一种基于端面散斑图像的螺栓轴力检测方法及装置

本发明涉及螺栓轴力测量，尤其涉及一种基于端面散斑图像的螺栓轴力检测方法及装置。

背景技术：

1、螺栓是一种便捷实用的联接部件，在工业联结领域广泛应用。螺栓的联接状态与设备或结构整体可靠性和安全性直接相关。螺栓松动前都存在螺栓预紧力下降的状态，为了预防螺栓松动，有必要检测螺栓轴向拉力。

2、常用的螺栓轴向拉力检测方法有扭矩扳手法、超声法、光测法与电测法。但上述方法存在问题如下：

3、一、扭矩扳手的各部件与螺栓之间存在摩擦力，因此导致扭矩扳手法控制精度不足；

4、二、超声法基于超声波在螺栓内部的传播速度与螺栓应力相关，通过测量声速的变化间接确定应力。但由于工业现场环境嘈杂，因此超声法易于受到环境干扰；

5、三、光测法通过将光纤光栅传感器安装在螺栓的螺杆中，检测螺栓的联接状态。但该方法成本过高，现阶段难以广泛应用于工业现场；

6、四、电测法是采用粘贴标准电阻应变片于螺栓上进行测量，将电阻应变片安装在螺栓螺杆上，测量螺栓轴向应变再算出螺栓轴力。但是该方法需要提前在螺栓上加工出盲孔，会导致改变螺栓的应力分布状态，且需要进行封装，加工难度大，成本高，无法广泛应用。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提出一种基于端面散斑图像的螺栓轴力检测方法及装置，以解决现有对螺栓轴力的测量过程有的需要与螺栓本体接触，导致会产生额外的力作用在螺栓上，有的甚至需要在螺栓上开设盲孔、粘贴传感器等，导致会改变螺栓的受力结构，降低了测量精度的问题。

2、基于上述目的，本发明提供了一种基于端面散斑图像的螺栓轴力检测方法，包括以下步骤：

3、s1、在待检测螺栓紧固前，均匀打磨待检测螺栓端面的全部区域，得到预期的散斑图像；

4、s2、在打磨后的待检测螺栓端面靠近边缘位置做标记；

5、s3、获取做好标记的待检测螺栓端面图像作为零点散斑图像，记为p0，并保存到外界终端设备中；

6、s4、紧固螺栓，并在螺栓工作一段时间后对其进行检测，每次检测都获取待检测螺栓端面散斑图像作为工作后的变形图像，这些图像记为p i；

7、s5、对获取的所有散斑图像p i进行转角矫正；

8、s6、任意选取一张转角矫正后的p i图像，并与p0图像进行图像相关分析，计算出螺栓端面的位移场与应变场；

9、s7、基于螺栓端面应变场与螺栓轴力的线性关系，计算出螺栓轴力。

10、优选的，在s1中使用砂纸按照十字交叉两方向打磨待检测螺栓端面的全部范围，以保证采集到的螺栓端面散斑图具备随机性、特征不变性及确定性。

11、优选的，在s2中，在打磨后的螺栓端面上边缘处，用防剥落油漆标记一点。

12、优选的，在s5中对散斑图像pi的转角矫正步骤为：

13、根据油漆标记的方位进行转角矫正，使得做相关分析的散斑图像p0与散斑图像pi两幅图像方位一致，以油漆标记重合为准。

14、优选的，在s6中采用的图像相关分析为数字图像相关法，通过数字图像相关法以p0为参考，对p i进行分析获得位移场，通过位移场计算出螺栓端面的应变场。

15、优选的，在s7中计算出螺栓轴力的具体步骤如下：

16、s71、根据当前采集的散斑图像pi与零点散斑图像p0进行图像相关分析，得到螺栓端面应变场；

17、s72、若螺杆直径为d，则计算螺栓端面距离中心处d/4位置环线的径向应变平均值，该值与螺栓轴力线性相关，可通过拉力试验找出螺栓轴力与端面特定中心距平均应变之间的映射关系。

18、一种基于端面散斑图像的螺栓轴力检测装置，包括传感器筒体，所述传感器筒体内设置有成像装置和补光装置，所述成像装置的成像范围覆盖整个待检测螺栓端面，对于同一个螺栓，每次采集图像的成像参数完全一致，所述成像装置在采集图像时补光装置处于打光状态，所述补光装置和成像装置电性连接有图像分析采集终端，所述图像分析采集终端基于数字图像相关分析法对成像装置采集到的图像进行分析处理。

19、优选的，成像装置为可调微距摄像机，所述补光装置为补光灯，所述传感器筒体上还安装有用于为补光灯和微距摄像机提供电能的可充电移动电源模块。

20、本发明的有益效果如下：

21、一、本发明结构紧凑、合理，操作方便，将常用于测量距离的数字图像分析法，应用在小型零件如螺栓的轴力检测上，期间通过两次转换运算，可以得到高精度的轴力测量结果。

22、二、本发明尤其适用于螺栓、销钉这样小型的、带有轴向受力位置的零件测力，数字图像相关法通过拍摄散斑图像获取零点图像和工作后的图像进行对比分析，不受外界环境中噪声振动以及光环境因素干扰，设置在传感器筒体内的补光装置能够确保拍摄过程光线充足、图像清晰。

23、三、在测量过程中，不需要与螺栓本体接触，不会产生额外的力作用在螺栓上；也不需要在小型零件上开设盲孔、粘贴传感器，不会改变螺栓的受力结构，由于螺栓体积小、数量多，因此省去对螺栓这一类零件的额外操作能够明显提高操作效率、降低操作难度。

技术特征：

1.一种基于端面散斑图像的螺栓轴力检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于端面散斑图像的螺栓轴力检测方法，其特征在于，在s1中使用砂纸按照十字交叉两方向打磨待检测螺栓端面的全部范围，以保证采集到的螺栓端面散斑图具备随机性、特征不变性及确定性。

3.根据权利要求1所述的一种基于端面散斑图像的螺栓轴力检测方法，其特征在于，在s2中，在打磨后的螺栓端面上边缘处，用防剥落油漆标记一点。

4.根据权利要求3所述的一种基于端面散斑图像的螺栓轴力检测方法，其特征在于，在s5中对散斑图像pi的转角矫正步骤为：

5.根据权利要求1所述的一种基于端面散斑图像的螺栓轴力检测方法，其特征在于，在s6中采用的图像相关分析为数字图像相关法，通过数字图像相关法以p0为参考，对pi进行分析获得位移场，通过位移场计算出螺栓端面的应变场。

6.根据权利要求1所述的一种基于端面散斑图像的螺栓轴力检测方法，其特征在于，在s7中计算出螺栓轴力的具体步骤如下：

7.一种基于端面散斑图像的螺栓轴力检测装置，其特征在于，包括传感器筒体(4)，所述传感器筒体(4)内设置有成像装置和补光装置，所述成像装置的成像范围覆盖整个待检测螺栓端面，对于同一个螺栓，每次采集图像的成像参数完全一致，所述成像装置在采集图像时补光装置处于打光状态，所述补光装置和成像装置电性连接有图像分析采集终端，所述图像分析采集终端基于数字图像相关分析法对成像装置采集到的图像进行分析处理。

8.根据权利要求7所述的一种基于端面散斑图像的螺栓轴力检测装置，其特征在于，所述成像装置为可调微距摄像机(2)，所述补光装置为补光灯(3)，所述传感器筒体(4)上还安装有用于为补光灯(3)和微距摄像机(2)提供电能的可充电移动电源模块(1)。

技术总结
本发明涉及螺栓轴力测量技术领域，具体涉及一种基于端面散斑图像的螺栓轴力检测方法及装置，该检测方法包括：S1、对螺栓紧固前，均匀打磨待检测螺栓端面，S2、对打磨后的螺栓端面做标记，S3、获取做好标记的螺栓端面图像，记为P0，S4、在螺栓工作一段时间后，获取螺栓端面散斑图像，记为Pi，S5、对获取的所有图像进行转角矫正，S6、选取转角矫正后的Pi图像，并与P0图像进行图像相关分析，计算出螺栓端面的位移场与应变场，S7、基于螺栓端面应变场与螺栓轴力的线性关系，计算出螺栓轴力。通过对检测方法的改进，将用于测量距离的图像分析法，应用在螺栓的轴力检测上，期间通过两次转换运算，提高了对螺栓轴力测量的结果。

技术研发人员：朱爱玺
受保护的技术使用者：江苏信息职业技术学院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15