技术领域
[0001] 本申请涉及载荷测量技术领域，具体涉及一种基于阵列纵横超声波的螺栓多向载荷测量方法及系统。
相关背景技术
[0002] 风电机组紧固件经常承受不规律的振动、交变载荷、冲击载荷等作用，产生风电机组螺栓断裂或松动问题等，极大地影响了机组的安全运行，严重时导致叶轮掉落甚至倒塌事故。因此非常有必要对风机的紧固件的进行高精度测量，满足实时检测紧固件内部应力的要求，增强风机运行的可靠性和安全性。
[0003] 国内外开展较早的螺栓应力测量研究工作，超声法基于声弹性原理，通过标定实验建立超声波渡越时间与螺栓紧固力之间的数学函数关系，从而间接测量螺栓所受应力。超声轴向载荷的测量方法确实已经得到了广泛的应用，但在横向载荷方向的研究相对较少。传统的超声纵横波法主要依赖于弹性应力与超声波纵波和横波声速之间的数学关系，来检测那些已经紧固且无法进行纵波声弹性标定的螺栓。然而，这种方法在测量多向载荷时存在一定的局限性。
[0004] 现有技术的方法至少存在如下技术问题：
[0005] 目前的螺栓超声检测技术，只能测量一个方向上的应力，且只能得到一个声时数据，无法对单个载荷的大小方向同时测量，更不可能同时对螺栓多方向的载荷进行同时测量。目前的方法仅限于已知载荷方向的场景，比如对螺栓施加预紧力的过程；但是在风机役过程中。外环境会对紧固件施加复杂的交变载荷，故需要开发新的应力测量方法。
[0006] 目前的螺栓超声检测技术中，一般超声探头只有一个电极，测量时将其放置于螺栓头部或底部的中心区域，在螺栓受到横向载荷时，螺栓中心区域不受拉伸和压缩的作用，在施加横向载荷时声时几乎不变，故超声传感器中单个中心电极无法测量横向载荷的大小及方向。
[0007] 目前的螺栓超声检测技术，仅使用单纵波对螺栓轴向载荷和横向载荷进行测量，横向载荷和纵波传播方向不一致，单波法面对横向载荷的测量时存在一定的局限性。
具体实施方式
[0061] 为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
[0062] 本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。术语“第一”、“第二”和“第三”等描述，是用于区分不同的对象等，其不代表先后顺序，也不限定“第一”、“第二”和“第三”是不同的类型。
[0063] 在本申请实施例的描述中，“示例性的”、“例如”或者“举例来说”等用于表示作例子、例证或说明。本申请实施例中被描述为“示例性的”、“例如”或者“举例来说”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其它实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性的”、“例如”或者“举例来说”等词旨在以具体方式呈现相关概念。
[0064] 在本申请实施例的描述中，除非另有说明，“/”表示或的意思，例如，A/B可以表示A或B；文本中的“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况，另外，在本申请实施例的描述中，“多个”是指两个或多于两个。
[0065] 在本申请实施例描述的一些流程中，包含了按照特定顺序出现的多个操作或步骤，但是应该理解，这些操作或步骤可以不按照其在本申请实施例中出现的顺序来执行或并行执行，操作的序号仅用于区分开各个不同的操作，序号本身不代表任何的执行顺序。另外，这些流程可以包括更多或更少的操作，并且这些操作或步骤可以按顺序执行或并行执行，并且这些操作或步骤可以进行组合。
[0066] 首先，对本申请中的部分技术术语进行解释说明，以便于本领域技术人员理解本申请。
[0067] Fv为轴向载荷；
[0068] Fh为横向载荷；
[0069] tm为纵波声时；
[0070] tn为横波声时；
[0071] 声时：超声波飞行时间，为超声波产生时间与超声波传播至电极上的时间。
[0072] 为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请实施方式作进一步地详细描述。
[0073] 第一方面，请参考图1，本申请提供了一种基于阵列纵横超声波的螺栓多向载荷测量方法，包括如下步骤：
[0074] 步骤S1、请参考图2a‑图2b，在待检螺栓的一圆端面上设置薄膜涂层传感器，薄膜涂层传感器上制备有至少一中心电极以及多个边缘电极，所述中心电极对应于所述圆端面的中心位置，多个边缘电极沿着所述圆端面的外边缘内侧环状阵列设置，从而在待检螺栓上施加阵列纵横超声波；
[0075] 步骤S2、标定获取中心电极的纵横波轴向载荷标定系数；
[0076] 步骤S3、根据中心电极的纵横波轴向载荷标定系数，获取中心电极纵横波轴向载荷标定公式；
[0077] 步骤S4、标定获取各边缘电极的横向载荷与纵横波横向载荷斜率标定系数的关系函数系数；
[0078] 步骤S5、根据各边缘电极的关系函数系数，获取各边缘电极的横向载荷和纵横波横向载荷标定系数的关系函数；
[0079] 步骤S6、根据中心电极纵横波轴向载荷标定公式以及各边缘电极的横向载荷与纵横波横向载荷斜率标定系数的关系函数，获取待检螺栓的各向载荷的大小和方向。
[0080] 本申请利用中心电极和多个边缘电极的纵横波阵列传感器，实现了对承受多向载荷的螺栓紧固件等连接件的横向载荷和轴向载荷的同步测量；
[0081] 本方法可用于但不仅限于承受不规律的振动、交变载荷、冲击载荷等载荷作用影响的螺栓紧固件，实现在复杂交变载荷作用下的精确测量，并能实时分辨载荷作用方向，实现应力的全方位判断。
[0082] 在一实施例中，步骤S1中，所述圆端面为待检螺栓的顶端面或底端面。
[0083] 在一实施例中，步骤S1中，采用物理气相沉积方法，在待检螺栓的一圆端面上制备一层压电效应涂层传感器。
[0084] 在一实施例中，步骤S1中，环状为圆环，圆环与待检螺栓的圆端面同心设置；较具体地，沿着待检螺栓的外边缘内侧设置环状阵列设置的多个边缘电极；在本申请变换的实施例中，环状还可以实现为非圆环的正几何环。
[0085] 在一具体实施例中，步骤S1中，边缘电极的数量为8个，8个边缘电极相对于中心电极两两之间的夹角为α，0°<α<45°。
[0086] 在一实施例中，步骤S2、根据中心电极的纵横波轴向载荷标定系数，获取中心电极纵横波轴向载荷标定公式，具体包括以下步骤：
[0087] 步骤S21、对待检螺栓施加梯度轴向载荷，记录不同梯度轴向载荷下中心电极的纵波声时和横波声时；
[0088] 步骤S22、根据不同梯度横向载荷下中心电极的纵波声时和横波声时，标定获取中心电极的纵横波轴向载荷标定系数；
[0089] 步骤S23、根据中心电极的纵横波轴向载荷标定系数，获取中心电极纵横波轴向载荷标定公式；
[0090] 在一实施例中，如图3‑图4所示，步骤S2、根据中心电极的纵横波轴向载荷标定系数，获取中心电极纵横波轴向载荷标定公式，具体实现为：
[0091] 对螺栓施加横向预紧力，在标准拉伸机上对螺栓施加梯度轴向载荷，加载梯度载荷为m*ΔFv，m＝0,1,2,3,4,5……；
[0092] 分别记录不同梯度载荷下纵波声时tm，m＝1,2,3,4,5……、横波声时tn，n＝1,2,3,4,5……；
[0093] 根据中心电极不同梯度轴向载荷下的纵波声时，拟合得到中心电极的纵波轴向载荷标定系数(包括纵波轴向载荷斜率标定系数a0和纵波轴向载荷修正标定系数)；
[0094] 根据中心电极不同梯度轴向载荷下的横波声时，拟合得到中心电极的横波轴向载荷标定系数(包括横波轴向载荷斜率标定系数c0和横波轴向载荷修正标定系数d0)。
[0095] 在一实施例中，所述步骤S3、根据中心电极的纵横波轴向载荷标定系数，获取中心电极纵横波轴向载荷标定公式如下：
[0096] Fv＝a0*tm+b0；
[0097] 式中，Fv为实时施加的轴向载荷，tm为纵波声时，a0和b0分别为中心电极的纵波轴向载荷斜率标定系数和纵波轴向载荷修正标定系数；
[0098] 得到中心电极对应的横波声时与轴向载荷标定公式如下：
[0099] Fv＝c0*tn+d0；
[0100] 式中，Fv为实时施加的轴向载荷，tn为横波声时，c0和d0分别为中心电极的横波轴向载荷斜率标定系数和横波轴向载荷修正标定系数。
[0101] 在一实施例中，所述步骤S4、标定获取各边缘电极的横向载荷与纵横波横向载荷斜率标定系数的关系函数系数，具体包括以下步骤：
[0102] 步骤S41、对待检螺栓施加轴向载荷进行轴向预紧，对预紧螺栓施加梯度横向载荷，记录不同梯度横向载荷下边缘电极的纵波声时和横波声时；
[0103] 步骤S42、根据不同梯度横向载荷下边缘电极的纵波声时和横波声时，获取对应的边缘电极的纵横波横向载荷斜率标定系数；
[0104] 步骤S43、根据各边缘电极的纵横波横向载荷斜率标定系数，标定获取各边缘电极的横向载荷与纵横波横向载荷斜率标定系数的关系函数系数。
[0105] 边缘电极纵波声时‑横向载荷标定曲线如图5所示，边缘电极横波声时‑横向载荷标定曲线如图6所示。
[0106] 在一较具体实施例中，步骤S4，具体实现为：
[0107] 对螺栓施加一定的轴向载荷进行轴向预紧，使用拉伸机对预紧螺栓施加梯度横向载荷m*ΔFh，m＝0,1,2,3,4,5……，分别记录不同梯度横向载荷下不同边缘电极的纵波声时和横波声时；
[0108] 根据边缘电极和施加横向载荷之间的距离远近，对各边缘电极进行序号标注，命距离横向载荷施加位置最近的电极为1号电极，得到1号电极对应的纵波声时t1m与横向载荷标定公式如下式所示：
[0109] Fh＝a10*t1m+b10；
[0110] 式中，Fh为实时施加的横向载荷，a10和b10分别为1号电极的纵波横向载荷斜率标定系数和纵波横向载荷修正标定系数；
[0111] 对应的横波声时t1n与横向载荷标定公式如下式所示：
[0112] Fh＝c10*t1n+d10；
[0113] 式中，Fh为实时施加的横向载荷，c10和d10分别为1号电极的横波横向载荷斜率标定系数和横波横向载荷修正标定系数。
[0114] 梯次增加螺栓的轴向载荷m*ΔFv，m＝0,1,2,3,4,5……，重复S3步骤，得到纵波不同轴向载荷下各边缘电极的横向载荷标定系数ax0，横波不同轴向载荷下边缘电极的纵波横向载荷斜率标定系数cx0，x为电极编号；
[0115] 则1号电极纵向预紧力Fv与纵波对应的3横向载荷标定系数ax0的关系函数a10＝e10*Fv+f10，1号电极纵向预紧力Fv与横波对应的3横向载荷标定系数ax0的关系函数c10＝g10*Fv+h10，其中，e10、f10、g10和h10为一号边缘电极的轴向载荷和纵波横向载荷标定系数的关系函数中的纵波轴向载荷斜率系数、纵波轴向载荷修正系数、横波轴向载荷斜率系数、横波轴向载荷修正系数。
[0116] 在一实施例中，步骤S5、标定获取各边缘电极的横向载荷与纵横波横向载荷斜率标定系数的关系函数系数，具体实现为：
[0117] 根据各边缘电极的关系函数系数(包括ex0和gx0)，获取各边缘电极的轴向载荷和纵横波横向载荷标定系数的关系函数如下：
[0118] 各边缘电极的轴向载荷和纵波横向载荷标定系数的关系函数如下；
[0119] ax0＝ex0*Fv+fx0
[0120] 式中，ax0为x号边缘电极的纵波横向载荷斜率标定系数，ex0为纵波轴向载荷斜率系数，Fv为轴向载荷，fx0为纵波轴向载荷修正系数。
[0121] 各边缘电极的轴向载荷和纵波横向载荷标定系数的关系函数如下
[0122] cx0＝gx0*Fv+hx0
[0123] 式中，cx0为x号边缘电极的纵波横向载荷斜率标定系数，gx0为横波轴向载荷斜率系数，Fv为轴向载荷，fx0为横波轴向载荷修正系数。
[0124] 在一实施例中，所述步骤S6、根据中心电极纵横波轴向载荷标定公式以及各边缘电极的横向载荷与纵横波横向载荷斜率标定系数的关系函数，获取待检螺栓的各向载荷的大小和方向，具体包括以下步骤：
[0125] 步骤S61、将待检螺栓的纵波声时实测值根据中心电极纵横波轴向载荷标定公式进行数值变换，计算获取待检螺栓的实时轴向载荷；
[0126] 步骤S62、将轴向载荷根据轴向载荷与纵波横向载荷标定系数的关系函数进行数值变换，获取对应边缘电极的纵波横向载荷标定系数；
[0127] 步骤S63、将轴向载荷根据轴向载荷和横波横向载荷标定系数的关系公式进行数值变换，获取对应边缘电极的横波横向载荷标定系数；
[0128] 步骤S64、根据获取的边缘电极的纵横波横向载荷标定系数，获取各边缘电极的纵横波横向载荷标定公式；
[0129] 步骤S65、根据各边缘电极的纵横波横向载荷标定公式，计算获取待检螺栓的实时横向载荷。
[0130] 步骤S66、根据多个边缘电极的横波声时，获取待检螺栓的横向载荷方向。
[0131] 在一实施例中，步骤S61‑步骤S65，具体实现为：
[0132] 在进行工作状态承受多向载荷的待检螺栓的实际检测，首先测得中心电极纵波声时tm，通过将tm代入中心电极纵横波轴向载荷标定公式Fv＝a0*tm+b0，可得出实时的轴向载荷Fv的值；
[0133] 将实时的轴向载荷Fv，带入到轴向载荷Fv与纵波对应的横向载荷标定系数ax0的关系函数ax0＝ex0*Fv+fx0中得到对应电极纵波横向载荷标定系数ax0；
[0134] 将实时的轴向载荷Fv，带入到轴向载荷Fv与横波对应的横向载荷标定系数cx0的关系函数cx0＝ex0*Fv+fx0中得到对应电极纵波横向载荷标定系数cx0；
[0135] 将1号电极的纵横波声时t1n、t1m分别代入1号电极横向载荷标定公式Fh＝a10*t1m+b10、Fh＝c10*t1n+d10中，将纵横波飞行时间分别带入后所求的Fh求平均值得到螺栓所受横向载荷大小，可得出实时的横向载荷Fh的值。
[0136] 本申请提供的基于阵列纵横超声波的螺栓多向载荷测量方法，对螺栓进行多向载荷测量时，由于中心电极的纵波几乎不受横向载荷影响，故先通过中心电极的纵波声时确定螺栓所受轴向载荷的大小，接着通过各边缘电极的横向载荷和纵横波横向载荷标定系数的关系函数，可以得到该轴向载荷作用下边缘电极纵横波声时‑横向载荷标定系数，最终通过边缘电极纵横波声时确定横向载荷的大小及方向。
[0137] 在一实施例中，所述步骤S66、根据多个边缘电极的横波声时，获取待检螺栓的横向载荷方向，具体包括以下步骤：
[0138] 选取多个边缘电极横波声时中的最小横波声时；
[0139] 判定待检螺栓的横向载荷的方向为垂直于所述最小横波声时的边缘电极并朝向中心电极方向。
[0140] 第二方面，本申请提供了一种基于阵列纵横超声波的螺栓多向载荷测量系统，包括如下步骤：
[0141] 涂层传感器加附模块，用于在待检螺栓的一圆端面上设置薄膜涂层传感器，薄膜涂层传感器上制备有至少一中心电极以及多个边缘电极，所述中心电极对应于所述圆端面的中心位置，多个边缘电极沿着所述圆端面的外边缘内侧环状阵列设置；
[0142] 中心电极系数标定模块，用于标定获取中心电极的纵横波轴向载荷标定系数；
[0143] 中心电极载荷公式标定模块，与所述中心电极系数标定模块通信连接，用于根据中心电极的纵横波轴向载荷标定系数，获取中心电极纵横波轴向载荷标定公式；
[0144] 关系函数系数获取模块，用于标定获取各边缘电极的横向载荷与纵横波横向载荷斜率标定系数的关系函数系数；
[0145] 关系函数获取模块，与所述关系函数系数获取模块通信连接，用于根据各边缘电极的关系函数系数，获取各边缘电极的横向载荷和纵横波横向载荷标定系数的关系函数；
[0146] 各向载荷信息获取模块，与所述关系函数获取模块通信连接，用于根据中心电极纵横波轴向载荷标定公式以及各边缘电极的横向载荷与纵横波横向载荷斜率标定系数的关系函数，获取待检螺栓的各向载荷的大小和方向。
[0147] 在一实施例中，所述中心电极系数标定模块包括：
[0148] 中心电极纵横波声时获取单元，用于对待检螺栓施加梯度轴向载荷，记录不同梯度轴向载荷下中心电极的纵波声时和横波声时；
[0149] 中心电极纵横波轴向载荷标定系数获取单元，与所述中心电极纵横波声时获取单元通信连接，用于根据不同梯度横向载荷下中心电极的纵波声时和横波声时，标定获取中心电极的纵横波轴向载荷标定系数；
[0150] 中心电极纵横波轴向载荷标定公式获取单元，与所述中心电极纵横波轴向载荷标定系数获取单元通信连接，用于根据中心电极的纵横波轴向载荷标定系数，获取中心电极纵横波轴向载荷标定公式。
[0151] 在一实施例中，所述关系函数获取模块包括：
[0152] 边缘电极纵横波声时获取单元，用于对待检螺栓施加轴向载荷，对预紧螺栓施加梯度横向载荷，记录不同梯度横向载荷下边缘电极的纵波声时和横波声时；
[0153] 边缘电极斜率系数标定模块，与所述边缘电极纵横波声时获取单元通信连接，用于根据不同梯度横向载荷下边缘电极的纵波声时和横波声时，获取对应的边缘电极的纵横波横向载荷斜率标定系数；
[0154] 关系函数获取单元，与所述边缘电极斜率系数标定模块通信连接，用于根据各边缘电极的纵横波横向载荷斜率标定系数，标定获取各边缘电极的横向载荷与纵横波横向载荷斜率标定系数的关系函数系数。
[0155] 其中，上述基于阵列纵横超声波的螺栓多向载荷测量装置中各个模块的功能实现与上述基于阵列纵横超声波的螺栓多向载荷测量方法实施例中各步骤相对应，其功能和实现过程在此处不再一一赘述。
[0156] 第三方面，本申请实施例提供一种基于阵列纵横超声波的螺栓多向载荷测量设备，基于阵列纵横超声波的螺栓多向载荷测量设备可以是个人计算机(personal computer，PC)、笔记本电脑、服务器等具有数据处理功能的设备。
[0157] 本申请实施例中，基于阵列纵横超声波的螺栓多向载荷测量设备可以包括处理器、存储器、通信接口以及通信总线。
[0158] 其中，通信总线可以是任何类型的，用于实现处理器、存储器以及通信接口互连。
[0159] 通信接口包括输入/输出(input/output，I/O)接口、物理接口和逻辑接口等用于实现基于阵列纵横超声波的螺栓多向载荷测量设备内部的器件互连的接口，以及用于实现基于阵列纵横超声波的螺栓多向载荷测量设备与其他设备(例如其他计算设备或用户设备)互连的接口。物理接口可以是以太网接口、光纤接口、ATM接口等；用户设备可以是显示屏(Display)、键盘(Keyboard)等。
[0160] 存储器可以是各种类型的存储介质，例如随机存取存储器(randomaccess memory，RAM)、只读存储器(read‑only memory，ROM)、非易失性RAM(non‑volatileRAM，NVRAM)、闪存、光存储器、硬盘、可编程ROM(programmable ROM，PROM)、可擦除PROM(erasable PROM，EPROM)、电可擦除PROM(electrically erasable PROM，EEPROM)等。
[0161] 处理器可以是通用处理器，通用处理器可以调用存储器中存储的基于阵列纵横超声波的螺栓多向载荷测量程序，并执行本申请实施例提供的基于阵列纵横超声波的螺栓多向载荷测量方法。例如，通用处理器可以是中央处理器(central processing unit，CPU)。其中，基于阵列纵横超声波的螺栓多向载荷测量程序被调用时所执行的方法可参照本申请基于阵列纵横超声波的螺栓多向载荷测量方法的各个实施例，此处不再赘述。
[0162] 第四方面，本申请实施例还提供一种可读存储介质。
[0163] 本申请可读存储介质上存储有基于阵列纵横超声波的螺栓多向载荷测量程序，其中所述基于阵列纵横超声波的螺栓多向载荷测量程序被处理器执行时，实现如上述的基于阵列纵横超声波的螺栓多向载荷测量方法的步骤。
[0164] 其中，基于阵列纵横超声波的螺栓多向载荷测量程序被执行时所实现的方法可参照本申请基于阵列纵横超声波的螺栓多向载荷测量方法的各个实施例，此处不再赘述。
[0165] 需要说明的是，上述本申请实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
[0166] 通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在如上所述的一个存储介质(如ROM/RAM、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端设备执行本申请各个实施例所述的方法。
[0167] 以上仅为本申请的优选实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。
