度等于紧固件杆部长度加上紧固件头部的长度。在表1中，例如，元件代号1026(M8×1.25×50,10.9级)是一个米制(M)的螺栓，杆部直径为8mm，螺距1.25mm，杆部长度50mm，钢的等级为10.9。所述螺栓头部的长度为5mm，所以螺栓的总长度为55mm(50mm+5mm)。反射半径百分比(％)和行程时间零变化半径的百分比(％)是用螺栓的总长度即头部长度加上杆部长度来计算的。
表1
模型预测的实验验证为了验证紧固件在被固定在具有非平行支承表面的连接中时确实如所预测的那样，对许多螺栓(Ultrafast公司，元件代号6108891300；M10×70×1.5)进行了改造，以包括测量参考表面(图11中的表面”A”、”B”和”C”)，并用具有1°或2°角度的垫片固定在连接内。在螺栓的末端对线偏移和角偏移进行了测量。以下是对结果进行分析后得到的结论1．测到的偏移量与预测的几乎一致。由偏移测量值计算得到的弯曲半径在38mm到45mm之间变化。对这种螺栓和连接模型的预测值为40mm。这点证实了在固定在非平行连接支承面时螺栓沿径向自由移动的假设，同时也说明了模型的准确度。
2．采用常规的螺母和硬连接，螺栓感受到的角度一般只有由螺纹空隙和形变引入连接的角度的50％。
3．为了使螺栓产生1°的弯曲，大约需要极限扭矩的30％。这与模型对螺栓的预测结果一致。
与Ultrafast螺栓元件代号6108891300(M10×1.5×70)一样的紧固件经模型预测给出RREF为40mm,RZDT为32mm。对头部半径为76mm(100％螺栓长度)的螺栓进行加工，末端半径分别为30mm,34mm,38mm,42mm和46mm，弯曲准确度试验采用的是角度为1°和2°的垫片。对这些试验数据的分析总结成图12A-12F中的曲线。图12A-12F所示的所有试验都是采用Ultrafast螺栓元件代号6108891300(M10×1.5×70)进行的。
图12A给出了由超声方法确定的受力的相对误差(％)作为螺栓末端球形轮廓半径(mm)的函数的曲线。如图所示，当末端半径为30mm和34mm时，螺栓在受到1°和2°的弯曲时，受力测量值的误差小于2％。这样，如模型所预测的，末端半径为30mm和34mm的准确度是最高的(误差小于2％)。采用这两种设计中任意一种的螺栓在受到1°和2°的弯曲时都是合格的。末端半径为38mm的螺栓，取预测的RREF值，在受到2°的弯曲时误差大约为+5％。但是取这个半径时，波形的畸变要小一些，这使得对一些螺栓更容易进行可靠的脉冲回波测量。
图12B是在紧固件内上下往返一次的纵向回波L1和在紧固件内上下往返两次的纵向回波L2的幅值衰减作为螺栓末端球形轮廓半径(mm)的函数的曲线。当弯曲为1°时，对于末端球形轮廓半径为30mm,34mm,38mm,42mm和46mm的螺栓，L1和L2具有中等程度的幅值衰减(L1从无弯曲时的100％到85-65％；L2从无弯曲时的100％到75-55％)。当弯曲为2°时，这些螺栓中L1和L2的幅值衰减百分比(％)更大一些(L1从无弯曲时的100％到45-35％；L2从无弯曲时的100％到60-45％)。应注意到，在弯曲2°时L2的幅值衰减百分比比L1的幅值衰减百分比要小。而且，在每种情况下，末端球形轮廓半径为34mm的螺栓具有最小的衰减百分比(％)。在任何情况下，由于没有哪个螺栓接收到的回波的幅值接近于零，所以在弯曲为1°和2°时可以进行可靠而准确的受力测量。
图12C是在紧固件内上下往返一次的横向回波T1和在紧固件内上下往返两次的横向回波T2的幅值衰减作为螺栓末端球形轮廓半径(mm)的函数的曲线。当弯曲为1°时，对于末端球形轮廓半径为30mm，34mm,38mm,42mm,46mm的螺栓，T1和T2的幅值衰减百分比(％)较小(T1从无弯曲时的100％到约99％；T2从无弯曲时的100％到85％)。注意，当弯曲为1°时，末端球形轮廓半径为34mm,38mm,42mm的螺栓中T1没有幅值衰减。同样地，当弯曲为1°时，末端球形轮廓半径为42mm的螺栓中T2没有幅值衰减。当弯曲为2°时，这些螺栓中T1和T2具有中等程度的幅值衰减(T1从无弯曲时的100％到95-60％；T2从无弯曲时的100％到85-30％)。当弯曲为2°时，幅值衰减百分比(％)一般随螺栓末端曲率半径的增加而减小。在任何情况下，由于没有哪个螺栓接收到的回波的幅值接近于零，所以在弯曲为1°和2°时可以进行可靠而准确的受力测量。另外，T1和T2的衰减百分比(％)比L1和L2的衰减百分比(％)(如图12B所示)小，说明横波受弯曲的影响比纵波要小。
图12D是回波幅值百分比(％)L2/L1和T2/T1作为螺栓末端球形轮廓半径(mm)的函数的曲线。L2/L1或T2/T1接近于1说明与L1和T1回波的幅值相比，L2和T2回波的幅值衰减很小或没有衰减，而比值接近于0.0则表明L2和T2衰减到零。如图12D所示，对于末端半径为30mm,34mm,38mm,42mm,46mm的螺栓，比值L2/L1和T2/T1的变化范围分别为62-70％和35-52％。这表明L2和T2回波没有衰减到零。
图12E是L1回波幅值衰减百分比(％)作为螺栓所受弯曲力矩(Nm)的函数的曲线并给出了弯曲准确度测试得到的数据。如图12E所示，对于末端球形轮廓半径为30mm,34mm,38mm,42mm,46mm的螺栓，L1回波幅值从弯曲力矩为零时的100％衰减到弯曲力矩为40Nm时的约30-60％。这说明，L1的幅值没有衰减到零，因此可以对弯曲情况下的紧固件进行准确而可靠的受力测量。
图12F是T1回波幅值衰减(％)作为螺栓所受弯曲力矩(Nm)的函数的曲线并给出了弯曲准确度测试得到的数据。如图12F所示，对于末端球形轮廓半径为30mm,34mm,28mm,42mm,46mm的螺栓，T1回波幅值从弯曲力矩为零时的100％衰减到弯曲力矩为40Nm时的约83-99％。这又一次说明，可以对弯曲情况下的紧固件进行准确而可靠的受力测量，因为观测到的幅值都没有衰减到零。另外，如上所示，在弯曲情况下横向信号的幅值衰减比纵向信号要小。
这些测试结果表明本发明的模型可以对紧固件的最佳末端几何形状进行预测而且准确度较高。所述模型只考虑了声波中心线路径，因此，其预测没有考虑头部(或换能器)的端面几何形状，而且也不受这些因素的影响。所有采用由所述模型给出的末端半径的测试其头部半径都是螺栓长度的100％。忽略衍射效应，这个半径可将声波束聚焦到端面。
端面几何形状如上面所讨论的，当紧固件弯曲时接收到的回波的幅值将衰减，弯曲达到一定角度时衰减达到零点。为了实现准确、可靠的超声测量，重要的是避免在接近零点的区域进行。本发明的模型给出的紧固件设计可以保证在受到弯曲时接收回波的完整性。所述模型可以计算出紧固件10的头部12或螺纹端14中至少一个端面的半径或其它轮廓。对这些端面采用这个半径值或其它轮廓，可以使接收到零幅值回波的弯曲角度增大，并且可以降低回波对弯曲应力的敏感程度。
所述模型包括，但不仅限于，紧固件10的末端14，头部12，或头部12和末端14均采用曲率半径等于紧固件10长度的球形轮廓的设计。如上面所讨论的，这种模型已经通过具有球形末端14和球形头部12的紧固件10进行了测试。其它各种结构也是适当的。
在根据本发明的紧固件设计的优选实施例中，紧固件10头部12的球形表面26的半径(RH)等于紧固件10的长度减去末端14的半径(RE)。也就是，球形表面26的曲率半径与末端14的曲率半径之和等于紧固件10的长度。图13A和13B给出了这种结构。这可能是最优化的结构，因为它具有不变的几何路径长度，因此对超声信号的多次回波的幅值衰减最小。
当然本发明可用于任何既发射又接收紧固件10内的超声信号的装置。例如，可以用与紧固件10紧挨着的电磁换能器或压电换能器18(见图13D)来发射和接收超声信号。超声换能器18和紧固件10永久固定在一起(和图13B中一样)。应理解，也可以用与紧固件10紧挨着的激光器19(见图13A)来发射和接收超声信号。而且，这种设计的弯曲特性与超声波发射接收机是否装在紧固件10的头部12上或螺纹末端14上无关。其它非限制性实施例介绍了采用装在紧固件10上的活动的或固定的压电换能器18的发明，当然也可以采用其它超声信号发射和接收装置发射和接收超声信号，例如电磁换能器或激光器。
紧固件10的端面12和14取一定的轮廓有两方面的好处它们将超声波16聚焦而且，如果选择合适的形状，端面可以最大限度地将信号返回到超声换能器18中，如图13B所示。否则，对称弯曲应力将使得任何信号都不能到达超声换能器18，而且即使得到了信号，也可能受弯曲的影响而发生畸变。在确定保证超声换能器18能接收到一定的反射信号的曲率半径RREF和保证接收信号具有最小误差的曲率半径RZDT之间时存在折衷方案。在某些应用中，对RREF进行优化以保证超声换能器18能接收到一定的反射信号。尽管所述信号不是最精确的。前面概括的测试结果中，RREF一般约为紧固件长度的50％,RZDT一般约为紧固件长度的40％。当然，这些百分比将随具杆部的紧固件而改变。对于许多不同的紧固件，RREF和RREF的合适取值范围大约是紧固件长度的25-70％，更适宜的范围是30-60％。
在另一个实施例中，紧固件10具有一个内紧固的头部或减轻孔凹槽17，凹槽17的内表面的一部分具有球形轮廓26，末端表面14也是球形轮廓。见图13C。在内部凹槽仅用来减轻紧固件10的重量时，凹槽17作为减轻孔。
紧固件10可以具有一定轮廓的末端14和平的头部12。在加工内紧固螺纹时平头比较容易做，因而在一些应用中需要。
例如，图13D给出了根据本发明的紧固件10的另一个实施例。在这个实施例中，紧固件10末端的一部分是球形，半径为RE，头部是平的，其上装有可活动的或固定的换能器18。如果换能器18是可活动的，那么最好选用平头，这样可以与换能器的平面相接合。或者对于在自动供料装置中所使用的斜切的或尖顶的紧固件(如图13D所示)，紧固件10头部(如图13A所示)或末端(如图13D所示)只有一部分做成一定形状。
通过两次反射引起的超声波反向将产生对由弯曲应力带来的超声受力测量误差的内部自动补偿。图14给出了一个在末端14上有一个90°锥形尖端28的紧固件10，它使超声波反射两次后反向，这样从换能器18沿紧固件10的杆部13向下传播的超声波16的部分波前沿轴对称的平行路径返回换能器18。锥形尖端28可以，例如如图14中所示的通过倒圆或平切将尖顶截掉，或者如图16所示，做成三角形的，下面将对此进行讨论。注意到90°锥形平面28保证穿过整个波前的路径长度是相等的。如图14所示，紧固件10没有受到弯曲。
当图14给出的设计的紧固件10受到沿箭头20的方向的弯曲力时，如图15所示，弯曲力在紧固件10的左边造成了一个受拉应力减小的区域(用减号表示)，在紧固件10的右边则造成了一个受拉应力增大的区域(用加号表示)。超声波16反向后，波前沿平行路径反射回去(而不是单个平面产生的发散路径)。而且，相位误差最小，因为由于轴对称反向，波前的每个部分都经过了弯曲应力为正和为负的区域。
在图16中，示出的紧固件10的两端可能具有两种可能的轮廓。具杆部而言，紧固件10的头部12具有球形轮廓而紧固件10的末端14具有锥形尖顶28，这在某些情况下可能是最佳的结构，或者可以作为对一定的球形轮廓的近似以提供生产上的优势。这些表面轮廓可以在存在非对称应力的情况下保持超声回波的完整性。
下面给出的条形图是验证本发明的模型的优点的测试结果。测试是在20MHz下进行的，采用了现有技术中介绍的一种薄膜换能器，直径为5mm。虽然本测试中所采用的螺栓都具有相同的基本尺寸(M10×75mm)，但紧固件的头部和末端的端面轮廓采用五种不同的组合。图中给出了每种样式的螺栓要达到零回波所需要的平均弯曲程度。y轴列出了螺栓的不同样式。“平-R80”对应一个具有平的头部和球形曲率为80mm(80mm曲率半径，或“ROC”)的末端的螺栓；“平-平”是指螺栓的头部和末端都是平的(通常的未改造的情况)；“R80-R80”则对应于在螺栓的头部和末端都具有80mm的球形轮廓。
不同头部和末端轮廓组合螺栓样品的平均零位置
对所述图进行分析发现当紧固件头部，尤其是末端采用一定造形后，弯曲灵敏度显著下降。在每种情况下零位置都比通常的“平-平”组合显著增加(对弯曲应力的灵敏度降低)。
对紧固件的造形可以和已有的几何特征如减轻孔或内紧固孔等联合使用。图17示出了一个具有人造反射器30的常规紧固件10。紧固件10用来做超声受力测量。反射器30调整到一定角度使得超声波从反射器30反射后沿原路直接返回到换能器18。当紧固件10弯曲时，超声波反射后将以一定角度远离换能器18。所述紧固件还表现出由弯曲引起的非对称应力梯度的不利影响。
图18给出的设计是包含了本发明的所述概念的一种改进。在这个实施例中，采用常规的金属滚轧装置对紧固件10的杆部13进行加工以形成一个或多个圆环21作为反射器30，或者采用适当的工艺将其加工成别的形状，使得超声波16经一个反射器30反射后沿径向横穿紧固件10到达另一个反射器30，然后沿轴对称路径返回，这样就可以抵消由弯曲引起的非对称应力梯度的不利影响。两个反射器30做成一定角度使得超声波16沿径向反射后横穿紧固件10。虽然示出的头部12具有锥形表面，用来接收和发射从反射器30反射回来的超声回波，但头部12也可以是平的或任何其它形状，去接收和发射射向反射器30和从反射器30发来的超声回波。
尽管这里给出的和介绍的都是参照一定的具杆部实施例，但本发明并不仅限于给出的细节。而是在与权利要求等价的范围和程度内，在不偏离本发明的精神的前提下，可以在细节上进行各种改造。例如，虽然示出的换能器18是放置在紧固件10的头部12上，但换能器18也可以放置在紧固件10的末端14上。另外，也可以用激光器代替换能器来反射超声波并接收超声回波。
权利要求
1．一种制造受力指示构件的方法，包括以下步骤提供一个在应力作用下发生形变，即其中一部分相对于另一部分发生相对移动的受力构件，所述受力构件具有第一端，第二端和一个预定的长度；对所述受力构件的所述第一和第二端中至少一端的至少一个部分进行造形，以降低几何形状变化和所述受力构件内的非对称应力对超声测量的影响；以及提供发射通过所述受力构件的超声波和接收从所述造形后的轮廓反射回来的回波的装置，所述超声波发射和接收装置放置在所述受力构件的一端。
2．根据权利要求1的方法，其中所述轮廓近似为球形。
3．根据权利要求1的方法，其中所述轮廓近似为锥形。
4．根据权利要求2的方法，其中所述轮廓的曲率半径至少为所述构件的长度的25％。
5．根据权利要求2的方法，其中所述轮廓的曲率半径小于所述构件的长度的70％。
6．根据权利要求1的方法，其中所述超声波发射和接收装置是一个从一组压电和电磁换能器中选出的换能器。
7．根据权利要求1的方法，其中所述超声波发射和接收装置是一个激光器。
8．一个受力指示装置，包括一个在应力作用下发生形变且具有第一端，第二端和预定长度的受力构件，其中对所述受力构件的所述第一和第二端中至少一端的至少一个部分进行造形，以降低几何形状变化和所述受力构件内的非对称应力对超声测量的影响；以及发射通过所述受力构件的超声波和接收从所述造形后的轮廓反射回来的回波的装置，所述超声波发射和接收装置放置在所述受力构件的一端。
9．根据权利要求8的装置，其中所述轮廓近似为球形。
10．根据权利要求8的装置，其中所述轮廓近似为锥形。
11．根据权利要求9的装置，其中所述轮廓的曲率半径至少为所述构件的长度的25％。
12．根据权利要求9的装置，其中所述轮廓的曲率半径小于所述构件的长度的70％。
13．根据权利要求9的装置，其中所述轮廓的曲率半径约为所述构件的长度的100％。
14．根据权利要求8的装置，其中所述超声波发射和接收装置是一个从一组压电和电磁换能器中选出的换能器。
15．根据权利要求14的装置，其中所述换能器固定在所述受力构件的所述第一和第二端之一的上面。
16．根据权利要求14的装置，其中在所述受力构件的所述第一和第二端之一的上面装有可活动的所述换能器。
17．根据权利要求8的装置，其中所述超声波发射和接收装置是一个激光器。
18．根据权利要求8的装置，其中所述受力构件的所述第一端和第二端都经过了造形。
19．根据权利要求18的装置，其中所述轮廓近似为球形，并且所述第一端的轮廓具有第一个曲率半径，所述第二端的轮廓具有第二个曲率半径，以及其中所述第一个曲率半径和第二个曲率半径之和约等于所述受力构件的长度。
20．根据权利要求18的装置，其中所述第一端的轮廓近似为球形，曲率半径约为所述构件的长度的30-70％，并且所述第二端的轮廓近似为球形，曲率半径约为所述构件的长度的30-70％。
21．根据权利要求18的装置，其中所述第一端的轮廓近似为球形，曲率半径约为所述构件的长度的100％，并且所述第二端的轮廓近似为球形，曲率半径约为所述构件的长度的30-70％。
22．根据权利要求8的装置，其中所述第一和第二端之一的至少一部分经过了造形，而所述另一端是平的，所述超声波发射和接收装置安装在所述平的一端附近。
23．根据权利要求22的装置，其中所述轮廓的曲率半径约为所述构件的长度的30-70％。
24．根据权利要求22的装置，其中所述轮廓的曲率半径约为所述构件的长度的100％。
25．根据权利要求8的装置，其中所述受力构件是从包括紧固件，螺栓，螺桩和铆钉的一组构件中选出的。
26．根据权利要求8的装置，其中所述受力构件的所述第一端具有一个凹槽，所述凹槽具有一个内表面，所述内表面的一部分经过了造形。
27．一个受力指示装置，包括一个在应力作用下发生形变且具有第一端，第二端，及一个从所述第一端延伸到所述第二端的杆部的预定长度的受力构件；所述杆部具有至少一个反射器以降低几何形状变化和所述受力构件内的非对称应力对超声测量的影响；以及发射通过所述受力构件的超声波和接收从所述反射器反射回来的超声回波的装置，所述超声波发射和接收装置放置在所述受力构件的所述第一和第二端之一上。
28．根据权利要求27的装置，其中所述超声波发射和接收装置是一个从一组压电和电磁换能器中选出的换能器。
29．根据权利要求27的装置，其中所述超声波发射和接收装置是一个激光器。
30．一个受力指示装置，包括一个在应力作用下发生形变且具有第一端，第二螺纹端和预定长度的受力构件，其中所述第二螺纹端的至少一个部分经过了造形以降低几何形状变化和所述受力构件内的非对称应力对超声测量的影响；其中所述的轮廓近似为球形，曲率半径约为所述构件的长度的30-60％；以及发射通过所述受力构件的超声波和接收从所述轮廓反射回来的超声回波的装置，所述超声波发射和接收装置放置在所述受力构件的所述第一端上。
31．根据权利要求30的装置，其中所述超声波发射和接收装置是一个从一组压电和电磁换能器中选出的换能器。
32．一种确定具有第一端，第二端和预定长度的受力构件的至少一端的至少一个部分的表面轮廓的方法，其中所述第二端具有一定的表面轮廓，当所述受力构件受到非对称应力作用时，能够使由紧挨着第一端的超声波发射装置发出的并经所述轮廓反射的声波指向一个紧挨着第一端的超声回波接收装置，本方法包括以下步骤计算当所述受力构件受到非对称应力作用时，所述受力构件的所述第二端相对于所述第一端的偏移；确定当所述受力构件受到非对称应力作用时，从所述第一端传播到所述第二端的所述声波的入射线路径；以及确定当所述受力构件受到非对称应力作用时，将所述声波反射回所述超声回波接收装置的表面的表面轮廓。
33．根据权利要求32的方法，其中所述确定所述轮廓的步骤包括对所述轮廓的曲率半径进行计算，使得所述半径等于YB/tan(θB)式中YB是所述第二端相对于所述第一端的线偏移，θB是所述第二端相对于所述第一端的角偏移。
34．根据权利要求32的方法，其中所述超声波发射装置和所述超声回波接收装置是一个从一组压电和电磁换能器中选出的换能器。
35．根据权利要求32的方法，其中所述超声波发射装置和所述超声回波接收装置是一个激光器。
36．一种确定具有第一端，第二端和预定长度的受力构件的至少一端的至少一个部分的表面轮廓的方法，其中第二端具有一定的表面轮廓，当所述受力构件受到非对称应力作用时，能够使由紧挨着第一端的超声波发射装置发出的并经所述轮廓反射到一个紧挨着第一端的超声回波接收装置的声波的行程时间变化最小，本方法包括以下步骤计算当所述受力构件受到非对称应力作用时，所述受力构件的所述第二端相对于所述第一端的偏移；确定当所述受力构件受到非对称应力作用时，从所述第一端传播到所述第二端的所述声波的入射线路径；计算当所述受力构件受到非对称应力作用时，所述偏斜的声波的行程时间的变化；并确定当所述受力构件受到非对称应力作用时，使行程时间变化最小的表面的表面轮廓。
37．根据权利要求36的方法，其中所述确定所述轮廓的步骤包括对所述轮廓的曲率半径进行计算，使得所述半径等于((RB/RR+1)2YB2-ΔX2)/2ΔX式中 RB是弯曲曲率半径；RR是声波线路径的曲率半径；YB是总的线性偏移；以及ΔX是将行程时间减小到零所要求的几何路径长度的减小量。
38．根据权利要求36的方法，其中所述超声波发射和所述超声回波接收装置是一个从一组压电和电磁换能器中选出的换能器。
39．根据权利要求36的方法，其中所述超声波发射和所述超声回波接收装置是一个激光器。
全文摘要
一个包括一个受力构件(10)的受力指示装置在受力时产生变形。超声波发射和接收装置在受力构件的一端(12)射入超声波并在同一端接收超声回波。在一个实施例中,使用放置在受力构件头部(12)或另一端(14)的超声换能器(18)发射和接收超声波。头部、末端、杆部(13)或它们的组合经过造形以减小几何形状变化和受力构件中的非对称应力对超声测量的影响。还提供了一种方法,包括一个模型,通过它可以对受力构件造形表面的几何形状进行设计。还提供了一种制造至少一端或杆部经过造型以减小几何形状变化或受力构件内的非对称应力对超声测量的影响的受力构件的方法,和一种鉴别受力构件的轮廓的方法以便准确和可靠地进行超声受力测量。
文档编号G01L5/24GK1222973SQ97195759
公开日1999年7月14日 申请日期1997年5月5日 优先权日1997年5月5日
发明者I·E·基布勒怀特, C·J·韦基奥 申请人:超快公司