專利名稱：螺栓軸向緊固應(yīng)力超聲波測量儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于超聲檢測及力學(xué)測量領(lǐng)域中的一種螺栓軸向緊固應(yīng)力測量儀器，適用于已緊固螺栓或?qū)嵤┚o固過程中螺栓的軸向應(yīng)力及其變化的測量。
目前用于直接測量螺栓軸向緊固應(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，由于在工程實際中有時不容易將應(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)力測試儀采用測縱波傳播時間與測溫度相結(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量縱波在螺栓中沿軸向傳播的時間，再測量螺栓緊固后縱波傳播時間的變化。對于已緊固螺栓的軸向應(yīng)測量則無能為力。
本實用新型的目的是提供一種既能在實施螺栓緊固過程中測量螺栓的軸向應(yīng)力及其變化，又能夠測量已緊固螺栓的軸向應(yīng)力，而且結(jié)構(gòu)簡單，測量精度高，智能化的超聲波測量儀。
本實用新型由超聲波探頭、聲時測量部分、溫度測量部分以及單片機(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，測量時牢牢吸在被測工件上。聲時測量部分包括主控振蕩器，門電路，計數(shù)時基脈沖發(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，縱波時間計數(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，橫波時間計數(shù)器。溫度測量部分由熱電耦溫度傳感器，熱電耦信號放大器，A/D轉(zhuǎn)換器組成。測量時，由聲時測量部分激發(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測量部分放大并由采用過零檢測技術(shù)的回波提取電路產(chǎn)生聲時方波，避免由于聲衰減變化而造成聲時的變化，提高了測量的精度。溫度測量在常溫附近進(jìn)行，溫度測量對溫度變化進(jìn)行補(bǔ)償，溫度補(bǔ)償范圍-50℃～200℃。單片機(jī)系統(tǒng)對測量進(jìn)行控制，測量結(jié)果在單片機(jī)系統(tǒng)中運算處理，與儲存于機(jī)內(nèi)的各種材料的縱、橫波聲時與應(yīng)力、溫度的關(guān)系計算出螺栓的緊固應(yīng)力或預(yù)緊應(yīng)力，螺栓的負(fù)載力，螺栓受軸向應(yīng)力引起的伸長量。
本實用新型的特點是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工件上，有利于探頭與被測件的穩(wěn)定耦合。
2、聯(lián)合測量超聲波縱波、橫波沿螺栓軸向的傳播時間，并附以溫度測量，這樣本實用新型能在大溫度范圍內(nèi)既可測量已緊固螺栓的軸向應(yīng)力又可測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)力引起的螺栓伸長量。
4、采有過零檢測的回波提取方式，避免了聲衰減的影響，較大幅度地提高了本實用新型的測量精度。


圖1、為本實用新型的結(jié)構(gòu)原理框圖；圖2、為本實用新型超聲波探頭結(jié)構(gòu)圖；
圖3、為本實用新型超聲波探頭結(jié)構(gòu)圖；圖4、為本實用新型回波提取電路實施圖；圖5為本實用新型回波提取電路時序圖。
結(jié)合附圖詳細(xì)說明本實用新型的構(gòu)思、具體結(jié)構(gòu)及實施。
圖1為本實用新型的結(jié)構(gòu)原理框圖，圖2為本實用新型的工作時序。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、縱波時間計數(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和縱波時間計數(shù)器13的一端相聯(lián)，縱波時間計數(shù)器13的另兩端分別與計數(shù)時基脈沖發(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、橫波時間計數(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、橫波時間計數(shù)器8的一端相聯(lián)，橫波時間計數(shù)器8的另兩端分別與計數(shù)時基脈沖發(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)。
本實用新型中，主控振蕩器1產(chǎn)生一振蕩頻率有輕微抖動的方波信號，這是為了消除主控振蕩器1與計數(shù)時基脈沖發(fā)生器2兩者信號間的相關(guān)性，使得多次測量平均有意義，在縱波測量這一部分，主控振蕩器的輸出信號上升沿驅(qū)動縱波發(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的輸出信號為發(fā)射超聲縱波到第一次反射縱波(回波)的某一過零點(圖2d)，這樣得到的縱波時間基準(zhǔn)不受聲衰減的影響，保證了結(jié)果的可靠性，計數(shù)時基脈沖發(fā)生器2產(chǎn)生的計數(shù)脈沖(圖2j)通過縱波時間計數(shù)器13在縱波時基準(zhǔn)中計數(shù)產(chǎn)生縱波時間計數(shù)信號(圖2e)，縱波時間計數(shù)信號則送單片機(jī)系統(tǒng)9，每次主控振蕩器1輸出信號上升沿使縱波回波提取電路12，縱波時間計數(shù)器13清零，并通知單片機(jī)系統(tǒng)9縱波測量開始，每次主控振蕩器1輸出信號的下降沿通過非門3使橫波回波提取電路7及橫波時間計數(shù)器8清零，通知單片機(jī)系統(tǒng)9測量開始，并驅(qū)動橫波發(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，超聲橫波在被測件中來回反射形成一系列回波(圖2g)，回波信號由橫波接收放大器6放大后送橫波回波提取電路7，橫波回波提取電路7的輸出信號為發(fā)射超聲橫波到第一次反射橫波(回波)的某一過零點(圖2h)，同樣此橫波時間基準(zhǔn)不受聲衰減的影響，計數(shù)時基脈沖發(fā)生器2產(chǎn)生的計數(shù)脈沖(圖2j)通過橫波時間計數(shù)器8在橫波時間基準(zhǔn)中產(chǎn)生的橫波時間計數(shù)信號(圖2i)，橫波時間計數(shù)信號則送單片機(jī)系統(tǒng)9。熱電耦信號放大器15將熱電耦溫度傳感器16發(fā)出的溫度信號放大后送A/D轉(zhuǎn)換器14，A/D轉(zhuǎn)換器14則將模擬量的溫度信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送單片機(jī)系統(tǒng)9。單片機(jī)系統(tǒng)9將多次測量的縱波時間計數(shù)值、橫波時間計數(shù)值及溫度值進(jìn)行平均以提高測量精度，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，因此在實際使用時超聲波探頭4可牢牢地吸附在被測件上，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為本實用新型的回波提取電路實施例，圖5為本實用新型回波提取電路的時序圖。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信號的上升沿時，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電平時(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(圖5A)時的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端輸出的時間門寬度為超聲波在試樣中走過的時間加上一固定的時間量，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)力測量儀，包括超聲探頭(4)，主控振蕩器(1)，計數(shù)時基脈沖發(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)，橫波時間計數(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)，縱波時間計數(shù)器(13)，A/D轉(zhuǎn)換器(14)，熱電耦信號放大器(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)力超聲波測量儀是一種工程檢測用的測力儀器，它由可發(fā)射并接收超聲縱、橫波的磁性換能器，縱波聲時測量部分，橫波聲時測量部分，溫度測量部分，單片機(jī)系統(tǒng)等組成。儀器中存儲了眾多螺栓材料的縱、橫波聲時與應(yīng)力、溫度的關(guān)系，可測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)需要自動換算出螺栓的負(fù)載力或應(yīng)力引起的伸長量。本實用新型具有結(jié)構(gòu)簡單，攜帶方便，易于操作優(yōu)點。
文檔編號G01L5/24GK2226289SQ95243658
公開日1996年5月1日 申請日期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 申請人:同濟(jì)大學(xué)