超声波螺栓测量仪校准方法探索

　　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 -2001钢结构工程施工质量验收规范》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。

　　1　工作原理

　　超声波螺栓测量仪使用脉冲-回波技术。将超声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。

　　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。

　　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。