超声波螺栓测量仪校准方法探索

全面介绍螺栓的超声检测方法

# 32# 计量、测试与校准2010年第30卷第2期

超声波螺栓测量仪校准方法探索

安兆亮,周子炜

(上海市计量测试技术研究院,上海201203)

摘 要:针对超声波螺栓测量仪无法校准而影响实际使用的问题,提出了一种基于比较法的校准方法,为此类仪器的有效校准做了有益的探索。

关键词:超声波;螺栓应力;校准方法

中图分类号:TH823 文献标识码:B 文章编号:1674-5795(2010)02-0032-02

ResearchonCalibratingMethodofUltrasonicBoltMonitor

ANZhaoliang,

ZHOUZiwei

Shanghai201203,China)

(ShanghaiInstituteofMeasurementandTestingTechnology,

Abstract:Ultrasonicboltmonitorisanewtypeofinstrumentformeasuringboltload1Itsworkingprincipleisdifferentfromtraditionalin-struments,thushowtocalibrateitbecomesapuzzle1Inthispaper,

Keywords:ultrasonic;boltload;

calibrationmethod

acalibrationmethodbasedoncomparisionmethodisgiven1

0 序言

螺栓联接广泛应用于机械、化工、交通、电力、航空等部门的重要设备和结构中。对于这些设备或结构中所使用的螺栓,其预紧力是否合适将直接关系到整个设备或结构工作的可靠性和安全性。

国内通常采用的螺栓紧固力测试方法有扭矩扳手法、电阻应变片电测法、光测力学法、磁敏电阻传感器测量法等。在工程应用中广泛采用扭矩扳手控制螺栓预紧力和对施工质量进行检测,GB50205-20015钢结构工程施工质量验收规范6中对钢结构工程中高强螺栓施工质量检测的标准就是基于扭矩扳手法制定的。其余三种方法多应用于实验室条件下对螺栓拧紧和工作状态下轴向应力的实验室测量和分析,具有测量精度高的优点。但由于设备复杂和工作条件苛刻,目前在工程施工和检测现场还没有得到广泛应用。

采用超声波测量螺栓紧固力,不但具有无损、快速、方便的特点,而且具有较高的精度,由于是直接测量螺栓所承受的应力,因此不像扭矩扳手那样受摩擦系数离散性的影响。

波换能器置于紧固件的一端,发射声脉冲传入螺栓,这个脉冲径直穿过紧固件的整个长度。脉冲在另一端被反射回来且被超声波换能器所接收,如图1所示。根据声弹性理论和非线性声学,当各向同性固体材料受某一方向应力且超声波同应力方向一致时,声速与应力为线性关系。对于同种螺栓材料,螺栓受力后的机械伸长量和超声纵波声程变化量的比值为一定值,与应力无关。因此,可分别在螺栓松弛和拧紧状态下精确测量超声纵波传播时间,并通过标定试验获得各种螺栓材料系数,计算螺栓受力后的机械伸长量,结合螺栓联接几何尺寸的标称值间接获取螺栓的轴向应力,

并根据测试数据分析出螺栓应力承受限度。

1 工作原理

超声波螺栓测量仪使用脉冲-回波技术。将超声

收稿日期:

2010-01-08

图1 超声波脉冲在螺栓中的传播方式

作者简介:安光亮(1980-),男,理学硕士,从事声学计量工作。

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计测技术计量、测试与校准 # 33#

2 测试装置设计及校准方法

采取比较法进行校准。校准装置借鉴浙江大学张俊等人的螺栓材料系数测定试验装置结构,用以实现超声波螺栓测量仪的校准,如图2所示。市面上可见的超声波螺栓测量仪标称测量精度均不高于?1%,拉

力传感器的测量精度远高于此,

可满足校准要求。

图3 超声螺栓检测仪换能器辅助定位装置

多的进入螺栓,实际应用中一般选用机油作声耦合剂。

3)测试中标准螺栓的选取。一般应选用钢结构常用的高强度螺栓作为标准螺栓,主要是因为这种螺栓

图2 超声波螺栓测量仪校准装置

是超声螺栓检测仪的主要检测对象,也是GB50205-20015钢结构工程施工质量验收规范6中有详细规定的产品。为保证校准结果,螺栓表面平行度和轴线垂直度应维持在一定水平内,无明显歪曲。主要是对螺栓表面粗糙度的要求,依照工业超声探伤对超声进入面的光洁度要求,螺栓的超声进入面表面粗糙度应达到312Lm,必要时应对入射面进行处理。

校准步骤可按下面进行:

1)在超声波螺栓测量仪中设置标准螺栓技术参

数,包括螺栓的等级、材料、弹性模量、温度补偿系数、螺栓的长度、横截面和声速等参数。

2)将温度传感器和超声换能器与超声波螺栓测量仪相连,稳定一段时间,对仪器调零。

3)按图2所示连接仪器,初始态为螺栓松弛状态。用扳手拧紧螺母对螺栓施加拉力,在拉力传感器示值超过螺栓额定力值的5%时,记录拉力传感器和待测超声波螺栓测量仪示值。

4)继续对螺栓施加拉力,并记录拉力传感器和待测超声波螺栓测量仪示值,直至拉力传感器示值接近螺栓额定力值。

4 校准案例和不确定度分析

校准中选用拉力传感器等级015级;采取的待测超声波螺栓检测仪为BOLTMikeÓ,测量精度?2%,校准中选用钢结构高强度螺栓M22@90/1019S。

不确定度模型:超声波螺栓测量仪测试时,声时和温度是仪器直接采集的两个数据,其他数据(标准螺栓技术参数,包括螺栓的等级、材料、弹性模量、温度补偿系数、螺栓的长度、螺栓横截面和声速)皆为手动输入,来源于出厂数据。最终的应力是通过一个复杂的公式得到的,对这个公式的各个参量都做不确定度分析是难以实现的。我们采取了一个简单实用的做法,把整个超声波螺栓测量仪看做一个黑箱,不管它的工作原理如何,只注重输出的应力值。

表1是不同拉力下的10次测试结果,取表中标准差的最大值作为A类标准不确定度分量uA。

对于B类不确定度,主要考虑超声波螺栓测量仪示值估读偏差uB1和拉力传感器测量误差uB2。超声波螺栓测量仪为数字式指示装置,分辨力为其末位有效数字的一个增量,按均匀分布估算,取标准差最大的一组分析;拉力传感器为测量精度015级,按均匀分布估计测量误差。

43页)

3 测试要点

1)换能器的安装。待测超声螺栓测量仪的平面应同螺栓端面贴合安装,这样才能保证测试结果的良好复现性。安装螺栓时可在螺母外端预留几个螺距的余长,利用该段剩余螺纹进行换能器径向定位安装。在定位器上攻2~3个螺距的内螺纹,与标准螺栓外螺纹匹配。简单的辅助定位装置如图3所示。

2)耦合。由于空气与螺栓材质的声特性阻抗相差很大,为避免超声换能器与螺栓接触面之间因存在空气间隙而使超声能量不能有效进入螺栓内部而产生很大的界面能量反射损失,须在换能器与螺栓接触端面之间填充液体声耦合剂,声耦合剂必须有足够的浸润

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计测技术

软件应用模块,应用公司已有的局域网络平台,将能源计量系统的软件和硬件模块加以连接,建立计量数据自动采集管理网络,构建公司EMS能源管理系统,达到现场控制和管理的无缝联接,实现能源实时自动计量、数据资源共享、能耗自动统计、历史数据可追溯等功能,向企业管理者和决策管理层提供准确、及时的能源数据,为企业节能减排、降低能耗提供科学依据。

充分应用能源计量网络,实现能源管理的精细化。利用各级计量数据开展能源平衡测试工作,对重点用能设备(锻铸工艺设备、热处理加热槽等),甄别出哪些是能源浪费严重、能耗矛盾突出的能耗设备。针对能耗不合理设备,通过实时数据分析,查找生产工艺和管理上的薄弱环节,制定措施加以解决。

科学应用能源计量网络数据的统计分析和在线监控,统一优化调度和合理调配能源,防止能源介质的跑、冒、滴、漏,加快系统的故障处理和应对能源事故的反应能力;同时,能源消耗主要部门从网络数据库中提取所需的数据和能源消耗动态信息,进行能源计量的多方管理、多方监督、共同测量,为公司进一步提升能源管理水平搭建可靠平台。(上接第33页)

参考应力/MPa

100200300400500600

计测管理 # 43#

4 结束语

能源计量是能源管理的一项重要工作,要不断加大能源管理的基础建设,完善能源计量器具的配备,做好计量器具的检定、校准工作,用科学准确的数据指导生产用能,通过量化指标管理,把节能挖潜落到实处,使能源计量成为节能降耗的/金钥匙0,以实现企业社会效益、经济效益的最大化,走科学的可持续发展道路。

参考文献

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表1 不同拉力下的测试结果

10次测量结果

1100152001530112402125011059815

2100162001430113402135011159815

3100152001330114401155011259817

4100172001230019401175011359815

5100142001430113402155011359818

6100152001230113402115011459815

7100162001530111401175011459816

8100192001630112401185011259815

9100172001730019401195011159819

10100192001230112401165011359815

标准差/%011701180117013301130115

引入各不确定度分量的因素独立不相关,取包含因子k=2,则测量结果的扩展不确定度为 U=2@

A+uB1+uB2

以直接有效的对超声螺栓测量仪进行校准,其中螺栓的选取和超声换能器的安装需注意,可能引入误差。

参考文献

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=210033++@100%

2@U019%

可见扩展不确定度小于超声波螺栓测量仪测量精度?2%的1/2,测试结果满足要求。

此外,不同厂家生产的同型号螺栓对测试结果有时也会引入偏差,在给出校准结论的同时也应指明所用的螺栓。

2

5 总结

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/dj41.html