專利名稱：螺栓軸向緊固應(yīng)力超聲波測(cè)量?jī)x的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于超聲檢測(cè)及力學(xué)測(cè)量領(lǐng)域中的一種螺栓軸向緊固應(yīng)力測(cè)量?jī)x器，適用于已緊固螺栓或?qū)嵤┚o固過程中螺栓的軸向應(yīng)力及其變化的測(cè)量。
目前用于直接測(cè)量螺栓軸向緊固應(yīng)力的方法主要有電阻應(yīng)變片方法和超聲波方法。電阻應(yīng)變片方法通過粘貼在螺栓側(cè)面應(yīng)變片的電阻變化來確定螺栓的緊固應(yīng)力，由于在工程實(shí)際中有時(shí)不容易將應(yīng)變片貼在螺栓的側(cè)面等原因，這種方法的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用受到了一定的限制。超聲波方法通過超聲波沿螺栓軸向傳播的時(shí)間及其變化來確定螺栓中的軸向緊固應(yīng)力，現(xiàn)有的超聲波螺栓軸向緊固應(yīng)力測(cè)試儀采用測(cè)縱波傳播時(shí)間與測(cè)溫度相結(jié)合確定螺栓中的軸向應(yīng)力，這需要在螺栓緊固前精密地測(cè)量縱波在螺栓中沿軸向傳播的時(shí)間，再測(cè)量螺栓緊固后縱波傳播時(shí)間的變化。對(duì)于已緊固螺栓的軸向應(yīng)測(cè)量則無能為力。
本實(shí)用新型的目的是提供一種既能在實(shí)施螺栓緊固過程中測(cè)量螺栓的軸向應(yīng)力及其變化，又能夠測(cè)量已緊固螺栓的軸向應(yīng)力，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量精度高，智能化的超聲波測(cè)量?jī)x。
本實(shí)用新型由超聲波探頭、聲時(shí)測(cè)量部分、溫度測(cè)量部分以及單片機(jī)系統(tǒng)組成。超聲波探頭是一種自發(fā)自收縱橫波合一的磁性探頭，它由一塊縱波晶片發(fā)射和接收窄脈沖的超聲縱波，一塊橫波晶片發(fā)射并接收窄脈沖的超聲橫波，探頭內(nèi)置有磁性材料，測(cè)量時(shí)牢牢吸在被測(cè)工件上。聲時(shí)測(cè)量部分包括主控振蕩器，門電路，計(jì)數(shù)時(shí)基脈沖發(fā)生器，縱波發(fā)射電路，縱波接收放大電路，縱波回波提取電路，縱波時(shí)間計(jì)數(shù)器，橫波發(fā)射電路，橫波接收放大電路，橫波回波提取電路，橫波時(shí)間計(jì)數(shù)器。溫度測(cè)量部分由熱電耦溫度傳感器，熱電耦信號(hào)放大器，A/D轉(zhuǎn)換器組成。測(cè)量時(shí)，由聲時(shí)測(cè)量部分激發(fā)超聲波探頭發(fā)射并接收縱波和橫波，接收到的回波送到聲時(shí)測(cè)量部分放大并由采用過零檢測(cè)技術(shù)的回波提取電路產(chǎn)生聲時(shí)方波，避免由于聲衰減變化而造成聲時(shí)的變化，提高了測(cè)量的精度。溫度測(cè)量在常溫附近進(jìn)行，溫度測(cè)量對(duì)溫度變化進(jìn)行補(bǔ)償，溫度補(bǔ)償范圍-50℃～200℃。單片機(jī)系統(tǒng)對(duì)測(cè)量進(jìn)行控制，測(cè)量結(jié)果在單片機(jī)系統(tǒng)中運(yùn)算處理，與儲(chǔ)存于機(jī)內(nèi)的各種材料的縱、橫波聲時(shí)與應(yīng)力、溫度的關(guān)系計(jì)算出螺栓的緊固應(yīng)力或預(yù)緊應(yīng)力，螺栓的負(fù)載力，螺栓受軸向應(yīng)力引起的伸長(zhǎng)量。
本實(shí)用新型的特點(diǎn)是1、超聲波探頭內(nèi)置有磁性材料，縱波、橫波合一的探頭，它能牢牢地吸在被測(cè)工件上，有利于探頭與被測(cè)件的穩(wěn)定耦合。
2、聯(lián)合測(cè)量超聲波縱波、橫波沿螺栓軸向的傳播時(shí)間，并附以溫度測(cè)量，這樣本實(shí)用新型能在大溫度范圍內(nèi)既可測(cè)量已緊固螺栓的軸向應(yīng)力又可測(cè)量螺栓安裝過程中的軸向預(yù)緊力。
3、可根據(jù)需要換算出螺栓的軸向負(fù)載力及因軸向應(yīng)力引起的螺栓伸長(zhǎng)量。
4、采有過零檢測(cè)的回波提取方式，避免了聲衰減的影響，較大幅度地提高了本實(shí)用新型的測(cè)量精度。


圖1、為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)原理框圖；圖2、為本實(shí)用新型超聲波探頭結(jié)構(gòu)圖；
圖3、為本實(shí)用新型超聲波探頭結(jié)構(gòu)圖；圖4、為本實(shí)用新型回波提取電路實(shí)施圖；圖5為本實(shí)用新型回波提取電路時(shí)序圖。
結(jié)合附圖詳細(xì)說明本實(shí)用新型的構(gòu)思、具體結(jié)構(gòu)及實(shí)施。
圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)原理框圖，圖2為本實(shí)用新型的工作時(shí)序。主控振蕩器1分別與縱波發(fā)射電路10、縱波回波提取電路12、縱波時(shí)間計(jì)數(shù)器13、非門3及單片機(jī)系統(tǒng)9的一端相聯(lián)，超聲波探頭4的一端與縱波發(fā)射電路10及縱波接收放大電路11相聯(lián)，超聲波探頭4的另一端與橫波發(fā)射電路5及橫波接收電路6相聯(lián)，縱波回波提取電路12的另兩端分別與縱波接收放大電路11和縱波時(shí)間計(jì)數(shù)器13的一端相聯(lián)，縱波時(shí)間計(jì)數(shù)器13的另兩端分別與計(jì)數(shù)時(shí)基脈沖發(fā)生器2及單片機(jī)系統(tǒng)9的一端相聯(lián)，非門3的另一端分別與橫波發(fā)射電路5、橫波回波提取電路7、橫波時(shí)間計(jì)數(shù)器8及單片機(jī)系統(tǒng)9的一端相聯(lián)，橫波回波提取電路7的另兩端分別與橫波接收電路6、橫波時(shí)間計(jì)數(shù)器8的一端相聯(lián)，橫波時(shí)間計(jì)數(shù)器8的另兩端分別與計(jì)數(shù)時(shí)基脈沖發(fā)生器2及單片機(jī)系統(tǒng)9的一端相聯(lián)，熱電耦溫度傳感器16與熱電耦信號(hào)放大器15、A/D轉(zhuǎn)換器14依次串聯(lián)，A/D轉(zhuǎn)換器14的另一端與單片機(jī)系統(tǒng)9的一端相聯(lián)。
本實(shí)用新型中，主控振蕩器1產(chǎn)生一振蕩頻率有輕微抖動(dòng)的方波信號(hào)，這是為了消除主控振蕩器1與計(jì)數(shù)時(shí)基脈沖發(fā)生器2兩者信號(hào)間的相關(guān)性，使得多次測(cè)量平均有意義，在縱波測(cè)量這一部分，主控振蕩器的輸出信號(hào)上升沿驅(qū)動(dòng)縱波發(fā)射電路10發(fā)生窄脈沖1(圖2a與圖2b)，使超聲波探頭4發(fā)射超聲縱波，超聲縱波在被測(cè)件中來回反射形成一系列回波(見圖2c)，回波由縱波接收放大電路11放大后送回波提取電路12，縱波回波提取電路12的輸出信號(hào)為發(fā)射超聲縱波到第一次反射縱波(回波)的某一過零點(diǎn)(圖2d)，這樣得到的縱波時(shí)間基準(zhǔn)不受聲衰減的影響，保證了結(jié)果的可靠性，計(jì)數(shù)時(shí)基脈沖發(fā)生器2產(chǎn)生的計(jì)數(shù)脈沖(圖2j)通過縱波時(shí)間計(jì)數(shù)器13在縱波時(shí)基準(zhǔn)中計(jì)數(shù)產(chǎn)生縱波時(shí)間計(jì)數(shù)信號(hào)(圖2e)，縱波時(shí)間計(jì)數(shù)信號(hào)則送單片機(jī)系統(tǒng)9，每次主控振蕩器1輸出信號(hào)上升沿使縱波回波提取電路12，縱波時(shí)間計(jì)數(shù)器13清零，并通知單片機(jī)系統(tǒng)9縱波測(cè)量開始，每次主控振蕩器1輸出信號(hào)的下降沿通過非門3使橫波回波提取電路7及橫波時(shí)間計(jì)數(shù)器8清零，通知單片機(jī)系統(tǒng)9測(cè)量開始，并驅(qū)動(dòng)橫波發(fā)射電路5發(fā)出窄脈沖(圖2f)，這一窄脈沖使超聲波探頭4發(fā)射超聲橫波，超聲橫波在被測(cè)件中來回反射形成一系列回波(圖2g)，回波信號(hào)由橫波接收放大器6放大后送橫波回波提取電路7，橫波回波提取電路7的輸出信號(hào)為發(fā)射超聲橫波到第一次反射橫波(回波)的某一過零點(diǎn)(圖2h)，同樣此橫波時(shí)間基準(zhǔn)不受聲衰減的影響，計(jì)數(shù)時(shí)基脈沖發(fā)生器2產(chǎn)生的計(jì)數(shù)脈沖(圖2j)通過橫波時(shí)間計(jì)數(shù)器8在橫波時(shí)間基準(zhǔn)中產(chǎn)生的橫波時(shí)間計(jì)數(shù)信號(hào)(圖2i)，橫波時(shí)間計(jì)數(shù)信號(hào)則送單片機(jī)系統(tǒng)9。熱電耦信號(hào)放大器15將熱電耦溫度傳感器16發(fā)出的溫度信號(hào)放大后送A/D轉(zhuǎn)換器14，A/D轉(zhuǎn)換器14則將模擬量的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送單片機(jī)系統(tǒng)9。單片機(jī)系統(tǒng)9將多次測(cè)量的縱波時(shí)間計(jì)數(shù)值、橫波時(shí)間計(jì)數(shù)值及溫度值進(jìn)行平均以提高測(cè)量精度，然后根據(jù)各種材料螺栓的縱、橫波聲速與軸向應(yīng)力、溫度關(guān)系計(jì)算得到螺栓的軸向應(yīng)力，最終結(jié)果由單片機(jī)系統(tǒng)9中的數(shù)碼顯示器顯示。
圖3為本實(shí)用新型超聲波探頭的結(jié)構(gòu)剖面圖。超聲波探頭4為一圓柱形結(jié)構(gòu)，圓柱的側(cè)面及上端為金屬外殼17，上端的中央為一插座18，它有三個(gè)插腳，圓柱的下端為一環(huán)氧樹脂薄層19，在環(huán)氧樹脂薄層19之上的中央緊貼著橫波晶片20，橫波晶片20的兩面引線分別與插座18的插腳26、插腳27相聯(lián)，插腳26則通過連線與橫波發(fā)射電路5、橫波接收放大電路6相聯(lián)，插腳27則作為接地線與整個(gè)儀器的接地端相聯(lián)，橫波晶片20之上置有一層環(huán)氧樹脂絕緣層21與縱波晶片22相粘合，縱波晶片22兩面的引線分別與插座18的插腳26與插腳27相聯(lián)，插腳26則通過聯(lián)線與縱波發(fā)射電路10、縱波接收放大電路11相聯(lián)，在橫波晶片20、縱波晶片22與金屬外殼17之間填充磁性材料23，因此在實(shí)際使用時(shí)超聲波探頭4可牢牢地吸附在被測(cè)件上，縱波晶片22上面為一塊超聲背襯材料24，它起到改善超聲波形狀的作用。
圖4為本實(shí)用新型的回波提取電路實(shí)施例，圖5為本實(shí)用新型回波提取電路的時(shí)序圖。這里說明，橫波回波提取電路7與縱波回波提取電路12的電路形式是一樣的，都采用這里所述的實(shí)施例。單穩(wěn)觸發(fā)器28的輸入來自主控振蕩器1的輸出(對(duì)橫波回波提取電路7則來自非門3的輸出)，當(dāng)主控振蕩器1信號(hào)的上升沿時(shí)，一方面激發(fā)超聲波(圖5A)，另一方面使單穩(wěn)觸發(fā)器28發(fā)生一窄脈沖(圖5B)，單穩(wěn)觸發(fā)器28的輸出接JK觸發(fā)器31的CD端，使JK觸發(fā)器31的輸出端Q為零(圖5C)，JK觸發(fā)器31的輸出端Q又接JK觸發(fā)器32的CD端，使JK觸發(fā)器32的輸出端Q置“1”，施密特門觸發(fā)器29與另一施密特門觸發(fā)器30的輸入來自接收放大器11對(duì)橫波回波提取電路7則來自橫波接收放大器6，施密特門觸發(fā)器29的輸出接JK觸發(fā)器31的CLK端，施密特觸發(fā)器30的輸出接JK觸發(fā)器32的CLK端，調(diào)節(jié)施密特觸發(fā)器29的觸發(fā)電平使超聲波首波的某個(gè)電平時(shí)(圖5A)，JK觸發(fā)器31翻轉(zhuǎn)、輸出Q恢復(fù)“1”(圖5C)，調(diào)節(jié)施密特觸發(fā)器30的觸發(fā)電平使超聲波首波后的過零點(diǎn)(圖5A)時(shí)的JK觸發(fā)器32翻轉(zhuǎn)，輸出Q為零(圖5D)，這樣JK觸發(fā)器32的Q端輸出的時(shí)間門寬度為超聲波在試樣中走過的時(shí)間加上一固定的時(shí)間量，這樣就完成了回波提取工作。
權(quán)利要求螺栓軸向緊固應(yīng)力測(cè)量?jī)x，包括超聲探頭(4)，主控振蕩器(1)，計(jì)數(shù)時(shí)基脈沖發(fā)生器(2)，非門(3)，橫波發(fā)射電路(5)，橫波接收電路(6)，橫波回波提取電路(7)，橫波時(shí)間計(jì)數(shù)器(8)，單片機(jī)系統(tǒng)(9)，縱波發(fā)射電路(10)，縱波接收放大電路(11)，縱波回波提取電路(12)，縱波時(shí)間計(jì)數(shù)器(13)，A/D轉(zhuǎn)換器(14)，熱電耦信號(hào)放大器(15)，熱電耦溫度傳感器(16)，其特征在于a、超聲探頭(4)外形為圓柱形，超聲探頭4的上端置有插座(18)，下端部為環(huán)氧樹脂薄層(19)，橫波晶片(20)和縱波晶片(22)設(shè)置在探頭(4)下部中部，橫波晶片(20)的一面與環(huán)氧樹脂(19)緊貼在一起，橫波晶片(20)與縱波晶片(22)之間置有環(huán)氧樹脂絕緣層(21)，縱波晶片(22)的上面置有一塊超聲背襯材料(24)，橫波晶片(20)的兩面引線分別和插座(18)的插腳(26)，插腳(27)連接，縱波晶片(22)的兩面引線分別和插座(18)的插腳(25)，插腳(27)連接，在橫波晶片(20)和縱波晶片(22)和殼體(17)之間填充磁性材料(23)；b；縱、橫波回波提取電路有單穩(wěn)觸發(fā)器(28)施密特門觸發(fā)器(29)，施密特門觸發(fā)器(30)，JK觸發(fā)器(31)，JK觸發(fā)器(32)構(gòu)成，其中單穩(wěn)觸發(fā)器(28)一端與主控振蕩器(1)連接，另一端與JK觸發(fā)器(31)的CD端連接，施密特門觸發(fā)器(29)的一端與施密特門觸發(fā)器(30)的一端連接，施密特門觸發(fā)器(29)的另一端與JK觸發(fā)器(31)的CLK端連接，施密特門觸發(fā)器(30)的另一端與JK觸發(fā)器(32)的CLK端連接，JK觸發(fā)器(32)的CD端與JK觸發(fā)器(31)的Q端連接。
專利摘要螺栓軸向緊固應(yīng)力超聲波測(cè)量?jī)x是一種工程檢測(cè)用的測(cè)力儀器，它由可發(fā)射并接收超聲縱、橫波的磁性換能器，縱波聲時(shí)測(cè)量部分，橫波聲時(shí)測(cè)量部分，溫度測(cè)量部分，單片機(jī)系統(tǒng)等組成。儀器中存儲(chǔ)了眾多螺栓材料的縱、橫波聲時(shí)與應(yīng)力、溫度的關(guān)系，可測(cè)量出常溫下各種已緊固的螺栓軸向應(yīng)力或安裝過程中的螺栓預(yù)緊力，并可根據(jù)需要自動(dòng)換算出螺栓的負(fù)載力或應(yīng)力引起的伸長(zhǎng)量。本實(shí)用新型具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，攜帶方便，易于操作優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01L5/24GK2226289SQ95243658
公開日1996年5月1日 申請(qǐng)日期1995年3月28日 優(yōu)先權(quán)日1995年3月28日
發(fā)明者劉鎮(zhèn)清 申請(qǐng)人:同濟(jì)大學(xué)