一种无线无源的超声波螺栓预紧力监测装置及方法

本发明属于螺栓预紧力监测，具体涉及一种无线无源的超声波螺栓预紧力监测装置及方法。

背景技术：

1、螺栓因其拆卸简单、连接可靠、承载力高等优点而成为日常生活中最常见的连接方式。它被广泛应用于众多大型工程项目，如风力机组、新能源核反应堆、轨道交通、桥梁、船舶、航空航天等行业。在这些行业中，对螺栓预紧力监测方案都有着紧迫的需求。螺栓连接的状态直接关系着机械或建筑结构的安全性和运行效率。然而，在实际工程应用中，由于存在振动、荷载和其他因素的综合作用，螺栓可能会出现轴向松动现象，进而对结构产生重大影响，降低结构的可靠度和稳定性，形成较大的安全隐患。因此，实时监测螺栓预紧力的变化状态，定期检查和维护螺栓连接变得尤为重要。

2、螺栓预紧力是指在装配过程中对螺栓施加的初始紧固力或拉力。它是为了保证螺栓连接的紧密性和稳定性而施加的力量，使螺栓在承受负荷时能够保持紧固状态，避免松动或失效。螺栓预紧力的大小对于连接的强度和稳定性至关重要。如果预紧力过小，螺栓可能会在受到负荷时松动或产生微小的位移，从而导致连接失效。反之，如果预紧力过大，可能会导致螺栓过度拉伸或变形，甚至使连接件破裂。因此，适当的预紧力能够确保连接的可靠性和安全性。

3、目前现有监测方法的实现原理及其应用的优缺点：

4、扭矩法，通过扭矩扳手或液压扳手对螺栓施加力矩，测量扭矩值来推算预紧力。根据预先建立的扭矩-预紧力关系曲线或表格来计算预紧力值。该方法较为简单、常用、经济，不需要特殊设备。但其容易受到摩擦和润滑状态的影响，准确性有限，且仅能在初始装配时获得预紧力值，无法用于长期实时监测。

5、应变测量法，在螺栓上粘贴应变片来测量螺栓受到的应变，从而得出预紧力。该方法可实时监测预紧力，结果相对准确，但这种方法需要改变安装应变片会改变螺栓结构或其装配方式，难以用于已装配的螺栓中。

6、布拉格光栅测量法，它利用光栅原理来实时监测螺栓在受力过程中的应变，从而推算螺栓的预紧力，该方法具备实时监测、高精度的优点，但其实现成本较高，检测光谱的实现电路较为复杂，同样的将光纤布拉格光栅嵌入到螺栓中也需要改变螺栓结构。

7、超声波法，通过测量超声波在螺栓中传播的时间来计算预紧力。超声波传播时间与螺栓的伸长量相关，从而推算出预紧力，该方法具有无损非侵入检测的优点，可适用于不同尺寸不同材质的螺栓，不需要改变螺栓已有的装配方式或安装结构，但目前由于螺栓预紧力变化细微，对于高精度的超声波传播时间的测量电路相对复杂，需要配合专用的读取设备完成测量，目前尚未有基于该技术的无线监测方案。

8、综上所述，目前现有螺栓预紧力测量技术多为嵌入式的有线连接测量，需改变螺栓结构或装配方式，从而增加了可靠性风险因素，且有线连接无法满足转动等复杂工况的原位实时测量需求。此外，带电池的有源传感器则存在寿命短、成本高的问题，无法满足大批量监测应用需求。

技术实现思路

1、本发明提出一种无线无源的超声波螺栓预紧力监测方法。该方法利用螺栓的预紧力变化会改变声波的传播距离，进而造成超声波飞行时间(ultrasonic time of flightutof)变化的原理，通过设计基于超声飞行时间的无线无源预紧力传感标签和配套使用的阅读器系统，实现超声波信号的无线无源传输和高精度的飞行时间计时，完成螺栓预紧力的监测。此方法无需改变螺栓结构，具有非侵入性，可适用于已装配的各种尺寸和材质的螺栓预紧力监测。通过本发明所述的测量方法可有效保障各类机械与建筑结构的安全，减少事故发生风险，也可提高设备运行效率，降低维护成本。

2、本发明首先提供了一种无线无源的超声波螺栓预紧力监测装置，螺栓包括螺头和螺柱，所述无线无源的超声波螺栓预紧力监测装置包括基于超声飞行时间的无线无源预紧力传感标签和配套使用的阅读器系统，

3、所述无线无源预紧力传感标签用于在使用时贴附于待监测螺栓的螺头顶面，包括：

4、压电超声换能器，能够利用压电效应实现电信号和机械声波信号的相互转化，从而完成超声波信号在螺栓中的发射与接收，

5、标签耦合线圈，连接所述压电超声换能器，用于所述压电超声换能器与所述阅读器系统之间实现无线收发和能量传递；

6、所述阅读器系统包括：

7、阅读器耦合线圈，与所述标签耦合线圈进行电感耦合，用于实现超声激励信号和超声波回波信号的无线收发，

8、超声激励与回波接收模拟前端，连接所述阅读器耦合线圈，用于产生超声激励信号并进行滤波放大处理，再经阅读器耦合线圈进行无线传输至标签耦合线圈，同时对于超声波回波信号进行滤波放大和触发整形处理，完成模拟信号到数字信号的转变，从而确定超声波回波信号到达时刻特征点，

9、超声飞行时间处理模块，用于根据超声激励信号和超声波回波信号计算出超声波信号在被测螺栓中的飞行时间，根据飞行时间的长短计算获得螺栓预紧力大小。

10、优选的，所述超声飞行时间处理模块在处理时，以超声激励信号起始时刻点作为超声飞行时间的开始时间，以超声波回波信号经触发整形后确定的到达时刻特征点作为超声飞行时间的结束时间。

11、优选的，所述超声激励与回波接收模拟前端包括：

12、激励信号产生模块，用于产生超声激励信号；

13、信号放大滤波模块，用于将激励信号产生模块产生的超声激励信号进行滤波放大处理；

14、回波信号放大滤波模块，用于将超声波回波信号进行滤波放大；

15、阈值比较过零比较模块，用于对经过回波信号放大滤波模块进行滤波放大后的超声波回波信号进行阈值比较和过零比较，所述阈值比较用于定位一个稳定超声波回波信号上升沿，所述过零比较用于对阈值比较定位了稳定超声波回波信号上升沿后的超声波信号转化为方波信号。

16、优选的，所述阅读器系统还包括控制模块，用于控制超声激励与回波接收模拟前端完成超声激励信号的产生、滤波放大以及超声回波信号的滤波放大和触发整形，进而确定超声飞行时间的到达时刻特征点，从而控制超声飞行时间处理模块计算超声波飞行时间，由超声飞行时间计算获得螺栓预紧力。

17、优选的，所述阅读器系统还包括用户交互模块，包括按键模块和显示模块，所述按键模块用于实现螺栓预紧力监测过程中的参数写入和现场校准，所述显示模块用于实时数据显示。

18、优选的，所述阅读器系统还包括电源模块，用于对所述阅读器系统中的各模块进行供电。

19、优选的，所述压电超声换能器的工作频率范围为1～100mhz。

20、本发明还提供了一种无线无源的超声波螺栓预紧力监测方法，使用所述无线无源的超声波螺栓预紧力监测装置，所述无线无源的超声波螺栓预紧力监测方法包括以下步骤：

21、(1)将无线无源预紧力传感标签贴附于待监测螺栓的螺头顶面，

22、(2)检测时，启动阅读器系统，然后靠近待监测的螺栓使标签耦合线圈和阅读器耦合线圈进行电感耦合，

23、(3)由超声激励与回波接收模拟前端产生超声激励信号并进行滤波放大处理，再经阅读器耦合线圈进行无线传输至标签耦合线圈，同时对于超声波回波信号进行滤波放大和触发整形处理，从而确定超声波回波信号到达时刻特征点，

24、(4)由超声飞行时间处理模块根据超声激励信号和超声波回波信号计算出超声波信号在被测螺栓中的飞行时间，根据飞行时间的长短计算获得螺栓预紧力大小。

25、优选的，根据飞行时间的长短计算获得螺栓预紧力大小时，计算公式为：

26、

27、其中：f为螺栓的预紧力；s为螺栓的螺柱截面积；e为螺栓材质的弹性模量；l0为螺栓松弛状态下的长度；δt为螺栓预紧力在松弛与施加预紧力后的超声飞行时间变化值；v为螺栓中声波的传播速度。

28、本发明相较其他螺栓预紧力监测技术的有益效果为：一种无线无源的超声波螺栓预紧力监测方法，可实现螺栓预紧力的高精度测量，通过无线无源的压电超声传感标签和相配套的阅读器系统设计，可实时监测螺栓的状态和预紧力变化，及时掌握螺栓的工作状况；传感标签无需内置电池或外部电源，避免了电池更换或充电的问题，延长了传感器的使用寿命；无需改变螺栓的装配方式和安装结构，属于非侵入式无损检测，不会对螺栓产生任何影响，具有安装便捷无破坏性的显著优势。