一种基于压电超声晶片的螺栓预紧力实时高精度检测方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于压电超声晶片的螺栓预紧力实时高精度检测方法及系统。采用压电超声晶片作为超声激励源粘贴于螺栓头部，利用超声波单波飞行时间差随应力值变化规律，建立起超声波飞行时间差与螺栓预紧力之间的高精度拟合关系；从而利用该数学关系式，实现螺栓预紧力的实时检测。本发明专利技术与以往用超声探头的方法相比，消除了耦合剂厚度不确定性所带来的误差，利用单波飞行时间差的方式，进一步提高了测量精度。同时以较低的成本以及在不影响结构性能的情况下，实现螺栓预紧力的低误差率测量。

A real-time and high-precision detection method and system for bolt preload based on piezoelectric ultrasonic wafer

The invention discloses a real-time and high-precision detection method and system for bolt preload based on piezoelectric ultrasonic wafer. The piezoelectric ultrasonic chip is used as the ultrasonic excitation source to stick to the bolt head, and the high precision fitting relationship between the ultrasonic flight time difference and the bolt pre-tightening force is established by using the variation law of the ultrasonic single-wave flight time difference with the stress value. Compared with the previous ultrasonic probe method, the invention eliminates the error caused by the thickness uncertainty of the coupling agent, and further improves the measurement accuracy by using the single wave flight time difference method. At the same time, the low error rate measurement of bolt pre-tightening force is realized at a lower cost and without affecting the structural performance.

【技术实现步骤摘要】
一种基于压电超声晶片的螺栓预紧力实时高精度检测方法及系统
本专利技术属于预紧力检测
，具体的为一种基于压电超声晶片的螺栓预紧力实时高精度检测方法及系统。
技术介绍
螺栓作为常用的连接件，在工程中应用十分广泛。施加于其上的轴向预紧力对它的性能、寿命都有很大的影响。预紧力过小会造成连接的不可靠，工作时产生振动松弛、泄露、结构滑移等现象，从而影响机器的正常工作；预紧力过大则会增加螺栓的结构尺寸，导致螺栓在载荷作用下极易断裂，从而削弱该节点的承载力，严重时可能诱发结构失稳。螺栓内部的应力测量可以预防事故的发生，保证螺栓受力均匀，优化螺栓在几何尺寸和质量等方面的设计。因此，科学准确地测量预紧力大小的研究越来越得到人们的重视。目前，螺栓预紧力的检测方法主要有扭矩扳手法、固定应变片法、压力传感器法、超声检测法。扭矩扳手法虽然简单易用，但是由于螺纹摩擦以及端面摩擦的分散性，导致测量误差一般在40％以上；固定应变片法通过在螺栓侧壁上粘贴应变片进行测量，但是其测量值仅为螺栓侧壁应力情况，并且其在装配上，存在很大的限制；压力传感器法虽然测量精度高，但是破坏了工件的整体性和完整性，有时还因几何空间的限本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于压电超声晶片的螺栓预紧力实时高精度检测系统，其特征在于，所述的基于压电超声晶片的螺栓预紧力实时高精度检测系统包括PC端(1)、FPGA模块(2)、采集模块(3)、放大器(4)、K型热电偶温度传感器(5)、超声收发器(6)、示波器(7)、压电超声晶片(8)、上连接板(9)、压力传感器(10)、贴有晶片的螺栓(11)和下连接板(12)；压力传感器(10)位于上连接板(9)和下连接板(12)之间，螺栓依次插入至其中，螺栓头部中央贴有压电超声晶片(8)；压电超声晶片(8)与超声收发器(6)连接，超声收发器(6)和示波器(7)连接，示波器(7)与PC端(1)进行数据传输；压力传感器(10)上...

【技术特征摘要】
1.一种基于压电超声晶片的螺栓预紧力实时高精度检测系统，其特征在于，所述的基于压电超声晶片的螺栓预紧力实时高精度检测系统包括PC端(1)、FPGA模块(2)、采集模块(3)、放大器(4)、K型热电偶温度传感器(5)、超声收发器(6)、示波器(7)、压电超声晶片(8)、上连接板(9)、压力传感器(10)、贴有晶片的螺栓(11)和下连接板(12)；压力传感器(10)位于上连接板(9)和下连接板(12)之间，螺栓依次插入至其中，螺栓头部中央贴有压电超声晶片(8)；压电超声晶片(8)与超声收发器(6)连接，超声收发器(6)和示波器(7)连接，示波器(7)与PC端(1)进行数据传输；压力传感器(10)上放置K型热电偶温度传感器(5)，其输出信号经过放大器(4)进行信号放大，同时利用采集模块(3)对K型热电偶温度传感器(5)以及压力传感器(10)进行信号采集，将采集模块(3)采集后的信号传输到FPGA模块(2)，FPGA模块(2)通过串口通信将采集的信号传输到PC端(1)。2.一种基于压电超声晶片的螺栓预紧力实时高精度检测方法，其特征在于，步骤如下：(1)基于单波飞行时间差的预紧力测试模型建立：通过检测飞行时间差即第一次反射波的第一个波与第二次反射波的第一个波之间的时间差，来表征预紧力的服役情况，通过理论推导出其关系模型如下：其中，F为预紧力，V0为初始超声声速，AL为超声应力系数，E为材料弹性模量，Se为螺栓横截面积，Le为螺栓有效加紧长度，αt为纵波声速随温度变化的系数，β为材料膨胀系数，ΔT为温度的改变量，Δt为超声单波飞行时间差；由上式看出预紧力大小与超声波的飞行时间差存在近似线性的关系，利用直线拟合的方式即在无须测量材料属性的情况下，进行预紧力的检测；(2)单波飞行时间差与螺栓预紧力关系拟合步骤：1)确保在此关系建立过...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙清超，袁博，孙伟，丁杰城，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21