螺栓預緊力、緊固軸力、軸向應力、可以采用超聲波直接實時測量, 智能螺栓系統發射和接收超聲波脈沖電信號、測量并計算發射和回波電信號之間時間差,即聲時差。螺栓軸力超聲波測試儀廣泛應用于汽車、航空、航天、鐵路、風力發電、核能等裝配測試領域,已經成為螺栓緊固系統測試和制定螺栓裝配工藝必要檢測儀器,為螺栓產品研發和設計提供有力的保障,同時可以實時測試和監控緊固軸力變化。為螺栓緊固系統可靠安全運行提供保證。


  測試原理:

  根據聲彈理論,固體中的應力、軸力將引起聲速的變化,聲速變化比率與應力、軸力呈線性關系。

  嚴格地講,聲速變化比率與應力、軸力的關系并非是完全線性的,而對工程應用而言則可將這種關系看作是線性關系:

 ?。╒s -Vo )/Vo= ΔV/Vo=Kσ

  聲速與應力、軸力的關系曲線如下:



  超聲波有個特性:超聲波傳遞到兩邊密度差異較大的界面時會反彈。

  我們在螺栓頭部往桿部發出超聲波時開始計時,等到收到從桿端反彈回來的超聲波時再計時,計算時間差。超聲波的時間差代表了螺栓長度。

  在螺栓自由狀態下,記錄一個原始時間差Ts,在螺栓擰緊過程中,超聲設備不停的發送超聲波信號并持續記錄時間差Tt ,螺栓伸長率=(Tt-Ts)/Ts。

  超聲波在鋼鐵中的傳播速度跟材質、溫度、密度、彈性模量、受力狀態等參數相關。

  通常在鋼鐵中傳播速度大約在6000m/s左右,6000m/s = 0.006mm/ns,假設M6螺栓長度為1倍直徑=6mm。非受力狀態下,超聲波在螺栓中的傳遞時間為:

  2倍*(6mm÷0.006mm/ns)=2000ns

  當螺栓發生0.2%非比例伸長時超聲波在螺栓中的傳遞時間為:

  1.002*2倍*(6mm÷0.006mm/ns)=2004ns

  超聲波信號的延時增加量為4納秒,因此只有超聲系統的飛行時間精度小于4ns我們才能準確捕捉到0.2%非比例伸長。作為一款實時動態測量系統并且有時需要在螺栓彈性段使用,這就要求超聲波系統的飛行時間精度更小。因為在彈性段超聲波信號的延時更小。


  彈性變形階段:

  通過螺栓伸長率和螺栓的彈性模量,可“近似”推導出螺栓所受軸力。

  缺點:由于彈性模量是在拉力機上以純拉受力狀態下測得的,而在實際裝配時除了軸向拉力,螺栓還受到扭矩轉換過來的剪切力。受力狀態并不完全相同。因此,該方式得到的力值為近似值。


  塑性變形階段:

  無法通過螺栓伸長率和螺栓的彈性模量推導軸力。

  因此我們需要給螺栓動態施加拉力,并在此過程中記錄螺栓所受軸力和超聲波信號,并建立一個超聲信號和軸力信號之間的一個比值關系。我們稱之為螺栓的“超聲波標定”。

  實物模擬擰緊相同特性的螺栓時,利用所測量的超聲信號和“超聲波標定”時所獲得的超聲波和軸力的比值關系,反推出軸力數據。