一种螺栓轴力检测装置、校准设备、校准方法及检测方法

1.本发明涉及工程元件监测技术领域，尤其是涉及一种螺栓轴力检测装置、校准设备、校准方法及检测方法。


背景技术：

2.高风塔是未来的发展的必然趋势，风塔有望达到150米到250米的高度。
3.然而，高风塔也对塔筒结构的强度提出了新的挑战，特别是塔筒法兰盘的螺栓连接稳定性严重影响着风电塔筒的使用寿命。传统的风机一般包含6个以上的法兰连接面，每个法兰盘都需要100多根高强螺栓进行连接。作业时风机自身所承受了巨大的风压和自身的振动时刻影响着连接螺栓的稳定性，严重时会影响螺栓的轴力分配，导致螺栓偏心受拉直至断裂。因此，在役螺栓的轴力检测关乎到风电塔筒的安全和可靠。
4.目前常见的螺栓轴力检测手段包括电阻应变片法、压电阻抗法以及超声检测法。前两种方法对传感器的安装位置有诸多限制，适用性较低，而超声检测法是目前应用最为广泛的螺栓轴力检测方法。超声检测法本质上是通过声弹效应捕捉由介质内部应力改变引起的介质晶格密度变化，从而反映出声部在介质内的波速变化。声波的波速捕捉一般通过声波在介质中的声程与渡越时间之比计算得出。
5.然而，螺栓在受力过程中，内部晶格密度分布并不一致，这就导致内部的波速存在差异，而传统的超声检测法仅能通过计算螺栓的平均波速去推算螺栓的轴向应力，无法准确获取螺栓内部的轴力分布特征，导致无法得知单根螺栓的准确受力状态，更无法判断螺栓是否属于偏心受压的状态。由此可见，目前的超声检测法在某些情况下无法准确判断螺栓的内部轴力分布以及其真实的受力状态。
6.有鉴于此，特提出本发明。


技术实现要素：

7.本发明的第一个方面在于提供一种螺栓轴力检测装置，所述检测装置包括：
8.第一检测部件，用于布置于螺栓的第一端头，
9.第二检测部件，用于布置于螺栓的第二端头，
10.所述第一检测部件内嵌多个阵列排布的第一探头，所述第一探头抵触所述螺栓的第一端头，多个所述第一探头依次周期发射检测信号；
11.所述第二检测部件内嵌多个阵列排布的第二探头，所述第二探头抵触所述螺栓的第二端头，多个所述第二探头同时接收每一个所述第一探头发射的检测信号。
12.在一个较佳的实施例中，所述检测信号为声波/超声波信号；
13.所述第一探头之间的距离大于声波/超声波的波长的2倍；所述第二探头之间的距离大于声波/超声波的波长的2倍。
14.在一个较佳的实施例中，所述第一检测部件与第二检测部件串接至控制器，
15.所述控制器控制所述第一检测部件发射检测信号，并接收所述第二检测部件返回
的检测信号。
16.在一个较佳的实施例中，所述第一检测部件内填充第一填充体，所述第一填充体使所述第一探头间隔阵列；
17.所述第二检测部件内填充第二填充体，所述第二填充体使所述第二探头间隔阵列。
18.在一个较佳的实施例中，所述第一探头的头部露出所述第一填充体，并设置第一球形保护头；
19.所述第二探头的头部露出所述第二填充体，并设置第二球形保护头。
20.在一个较佳的实施例中，所述第一探头的尾部嵌入所述第一填充体，并连接第一绝缘弹簧，
21.所述第二探头的尾部嵌入所述第二填充体，并连接第二绝缘弹簧。
22.本发明的第二个方面在于提供一种螺栓轴力校准设备，所述校准设备包括：
23.夹持装置，用于夹持螺栓，并对螺栓进行拉伸/挤压；
24.以及，螺栓轴力检测装置。
25.本发明的第三个方面在于提供一种螺栓轴力的校准方法，所述方法包括如下方法步骤：
26.控制器接收检测信号，其中，所述检测信号为第二检测部件接收的第一检测部件发射的检测信号；
27.其中，第一检测部件布置于螺栓的第一端头，第二检测部件布置于螺栓的第二端头；
28.其中，所述第一检测部件内嵌多个阵列排布的第一探头，所述第一探头抵触所述螺栓的第一端头，多个所述第一探头依次周期发射检测信号；
29.所述第二检测部件内嵌多个阵列排布的第二探头，所述第二探头抵触所述螺栓的第二端头，多个所述第二探头同时接收每一个所述第一探头发射的检测信号；
30.所述控制器通过接收到的检测信号，对螺栓轴力校准。
31.在一个较佳的实施例中，所述检测信号为声波/超声波信号。
32.在一个较佳的实施例中，所述方法包括：
33.控制器获取检测信号；
34.计算检测信号在各个通路的纵波波速；
35.利用检测信号在各个通路的纵波波速，计算螺栓在各个通路上的密度；
36.计算整个螺栓的密度分布，并拟合螺栓轴向应力与整个螺栓的密度分布的非线性关系；
37.将螺栓轴向应力与密度分布的非线性关系的曲线定点，与螺栓夹紧长度进行线性拟合，对螺栓轴力校准。
38.在一个较佳的实施例中，用于计算螺栓在各个通路上的密度的纵波波速为：
39.在一个周期内，第一检测部件的第一探头依次发射检测信号，第二检测部件的所有第二探头同时接收每一个第一探头发射检测信号；
40.计算检测信号在各个通路的纵波波速。
41.在一个较佳的实施例中，用于计算螺栓在各个通路上的密度的纵波波速为：
42.在一段时间内，多个周期内各个通路的所述纵波波速的平均值。
43.在一个较佳的实施例中，螺栓在各个通路上的密度通过如下方式表述：
[0044][0045]
其中，ρ
ij
是螺栓在各个通路l
ij
上的密度，e是弹性模量，μ是泊松比，v
ij
是检测信号在各个通路的纵波波速。
[0046]
在一个较佳的实施例中，整个螺栓的密度分布通过三维双线性插值计算。
[0047]
在一个较佳的实施例中，螺栓轴向应力与密度分布的非线性关系通过如下方式表述：
[0048][0049]
其中，σ是螺栓轴向应力，ρ
x,y,z
是整个螺栓的密度分布，a、b、c是未知参数。
[0050]
在一个较佳的实施例中，通过如下方式将螺栓轴向应力与密度分布的非线性关系的曲线定点，与螺栓夹紧长度进行线性拟合：
[0051][0052]
其中，是螺栓轴向应力与密度分布的非线性关系的曲线定点，l是螺栓的夹紧长度，α、β是未知参数。
[0053]
本发明的第四个方面在于提供一种螺栓轴力检测方法，所述方法包括：
[0054]
依据螺栓轴力校准方法，对螺栓轴力校准；
[0055]
将螺栓轴向应力检测装置布置于，与校准的螺栓同型号的在役螺栓上，对在役螺栓进行轴力检测。
[0056]
本发明提供的一种螺栓轴力检测装置，在第一检测部件内阵列第一探头，在第二检测部件内阵列第二探头，多个第一探头依次周期发射检测信号，多个第二探头同时接收每一个所述第一探头发射的检测信号，从而准确获取声波纵波，进一步保证了螺栓密度分布计算的准确性。
[0057]
本发明提供的一种螺栓轴力检测装置，在第一检测部件和第二检测部件内部嵌入阵列的探头，并且在探头的头部设置橡胶球形保护头，探头可直接与被测物体接触，无须耦合剂，实现声波/超声波探头前端与被测物体表面的近似点接触。
[0058]
本发明提供的一种螺栓轴力检测装置，第一检测部件和第二检测部件内阵列的探头间距合理，与声波的长度相近，接触面近似点接触，在没有耦合剂的情况下也可保证信号传递连接度，不会因耦合剂溢漏造成信号丢失的情况。
[0059]
本发明提供的一种螺栓轴力检测装置，第一检测部件和第二检测部件内嵌入环氧树脂充填体，探头一端嵌入到环氧树脂充填体内，并连接的连接绝缘弹簧，可更好贴合多种曲率物体表面，对被测物体表面的平整度无要求。
[0060]
本发明提供的一种螺栓轴力检测装置，集成了超声波发射、接收及声发射波形接收的功能，且超声探头接触面极小，工作时无需耦合剂，可直接与被测材料相接触，对被测物体表面平整度无要求，适用于不同型号螺栓。
[0061]
本发明提供的一种螺栓轴力检测装置，不受螺栓长度影响，尤其适合风机塔筒法兰盘螺栓的轴向应力检测，仅需一次校准工作就可以实现对所有同型号螺栓的密度及轴力检测，有效节约成本，使用范围广泛。
[0062]
本发明提供的一种螺栓轴力校准方法及检测方法，实现了风电塔筒在役螺栓的轴力分布和密度检测，并通过构造轴力分布与密度的非线性关系，利用超声波波速与螺栓介质晶格密度的关系，实现直接对在役螺栓的损伤程度及受力情况判别。
[0063]
本发明提供的一种螺栓轴力校准方法及检测方法，利用超声波在不同密度介质中的传输速度差异，推演螺栓在不同轴向应力下的密度分布，进而构建螺栓轴向应力与其密度分布的非线性拟合关系，实现对不同夹紧长度螺栓的密度分布和轴向应力检测。
[0064]
本发明提供的一种螺栓轴力校准方法及检测方法，利用超声波在介质中的传播速度主要受到材料的密度、泊松比和弹性模量影响的原理，基于弹性振动的平衡方程，推导出超声波纵波与介质密度之间的关系式，并利用三维空间双线性插值算法推演螺栓的全局密度分布，适用于任何均质或类均质物体的密度检测，尤其适用于螺栓等小体积均质金属材料的密度检测。
[0065]
本发明提供的一种螺栓轴力校准方法及检测方法，螺栓内部的轴向应力与其密度分布的密切相关，由于螺栓受力不均导致的材料本身晶格差异，反映在密度在空间上的细微差别。本发明能够精准区分螺栓由于内部应力分布不均导致的材料晶格密度差异，从而可对螺栓等小体积均质金属材料的密度检测，以及螺栓的轴向应力分布进行推算，进而实现对螺栓轴向应力的实时检测。
[0066]
本发明提供的一种螺栓轴力检测装置、校准设备、校准方法及检测方法，可操作性强、可重复性高，仅需一次前期轴力校准即可应对不同夹紧长度螺栓的轴向应力检测。
附图说明
[0067]
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0068]
图1示意性示出了本发明一个实施例中螺栓轴力检测装置的结构示意图。
[0069]
图2示出了本发明一个实施例中第一检测部件的内部结构示意图。
[0070]
图3示出了本发明一个实施例中第一检测部件底部结构示意图。
[0071]
图4示出了本发明一个实施例中第二检测部件的内部结构示意图。
[0072]
图5示出了本发明一个实施例中第二检测部件底部结构示意图。
[0073]
图6示出了本发明一个实施例中螺栓轴力检测装置信号在螺栓内部传输的示意图。
[0074]
图7示出了本发明一个实施例中螺栓轴力校准设备的结构示意图。
[0075]
图8示出了本发明一个实施例中螺栓轴力校准方法的流程框图。
[0076]
图9示出了本发明一个实施例中螺栓轴力检测方法的流程框图。
具体实施方式
[0077]
为了使本发明的上述以及其他特征和优点更加清楚，下面结合附图进一步描述本发明。应当理解，本文给出的具体实施例是出于向本领域技术人员解释的目的，仅是示例性的，而非限制性的。
[0078]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量，因此不能理解为对本发明的限制。
[0079]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0080]
为了解决现有技术对在役螺栓，无法准确获取螺栓内部的轴力分布特征，导致无法得知单根螺栓的准确受力状态，更无法判断螺栓是否属于偏心受压的状态的技术问题。本发明提供一种螺栓轴力检测装置以及校准这边，通过校准设备对与在役螺栓相同信号的螺栓进行校准，校准后通过检测装置对在役螺栓进行轴向应力检测。
[0081]
如图1所示本发明一个实施例中螺栓轴力检测装置的结构示意图，根据本发明的实施例，一种螺栓轴力检测装置包括：
[0082]
第一检测部件2，用于布置于螺栓4的第一端头，发射检测信号。第二检测部件3，用于布置于螺栓4的第二端头，接收检测信号。
[0083]
在一些优选的实施例中，需要对螺栓轴向应力进行校准或者检测时，螺栓4的第一端头为螺栓的螺帽一侧，螺栓4的第二端头为螺栓拧入螺帽的螺杆一侧。
[0084]
根据本发明的实施例螺栓轴力检测装置，还包括控制器1，第一检测部件2与第二检测部件3串接至控制器1。控制器1向第一检测部件2发送控制指令，控制第一检测部件2发射检测信号，并接收第二检测部件3返回的检测信号。
[0085]
控制器1通过信号输出线103连接至第一检测部件2，控制器1通过信号输入线104连接至第二检测部件3，接收第二检测部件3返回的检测信号。
[0086]
控制器1具有显示面板101，用于显示螺栓的轴向应力分布，输入键盘102，用于输入相关参数。
[0087]
应当理解，控制器1还包括存储单元，信号转换单元，以及数据处理器。存储单元用于存储接收到的第二检测单元3返回的检测信号，以及计算得到的螺栓密度分布数据和螺栓校准得到的参数数据。
[0088]
信号转换单元，用于将返回的声波/超声波检测信号转换为数字信号。
[0089]
数据处理器对返回的检测信号进行处理，输出螺栓校准参数，以及输出螺栓轴向应力分布，并显示在显示面板101。
[0090]
如图2所示发明一个实施例中第一检测部件的内部结构示意图，图3所示本发明一个实施例中第一检测部件底部结构示意图。第一检测部件2通过信号输出线103连接控制器1，接收控制器1输出的检测信号。
[0091]
第一检测部件2内嵌多个阵列排布的第一探头201，第一探头201抵触螺栓4的第一端头，多个第一探头201依次周期发射检测信号。
[0092]
第一探头201通过第一连接线202与信号输出线103连接。第一检测部件2内填充第一填充体203，第一填充体203使第一探头201间隔阵列。第一探头201的头部露出第一填充体203，并设置第一球形保护头205。第一探头201的尾部嵌入第一填充体203，并连接第一绝缘弹簧204。
[0093]
在一些优选的实施例中，检测信号为声波/超声波信号，第一探头201以多层同心圆的方式阵列排布，第一探头201之间的距离大于声波/超声波的波长的2倍。
[0094]
如图4所示本发明一个实施例中第二检测部件的内部结构示意图，图5所示本发明一个实施例中第二检测部件底部结构示意图。第二检测部件3通过信号输入线104连接控制器1，向控制器1输入的检测信号。
[0095]
第二检测部件3内嵌多个阵列排布的第二探头301，第二探头301抵触螺栓的第二端头，多个第二探头301同时接收每一个第一探头201发射的检测信号。
[0096]
第二探头301通过第二连接线302与信号输入线104连接。第二检测部件3内填充第二填充体303，第二填充体303使第二探头301间隔阵列。第二探头301的头部露出第二填充体303，并设置第二球形保护头305。第二探头301的尾部嵌入第二填充体303，并连接第二绝缘弹簧304。
[0097]
在一些优选的实施例中，检测信号为声波/超声波信号，第二探头301以多层同心圆的方式阵列排布，第二探头301之间的距离大于声波/超声波的波长的2倍。
[0098]
根据本发明的实施例，第一探头201和第二探头202均选用pzt压电陶瓷微型探头，第一探头201和第二探头301呈柱状结构。在一些优选的实施了中，第一探头201和第二探头301的直径在0.3cm～1cm之间。第一球形保护头205和第二球形保护头305均选用橡胶球形保护头，第一填充体203和第二填充体303均选用环氧树脂填充体。
[0099]
本发明第一探头201和第二探头301由环氧树脂充填体包裹，作为探头间声波信号的缓冲吸波材料，减少探头间的声波干扰。
[0100]
第二探头301接收信号(声波/超声波)时，压电陶瓷探头可根据其在机械应力作用下引起内部正负电荷中心相对位移而发生极化效应，导致材料两端表面出现符号相反的束缚电荷，使机械能转化为电能，从而感应弹性波的变化。本发明可根据该特点精准捕捉弹性波的到达时间。
[0101]
第一探头201发射信号(声波/超声波)时，其连接的控制器1通过电信号驱动振元，将电能转化为探头机械能，产生逆压电效应。
[0102]
应当理解，在一些实施例中，通过功能设置，第一探头201可作为信号接收器，也可作为信号发射器。第二探头301可作为信号接收器，也可作为信号发射器。
[0103]
如图6所示本发明一个实施例中螺栓轴力检测装置信号在螺栓内部传输的示意
图，在螺栓轴力校准或者检测时，将第一检测装置2布置在螺栓4的第一端头，第二检测部件3布置在螺栓4的第二端头。
[0104]
第一检测部件2内嵌的多个第一探头201依次周期发射检测信号，第二检测部件3内嵌的多个第二探头301同时接收每一个第一探头201发射的检测信号。例如第一检测部件2内嵌n个第一探头201，第二检测部件3内嵌n个第二探头，第一检测部件2内的n个第一探头201依次发射检测信号，第二检测部件3内的n个第二探头301同时接收第一探头发射的检测信号。当第一检测部件2内的n的第一探头全部发射一次检测信号后，完成一个周期。通过采集信号通路401的声波波速对螺栓轴向应力进行校准或者检测(在下文中详细说明)。
[0105]
在一些优选的实施例中，在一段时间内，第一检测部件2多个周期发射检测信号，即每一个第一探头201发射多次检测信号。
[0106]
如图7所述本发明一个实施例中螺栓轴力校准设备的结构示意图，根据本发明的实施例，提供一种螺栓轴力校准设备包括：
[0107]
机架5，机架5上部止可上下移动(图7中的箭头a)的运动部件8。第一夹持装置6和第二夹持装置7，用于夹持螺栓4。运动部件8与第一夹持装置6固定，带动第一夹持装置6上下运动，对螺栓4进行拉伸/挤压，调整螺丝轴向应力。
[0108]
根据本发明的实施例，一种螺栓轴力校准设备还包括螺栓轴力检测装置，轴力检测装置具有第一检测部件2、第二检测部件3和控制器1。螺栓轴力检测装置已在上文阐述，这里不再赘述。
[0109]
如图8所示本发明一个实施例中螺栓轴力校准方法的流程框图，根据本发明提供的一种螺栓轴力的校准方法，包括如下方法步骤：
[0110]
步骤s101、将螺栓夹持在螺栓轴力校准设备上。如图7所示，将螺栓固定于第一夹持装置6和第二夹持装置7之间。
[0111]
步骤s102、调节螺栓的夹紧长度。
[0112]
通过调整拧入螺栓的螺母的位置，调节螺栓的夹紧长度。
[0113]
步骤s103、调节螺栓受到的轴向应力。
[0114]
在步骤s102和步骤103中，通过运动部件8上下运动带动第一夹持装置6上下运动，对螺栓4进行拉伸/挤压，调整螺丝轴向应力。
[0115]
步骤s104、螺栓两端布置螺栓轴力检测装置。
[0116]
将第一检测部件2以抵触的方式布置于螺栓4的第一端头，第二检测部件3以抵触的方式布置于螺栓4的第二端头。
[0117]
步骤s105、获取检测信号。
[0118]
控制器1接收检测信号，其中，检测信号为第二检测部件3接收的第一检测部件2发射的检测信号。
[0119]
其中，第一检测部件2内嵌的多个阵列排布的第一探头201，依次周期发射检测信号。
[0120]
第二检测部件3内嵌的多个阵列排布的第二探头301，同时接收每一个所述第一探头发射的检测信号。
[0121]
步骤s106、计算检测信号在各个通路的纵波波速。
[0122]
根据本发明实施例，检测信号为声波/超声波信号。控制器1接收到检测信号后转
换为数字信号。
[0123]
在一些实施例中，用于计算螺栓在各个通路上的密度的纵波波速为：在一个周期内，第一检测部件2的每一个第一探头fi依次发射检测信号，第二检测部件3的所有第二探头∑si同时接收每一个第一探头发射检测信号。
[0124]
控制器采集一个周期的检测信号，计算检测信号在各个通路l
ij
的纵波波速v
ij
，其中，i为第一探头的编号，j为第二探头的编号。
[0125]
在一些优选的实施例中，用于计算螺栓在各个通路上的密度的纵波波速为：控制器采集在一段时间内，多个周期内各个通路的所述纵波波速的平均值。
[0126]
第一检测部件2的每一个中第一探头fi持续不断的周期性的发射声波信号，第二检测部件3的所有第二探头∑si同时接收每一个第一探头发射检测信号，计算在每个周期内各声波通路l
ij
的声波纵波波速v
ij
，并计算在一段时间内多个周期所计算的波速的均值
[0127]
进一步地，在多个周期所计算的波速的均值时，剔除最大值和最小值以减少异端值的干扰，保证各通路l
ij
上波速v
ij
的准确性。
[0128]
步骤s107、计算螺栓在各个通路的密度。
[0129]
根据本发明的实施例，利用检测信号在各个通路的纵波波速，计算螺栓在各个通路上的密度。
[0130]
螺栓在各个通路上的密度通过如下方式表述：
[0131][0132]
其中，ρ
ij
是螺栓在各个通路l
ij
上的密度，e是弹性模量，μ是泊松比，v
ij
是检测信号在各个通路的纵波波速。
[0133]
实施例中以超声波为例，超声波是一种频率大于20khz的弹性波，其在均质介质中的传播速度主要取决于材料的密度、泊松比和弹性模量。如图6所示，本发明的第一探头201和第二探头301的尺寸远小于螺栓4的直径，在螺栓中声波传输的过程可看作是弹性波在无限介质中传输过程。
[0134]
在无限弹性介质中，振动质点的位移u沿着z轴(竖向轴)移动，与x和y轴的位移无关，即υ＝ω＝0。
[0135]
因此，声波在无限介质中的弹性振动平衡方程可写作：
[0136][0137]
上式中，λ和γ分别为第一和第二拉梅常数，x、y和z分别为体力，为拉普拉斯算子，ρ为传播介质的密度。当假设体力为零时，上述方程组仅有第一式不为零，即：
[0138][0139]
求解得到z轴方向的速度为：
[0140][0141]
将以及带入上式得到：
[0142][0143]
对上式两边平方得到螺栓在各个通路l
ij
上的密度ρ
ij
表达式：
[0144][0145]
步骤s108、计算计算整个螺栓的密度分布。
[0146]
根据本发明的实施例，整个螺栓的密度分布通过三维双线性插值计算，三维双线性插值计算公式为：
[0147][0148]
步骤s109、拟合螺栓轴向应力与整个螺栓的密度分布的非线性关系。
[0149]
根据本发明的实施例，螺栓轴向应力与密度分布的非线性关系通过如下方式表述：
[0150][0151]
其中，σ是螺栓轴向应力，ρ
x,y,z
是整个螺栓的密度分布，a、b、c是未知参数。
[0152]
在拟合好上述螺栓轴向应力与密度分布的非线性关系后，返回步骤s102重新调整螺丝的夹紧长度，并在步骤s103中重新调整轴向应力，获取多组螺栓轴向应力σ和整个螺栓的密度分布ρ
x,y,z
，利用螺栓轴向应力与密度分布的非线性关系，求得未知参数a，b和c。
[0153]
步骤s110、螺栓轴向应力与密度分布的非线性关系的曲线定点，与螺栓夹紧长度进行线性拟合，对螺栓轴力校准。
[0154]
根据本发明的实施例，在步骤s109中得到了螺栓轴向应力与密度分布的非线性关系，利用曲线定点与螺栓夹紧长度进行线性拟合，其拟合通过如下方式表述：
[0155][0156]
其中，是螺栓轴向应力与密度分布的非线性关系的曲线定点，l是螺栓的夹紧长度，α、β是未知参数。
[0157]
得到非线性拟合曲线的顶点随着螺栓夹紧长度变化的线性拟合关系后，通过调整的不同的夹紧长度，求得未知参数α、β。
[0158]
至此，完成了对螺栓的校准。
[0159]
图9示出了本发明一个实施例中螺栓轴力检测方法的流程框图，根据本发明的实施例，一种螺栓轴力检测方法包括：
[0160]
步骤s201、螺栓轴力校准设备对螺栓轴力校准。
[0161]
根据本发明的实施例，采用上述步骤s101至步骤s110的螺栓轴力校准方法，对螺栓轴力校准。
[0162]
步骤s202、螺栓轴力检测装置布置于在役螺栓上。
[0163]
将本发明提供的螺栓轴力检测装置布置于在役螺栓上，例如风电塔筒法兰盘上的螺栓两端布置本发明提供的轴力检测装置。控制器向第一检测部件2发送指令，第一检测部件2发射检测信号，第二检测部件3接收检测信号，并返回至控制器。
[0164]
需要说明的是，螺栓轴向应力检测装置布置于与校准的螺栓同型号的在役螺栓上。
[0165]
在役螺栓应当与校准的螺栓属于同型号的螺栓，如果在役螺栓与校准的螺栓型号不同，应当对在役螺栓的同型号螺栓进行校准。
[0166]
步骤s203、输入螺栓校准得到参数，对在役螺栓进行轴力检测。
[0167]
将采用上述步骤s101至步骤s110的螺栓轴力校准方法对螺栓轴力校准得到参数a，b和c，以及未知参数α、β，输入到控制器，对在役螺栓进行轴力检测。
[0168]
应当理解，控制器执行本发明螺栓轴力校准方法的步骤106至步骤110，可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本发明实施例中的方案可以采用各种计算机语言实现，例如，面向对象的程序设计语言java和直译式脚本语言javascript等。
[0169]
下面通过具体的实施例对本发明螺栓轴力检测过程进行说明。
[0170]
在检测在役螺栓强度前，查看在螺栓轴力-密度拟合数据库中是否有与待测螺栓同型号的数据可用，若没有，则需先利用轴力校准设备对同型号待测螺栓进行轴力校准。
[0171]
实施例一。
[0172]
本实施例中，采用本发明提供的螺栓轴力检测装置、校准设备、校准方法以及检测方法，检测一个3mw风机的塔筒法兰盘螺栓轴力分布，该塔筒每个法兰盘共有螺栓136颗，螺栓规格如表1。
[0173]
表1
[0174][0175]
当准备检测塔筒的法兰盘螺栓轴力时，发现本实施例中的法兰盘的同型号螺栓没有做过螺栓轴力校准，在螺栓轴力-密度拟合数据库中并没有与之相同的数据可用于直接测量使用。因此，须先找到同型号螺栓进行螺栓轴力校准。具体的操作步骤如下：
[0176]
1、将同型号螺栓进行编号，因本实施例的所有法兰盘螺栓夹紧长度一致，在螺栓轴力校准中不需要改变夹紧长度，因此至少需要编号30个，以满足螺栓轴力校准过程中对不同轴力的需求。
[0177]
2、从编号1开始，逐级增加螺栓的轴向应力σ，范围从0kn到螺栓设计预紧力的1.5倍，当风机塔筒螺栓使用年限大于3年，则需将范围扩大到设计预紧力的2倍。
[0178]
3、根据编号顺序，依次将螺栓放置在本发明提供的螺栓轴力校准设备上，调整好固定的夹紧长度和预设的轴向受力。
[0179]
4、将本发明提供的螺栓轴力检测装置的第一检测部件和第二检测部件布置在螺栓的两端，并紧贴被测螺栓端面。
[0180]
5、在控制器内输入螺栓的夹紧长度、拉伸轴力大小、螺栓的弹性模量和泊松比，使用控制器向第一检测部件发送指令，开始螺栓轴力校准试，控制器获取第二检测部件返回的检测信号，根据上述螺栓轴力校准方法的步骤s106至s108获取螺栓的密度分布情况。
[0181]
6、螺栓的密度分布结果实时显示在控制器的显示屏上，控制器在检测螺栓密度分布数据稳定后记录，并存储mat格式文件，为后续方便导入matlab软件处理。
[0182]
7、按照上述螺栓轴力校准方法，重复执行步骤s103调整不同轴向应力，控制器依次获取并存储不同轴向应力下的螺栓密度分布数据。
[0183]
8、将上述螺栓轴力校准数据导入matlab，利用拟合得到螺栓在特定夹紧长度下螺栓轴向应力与密度分布的非线性关系，求得未知参数a，b和c。至此完成螺栓的轴力校准工作。
[0184]
9、开始对在役螺栓进行轴力检测，将本发明提供的螺栓轴力检测装置的第一检测部件和第二检测部件布置待检测的在役螺栓的两端并紧贴被测螺栓端面。
[0185]
10、在控制器内输入参数a，b和c的值，向第一检测部件发送指令，开始螺栓轴力实时检测。
[0186]
11、螺栓轴力检测结果实时显示在控制器的显示屏上，当检测的轴力数值稳定后，控制器记录并存储相应的轴力数据和轴力云图到mat格式的文件中。
[0187]
实施例二。
[0188]
本实施案例中，采用本发明提供的采用本发明提供的螺栓轴力检测装置、校准设备、校准方法以及检测方法，检测一个2.5mw风机的塔筒法兰盘螺栓轴力分布，该塔筒每个法兰盘共有螺栓124颗，螺栓规格如表2。
[0189]
表2
[0190][0191]
当准备检测塔筒的法兰盘螺栓轴力时，发现本实施例中的法兰盘的同型号螺栓没有做过螺栓轴力校准，在螺栓轴力-密度拟合数据库中并没有与之相同的数据可用于直接测量使用。因此，须先找到同型号螺栓进行螺栓轴力校准。具体的操作步骤如下：
[0192]
1、将同型号螺栓进行编号，因本案例的法兰盘螺栓存在3种夹紧长度，在螺栓轴力校准中需要改变夹紧长度，因此至少需要编号90个，以满足螺栓轴力校准过程中对不同轴力的需求。
[0193]
2、从编号1开始，根据3种螺栓夹紧长度将校准螺栓分为3组，每组逐级增加螺栓的轴向应力σ，范围从0kn到螺栓设计预紧力的1.5倍，当风机塔筒螺栓使用年限大于3年，则需将范围扩大到设计预紧力的2倍。
[0194]
3、根据编号顺序，依次将螺栓放置在本发明提供的螺栓轴力校准设备上，调整好固定的夹紧长度和预设的轴向受力。
[0195]
4、将本发明提供的螺栓轴力检测装置的第一检测部件和第二检测部件布置在螺栓的两端，并紧贴被测螺栓端面。
[0196]
5、在控制器内输入螺栓的夹紧长度、拉伸轴力大小、螺栓的弹性模量和泊松比，使用控制器向第一检测部件发送指令，开始螺栓轴力校准试，控制器获取第二检测部件返回的检测信号，根据上述螺栓轴力校准方法的步骤s106至s108获取螺栓的密度分布情况。
[0197]
6、螺栓的密度分布结果实时显示在控制器的显示屏上，控制器在检测螺栓密度分布数据稳定后记录，并存储mat格式文件，为后续方便导入matlab软件处理。
[0198]
7、按照上述螺栓轴力校准方法，重复执行步骤s103调整不同轴向应力，控制器依次获取并存储不同轴向应力下的螺栓密度分布数据。
[0199]
8、将上述螺栓轴力校准数据导入matlab，利用拟合得到螺栓在特定夹紧长度下螺栓轴向应力与密度分布的非线性关系，求得未知参数a，b和c。
[0200]
利用螺栓轴向应力与密度分布的非线性关系的曲线定点，与螺栓夹紧长度的线性关系，求得未知参数α、β。
[0201]
至此完成螺栓的轴力校准工作。
[0202]
9、开始对在役螺栓进行轴力检测，将本发明提供的螺栓轴力检测装置的第一检测部件和第二检测部件布置待检测的在役螺栓的两端并紧贴被测螺栓端面。
[0203]
10、在控制器内输入参数a，b和c，α、β的值，向第一检测部件发送指令，开始螺栓轴力实时检测。
[0204]
11、螺栓轴力检测结果实时显示在控制器的显示屏上，当检测的轴力数值稳定后，控制器记录并存储相应的轴力数据和轴力云图到mat格式的文件中。
[0205]
实施例三。
[0206]
本实施案例中，用采用本发明提供的螺栓轴力检测装置、校准设备、校准方法以及检测方法，检测一个2.5mw风机的塔筒法兰盘螺栓轴力分布，该塔筒每个法兰盘共有螺栓126颗，螺栓规格如表3。
[0207]
表3
[0208][0209]
当准备检测塔筒的法兰盘螺栓轴力时，发现本实施例中的法兰盘的同型号螺栓之前做过螺栓轴力校准，在螺栓轴力-密度拟合数据库中有与之相同的数据可用于直接测量使用。因此，无须对同型号螺栓开展螺栓轴力校准试验。具体的操作步骤如下：
[0210]
1、开始对在役螺栓进行轴力检测，将本发明提供的螺栓轴力检测装置的第一检测部件和第二检测部件布置待检测的在役螺栓的两端并紧贴被测螺栓端面。
[0211]
2、在控制器内填入螺栓轴力-密度拟合数据库中同型号螺栓的参数a，b，c，α、β的值，向第一检测部件发送指令，开始螺栓轴力实时检测。
[0212]
3、螺栓的轴力检测结果实时显示在数字控制器的显示屏上，当检测的轴力数值稳定后，控制器记录并存储相应的轴力数据和轴力云图到mat格式的文件中。
[0213]
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。