基于阵列纵横超声波的螺栓多向载荷测量方法及系统

本技术涉及载荷测量，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。

背景技术：

1、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。

2、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。

3、现有技术的方法至少存在如下技术问题：

4、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。

5、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。

6、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。

技术实现思路

1、本技术提供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，可以解决现有技术中存在的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的技术问题。

2、第一方面，本技术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：

3、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；

4、标定获取中心电极的纵横波轴向载荷标定系数；

5、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；

6、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；

7、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；

8、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。

9、结合第一方面，在一种实施方式中，所述标定获取中心电极的纵横波轴向载荷标定系数；

10、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：

11、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；

12、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；

13、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。

14、结合第一方面，在一种实施方式中，所述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：

15、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；

16、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；

17、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。

18、结合第一方面，在一种实施方式中，所述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：

19、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；

20、根据获取的待检螺栓的实时轴向载荷，以及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，获取各边缘电极的纵横波横向载荷标定系数；

21、根据各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；

22、将各边缘电极的纵横波声时，根据各边缘电极的纵横波横向载荷标定公式进行数值变换，计算获取待检螺栓的实时横向载荷；

23、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。

24、结合第一方面，在一种实施方式中，所述根据获取的待检螺栓的实时轴向载荷，以及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，获取各边缘电极的纵横波横向载荷标定系数，具体包括以下步骤：

25、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；

26、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。

27、结合第一方面，在一种实施方式中，所述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：

28、选取多个边缘电极横波声时中的最小横波声时；

29、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。

30、第二方面，本技术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：

31、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；

32、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；

33、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；

34、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；

35、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；

36、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。

37、结合第二方面，在一种实施方式中，所述中心电极系数标定模块包括：

38、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；

39、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；

40、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。

41、结合第二方面，在一种实施方式中，所述关系函数获取模块包括：

42、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；

43、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；

44、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。

45、第三方面，本技术提供了一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机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，实现如上所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。

46、本技术实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

47、本技术通过中心电极以及多个边缘电极的纵横波阵列传感器，实现对承受多向载荷的螺栓的横向载荷和轴向载荷的大小和方向的同步测量，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。