步驟1.1:采用數(shù)顯力矩扳手將待測螺栓在連接結(jié)構(gòu)上手動擰緊，并記錄力矩扳手?jǐn)?shù)值。
[0039]步驟1.2:在連接結(jié)構(gòu)上用3MDP460工業(yè)膠粘貼兩片宏纖維壓電復(fù)合材料元件(皿281441型1^(:，0.2mm厚)，分別作為激勵器和傳感器，位置見圖3 ;其中兩片宏纖維壓電復(fù)合材料元件分別處于待測螺栓兩側(cè)，距螺栓中心0.lm，螺栓中心以及兩個宏纖維壓電復(fù)合材料元件的主形變方向共線。3MDP460工業(yè)膠膠層薄而均勾，膠層厚度為0.04-0.06mm,并在50°C?60 °C溫度下固化兩個小時(shí)。
[0040]步驟1.3:如圖1所示，作為激勵器的宏纖維壓電復(fù)合材料元件依次連接功率放大器和波形發(fā)生器；作為傳感器的宏纖維壓電復(fù)合材料元件依次數(shù)字示波器和計(jì)算機(jī)。
[0041]步驟1.4:在波形發(fā)生器中存儲3-5周期經(jīng)漢寧窗調(diào)制的正弦信號，正弦信號中心頻率為100?300KHZ ;波形發(fā)生器將存儲的正弦信號按照單脈沖形式輸出，輸出信號經(jīng)功率放大器放大后施加給作為激勵器的宏纖維壓電復(fù)合材料元件電極兩端，功率放大器放大后的信號脈沖峰峰值為80?100V。本實(shí)施例中，波形發(fā)生器中存儲5周期經(jīng)漢寧窗調(diào)制的正弦信號，如圖4所示，中心頻率為150KHz，經(jīng)功率放大器放大，信號峰-峰值為80V，施加在激勵器電極兩端。
[0042]步驟1.5:由于逆壓電效應(yīng)，壓電元件產(chǎn)生隨時(shí)間變化的形變，通過膠層的剪切作用，將擾動傳遞給結(jié)構(gòu)。彈性波在結(jié)構(gòu)中傳播，通過螺栓連接，受到連接狀態(tài)的影響(接觸面、接觸剛度等)。不同的預(yù)緊力狀態(tài)對波傳播行為的影響不同，據(jù)此來識別連接狀態(tài)。波繼續(xù)傳播到達(dá)結(jié)構(gòu)另一端，根據(jù)壓電效應(yīng)，監(jiān)測作為傳感器的宏纖維壓電復(fù)合材料元件兩端電極的電壓信號，并對監(jiān)測到的信號進(jìn)行高通濾波，高通濾波的截止頻率不小于步驟1.4中的中心頻率的1.5倍，去除工頻信號干擾，去除周圍電場感應(yīng)產(chǎn)生的干擾，得到濾波后的響應(yīng)信號，如圖7。
[0043]步驟1.6:計(jì)算濾波后的響應(yīng)信號的均方根RMS，并以均方根作為識別螺栓預(yù)緊扭矩的特征參量。
[0044]步驟1.7:通過扳手徹底松動螺栓，而后以步驟1.1中手動擰緊的力矩值開始，選擇若干個大于手動擰緊力矩值的螺栓預(yù)緊力矩；對于每個螺栓預(yù)緊力矩值，重復(fù)步驟1.4-步驟1.6，得到該螺栓預(yù)緊力矩值對應(yīng)的特征參量；建立由預(yù)緊力矩和特征參量組成的參考數(shù)據(jù)庫。本實(shí)施例中，從步驟1.1中手動擰緊的力矩值開始，然后選擇了 1Ν.πκ2Ν.m、3N.m、4N.m四個螺栓預(yù)緊力矩值，對于每個螺栓預(yù)緊力矩值，重復(fù)步驟1.4-步驟1.6十次，得到該螺栓預(yù)緊力矩值對應(yīng)的特征參量平均值的95%置信區(qū)間；建立由預(yù)緊力矩和特征參量平均值95 %置信區(qū)間組成的參考數(shù)據(jù)庫。
[0045]步驟2:在線監(jiān)測螺栓預(yù)緊力矩:
[0046]波形發(fā)生器每秒鐘將存儲的正弦信號以脈沖形式輸出一次，保證上一次的導(dǎo)波在結(jié)構(gòu)內(nèi)有效衰減，而后監(jiān)測作為傳感器的宏纖維壓電復(fù)合材料元件兩端電極的電壓信號，并對監(jiān)測到的信號進(jìn)行高通濾波，得到濾波后的響應(yīng)信號；計(jì)算濾波后的響應(yīng)信號的均方根；將得到的均方根與參考數(shù)據(jù)庫比較，得到螺栓預(yù)緊力矩值。
[0047]如果得到的均方根處于參考數(shù)據(jù)庫中某一預(yù)緊力矩對應(yīng)的特征參量平均值95%置信區(qū)間內(nèi)，則說明此時(shí)監(jiān)測的螺栓預(yù)緊力矩即為該預(yù)緊力矩；若得到的均方根處于參考數(shù)據(jù)庫中某一預(yù)緊力矩對應(yīng)的特征參量平均值95%置信區(qū)間外，則通過線性插值得到監(jiān)測的螺栓預(yù)緊力矩。而對應(yīng)小于IN.m對應(yīng)特征參量平均值95%置信區(qū)間下限的特征參量，則取該特征參量對應(yīng)螺栓預(yù)緊力矩為手動擰緊力矩值。如圖7所示。
[0048]本實(shí)施例中，某兩次測得RMS分別為0.00514V和0.00827V，則通過查詢得到測量預(yù)緊力矩為手動擰緊(〈IN.m)和3N.m，測量值置信度為95%。
[0049]盡管上面已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，可以理解的是，上述實(shí)施例是示例性的，不能理解為對本發(fā)明的限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的原理和宗旨的情況下在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以對上述實(shí)施例進(jìn)行變化、修改、替換和變型。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種利用主動超聲導(dǎo)波定量化監(jiān)測螺栓預(yù)緊力矩的方法，其特征在于:包括以下步驟: 步驟1:離線建立參考數(shù)據(jù)庫: 步驟1.1:采用數(shù)顯力矩扳手將待測螺栓在連接結(jié)構(gòu)上手動擰緊，并記錄力矩扳手?jǐn)?shù)值； 步驟1.2:在連接結(jié)構(gòu)上膠粘兩片宏纖維壓電復(fù)合材料元件，分別作為激勵器和傳感器；其中兩片宏纖維壓電復(fù)合材料元件分別處于待測螺栓兩側(cè)，螺栓中心以及兩個宏纖維壓電復(fù)合材料元件的主形變方向共線； 步驟1.3:作為激勵器的宏纖維壓電復(fù)合材料元件依次連接功率放大器和波形發(fā)生器；作為傳感器的宏纖維壓電復(fù)合材料元件依次數(shù)字示波器和計(jì)算機(jī)； 步驟1.4:在波形發(fā)生器中存儲3-5周期經(jīng)漢寧窗調(diào)制的正弦信號，正弦信號中心頻率為100?300KHZ ;波形發(fā)生器將存儲的正弦信號按照單脈沖形式輸出，輸出信號經(jīng)功率放大器放大后施加給作為激勵器的宏纖維壓電復(fù)合材料元件電極兩端，功率放大器放大后的信號脈沖峰峰值為80?100V ； 步驟1.5:監(jiān)測作為傳感器的宏纖維壓電復(fù)合材料元件兩端電極的電壓信號，并對監(jiān)測到的信號進(jìn)行高通濾波，得到濾波后的響應(yīng)信號； 步驟1.6:計(jì)算濾波后的響應(yīng)信號的均方根，并以均方根作為識別螺栓預(yù)緊扭矩的特征參量； 步驟1.7:徹底松動螺栓，而后以步驟1.1中手動擰緊的力矩值開始，選擇若干個大于手動擰緊力矩值的螺栓預(yù)緊力矩；對于每個螺栓預(yù)緊力矩值，重復(fù)步驟1.4-步驟1.6，得到該螺栓預(yù)緊力矩值對應(yīng)的特征參量；建立由預(yù)緊力矩和特征參量組成的參考數(shù)據(jù)庫； 步驟2:在線監(jiān)測螺栓預(yù)緊力矩: 波形發(fā)生器按照設(shè)定的時(shí)間間隔重復(fù)將存儲的正弦信號以脈沖形式輸出，而后監(jiān)測作為傳感器的宏纖維壓電復(fù)合材料元件兩端電極的電壓信號，并對監(jiān)測到的信號進(jìn)行高通濾波，得到濾波后的響應(yīng)信號；計(jì)算濾波后的響應(yīng)信號的均方根；將得到的均方根與參考數(shù)據(jù)庫比較，得到螺栓預(yù)緊力矩值。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種利用主動超聲導(dǎo)波定量化監(jiān)測螺栓預(yù)緊力矩的方法，其特征在于:在連接結(jié)構(gòu)上用3MDP460工業(yè)膠粘貼宏纖維壓電復(fù)合材料元件，膠層厚度為0.04-0.06mm，并在50°C?60°C溫度下固化兩個小時(shí)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種利用主動超聲導(dǎo)波定量化監(jiān)測螺栓預(yù)緊力矩的方法，其特征在于:步驟1.5中高通濾波的截止頻率不小于步驟1.4中的中心頻率的1.5倍。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種利用主動超聲導(dǎo)波定量化監(jiān)測螺栓預(yù)緊力矩的方法，其特征在于:步驟1.7中，對于每個螺栓預(yù)緊力矩值，重復(fù)步驟1.4-步驟1.6若干次，得到該螺栓預(yù)緊力矩值對應(yīng)的特征參量平均值的95%置信區(qū)間；建立由預(yù)緊力矩和特征參量平均值95 %置信區(qū)間組成的參考數(shù)據(jù)庫。
【專利摘要】本發(fā)明提出一種利用主動超聲導(dǎo)波定量化監(jiān)測螺栓預(yù)緊力矩的方法，采用MFC(Macro-Fiber？Composite)宏纖維壓電復(fù)合材料元件作為激勵和傳感器，定向激勵結(jié)構(gòu)并采集波動響應(yīng)，建立螺栓預(yù)緊力矩參考比對數(shù)據(jù)庫，從而能夠基于參考數(shù)據(jù)庫在線監(jiān)測螺栓預(yù)緊力矩。利用本發(fā)明可以不用拆解結(jié)構(gòu)就能快速監(jiān)測螺栓的松緊狀態(tài)，降低裝配成本，提高效率；而且該方法操作簡單，針對單螺栓扭矩值具有較高的定量化監(jiān)測精度；另外，采用的宏纖維壓電復(fù)合材料元件很薄(約0.2mm)，粘貼后不影響結(jié)構(gòu)性能。
【IPC分類】G01L5/24
【公開號】CN105115652
【申請?zhí)枴緾N201510400200
【發(fā)明人】王騰, 徐超, 吳冠男
【申請人】西北工業(yè)大學(xué)
【公開日】2015年12月2日
【申請日】2015年7月9日