螺栓轴力的纵横波测量装置.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)实用新型专利 (10)授权公告号 (45)授权公告日 (21)申请号 202020519570.2 (22)申请日 2020.04.10 (73)专利权人 中铁大桥科学研究院有限公司 地址 430034 湖北省武汉市硚口区建设大 道103号 专利权人 中铁大桥局集团有限公司 (72)发明人 伊建军李东明杨晓燕荆国强 汪正兴汪泽洋王翔王亚飞 李成赵龙李泽新刘义虎 王梓宇马长飞刘鹏飞张颖 (74)专利代理机构 武汉智权专利代理事务所 (特殊普通合伙) 42225 代理人 邱云雷 (51)Int.Cl. G01L 5/24(2006.01) G01L 1。

2、/25(2006.01) (54)实用新型名称 一种螺栓轴力的纵横波测量装置 (57)摘要 本申请涉及一种螺栓轴力的纵横波测量装 置， 涉及桥梁紧固杆件检测技术领域。 本申请提 供的一种螺栓轴力的纵横波测量装置包括： 纵横 波探头、 双路脉冲发生模块、 纵波脉冲回波检测 模块、 横波脉冲回波检测模块、 主控制器， 其中， 双路脉冲发生模块用于为纵横波探头提供纵波 激励脉冲和横波激励脉冲， 纵波激励脉冲和横波 激励脉冲分别用于从待测螺栓的一端穿过， 沿待 测螺栓内部轴向传播， 到达待测螺栓的另一端后 返回为至纵横波探头， 并分别形成纵波回波信号 和横波回波信号。 本申请提供的一种螺栓轴力的 纵横。

3、波测量装置能够直接对桥梁上已安装的高 强度螺栓的紧固轴力进行测量， 且无需其他辅助 设备， 节省了人力、 物力， 提高了检测效率。 权利要求书1页 说明书5页 附图2页 CN 211954526 U 2020.11.17 CN 211954526 U 1.一种螺栓轴力的纵横波测量装置， 其特征在于， 其包括： 一纵横波探头(9)， 其用于与待测螺栓相连； 双路脉冲发生模块(1)， 其用于为所述纵横波探头(9)提供纵波激励脉冲和横波激励脉 冲， 所述纵波激励脉冲和所述横波激励脉冲分别用于从所述待测螺栓的一端穿过， 沿所述 待测螺栓内部轴向传播， 到达所述待测螺栓的另一端后返回为至所述纵横波探头(。

4、9)， 并分 别形成纵波回波信号和横波回波信号； 纵波脉冲回波检测模块(2)， 其用于接收所述纵波回波信号， 并将所述纵波回波信号转 换为第一电信号； 横波脉冲回波检测模块(3)， 其用于接收所述横波回波信号， 并将所述横波回波信号转 换为第二电信号； 主控制器(6)， 其为双路高速控制器， 所述主控制器(6)分别与纵波脉冲回波检测模块 (2)和横波脉冲回波检测模块(3)连接， 所述主控制器(6)用于根据所述第一电信号和第二 电信号得到待测螺栓的横纵波声时比。 2.如权利要求1所述的一种螺栓轴力的纵横波测量装置， 其特征在于， 其还包括： 第一信号处理模块(4)， 其连接于所述纵波脉冲回波检测。

5、模块(2)和所述主控制器(6) 之间， 用于对所述第一电信号进行处理； 第二信号处理模块(5)， 其连接于所述横波脉冲回 波检测模块(3)和所述主控制器(6)之间， 用于对所述第二电信号进行处理。 3.如权利要求2所述的一种螺栓轴力的纵横波测量装置， 其特征在于， 所述第一信号处 理模块(4)包括第一信号调理系统(41)和第一A/D转换器(42)， 所述第一信号调理系统(41) 分别与所述纵波脉冲回波检测模块(2)和所述第一A/D转换器(42)相连。 4.如权利要求3所述的一种螺栓轴力的纵横波测量装置， 其特征在于， 所述第二信号处 理模块(5)包括第二信号调理系统(51) 和第二A/D转换器。

6、(52)， 所述第二信号调理系统 (51)分别与所述横波脉冲回波检测模块(3)和所述第二A/D转换器(52)相连。 5.如权利要求4所述的一种螺栓轴力的纵横波测量装置， 其特征在于， 所述第一信号调 理系统(41)和所述第二信号调理系统(51)均能够自动适应强脉冲和弱信号。 6.如权利要求5所述的一种螺栓轴力的纵横波测量装置， 其特征在于， 所述第一A/D转 换器(42)和所述第二A/D转换器(52)均为40MSPS的A/D转换器。 7.如权利要求1所述的一种螺栓轴力的纵横波测量装置， 其特征在于， 所述主控制器 (6)为FPGA控制器， 其采用高速AD转换芯片。 8.如权利要求1所述的一种螺。

7、栓轴力的纵横波测量装置， 其特征在于， 还包括与所述主 控制器(6)相连的高速数据缓存模块(7)， 所述高速数据缓存模块(7)用于缓存所述纵波回 波信号和横波回波信号。 9.如权利要求1所述的一种螺栓轴力的纵横波测量装置， 其特征在于， 还包括与所述主 控制器(6)相连的数据通信模块(8)， 所述数据通信模块(8)用于将所述纵波回波信号和横 波回波信号传输至计算机。 10.如权利要求1所述的一种螺栓轴力的纵横波测量装置， 其特征在于， 所述双路脉冲 发生模块(1)包括相连的双路高压脉冲系统(11)和电源管理系统(12)， 所述双路高压脉冲 系统(11)用于为所述纵横波探头(9)提供纵波激励脉冲。

8、和横波激励脉冲， 所述电源管理系 统(12)为所述双路高压脉冲系统(11)提供能量。 权利要求书 1/1 页 2 CN 211954526 U 2 一种螺栓轴力的纵横波测量装置 技术领域 0001 本申请涉及桥梁紧固杆件检测技术领域， 特别涉及一种螺栓轴力的纵横波测量装 置。 背景技术 0002 目前， 在现代桥梁工程中， 钢结构主要通过高强度螺栓进行连接， 因此， 高强度螺 栓的连接直接影响到桥梁的安全。 在实际使用的过程中， 危害桥梁安全的高强度螺栓连接 的主要病害包括以下三种： 延迟断裂、 松动滑移、 锈蚀， 据研究， 这三种病害皆与螺栓的紧固 轴力状态有关。 除普通的高强度螺栓外， 特。

9、殊形式的高强度螺栓的紧固轴力也会影响桥梁 安全， 例如当索夹螺杆的紧固力不足时， 将导致索夹在主缆上发生滑移， 从而引起吊索倾斜 等严重问题。 因此， 在桥梁施工及验收的过程中， 高强度螺栓或螺杆紧固轴力的准确检测评 估对于桥梁整体结构的安全是极为重要的。 0003 相关技术中， 传统的检测方法包括： 高强度螺栓的扭矩检查法、 转角检查法、 索夹 螺杆的千斤顶拔出法等， 然而这些传统的检测方法存在难以准确测量出高强度螺栓或螺杆 紧固轴力状态的技术问题。 随着检测技术的发展， 目前主流的检测方法为超声波检测法， 与 传统方法相比， 超声波检测法的优势在于能够直接而精确地测量出螺栓的轴向紧固应力。。

10、 超声波检测法的原理为： 基于材料的声弹性原理， 通过超声波沿螺栓轴向传播的时间及其 变化来确定螺栓中的轴向紧固应力。 0004 但是， 现有技术中的超声波检测法需要在螺栓紧固前精密地测量纵波在螺栓中沿 轴向的传播声时， 即无应力状态下的初始声时， 然后再测量螺栓紧固后纵波在螺栓中沿轴 向的传播声时的变化。 因此， 对于桥梁上已经安装的高强度螺栓的紧固轴力无法直接进行 测量。 发明内容 0005 本申请实施例提供一种螺栓轴力的纵横波测量装置， 以解决相关技术中对于桥梁 上已经安装的高强度螺栓的紧固轴力无法直接进行测量的问题。 0006 本申请实施例提供了一种螺栓轴力的纵横波测量装置， 其包括：。

11、 0007 一纵横波探头， 其用于与待测螺栓相连； 0008 双路脉冲发生模块， 其用于为所述纵横波探头提供纵波激励脉冲和横波激励脉 冲， 所述纵波激励脉冲和所述横波激励脉冲分别用于从所述待测螺栓的一端穿过， 沿所述 待测螺栓内部轴向传播， 到达所述待测螺栓的另一端后返回为至所述纵横波探头， 并分别 形成纵波回波信号和横波回波信号； 0009 纵波脉冲回波检测模块， 其用于接收所述纵波回波信号， 并将所述纵波回波信号 转换为第一电信号； 0010 横波脉冲回波检测模块， 其用于接收所述横波回波信号， 并将所述横波回波信号 转换为第二电信号； 说明书 1/5 页 3 CN 211954526 U。

12、 3 0011 主控制器， 其为双路高速控制器， 所述主控制器分别与纵波脉冲回波检测模块和 横波脉冲回波检测模块连接， 所述主控制器用于根据所述第一电信号和第二电信号得到待 测螺栓的横纵波声时比。 0012 一些实施例中， 该装置还包括： 0013 第一信号处理模块， 其连接于所述纵波脉冲回波检测模块和所述主控制器之间， 用于对所述第一电信号进行处理； 0014 第二信号处理模块， 其连接于所述横波脉冲回波检测模块和所述主控制器之间， 用于对所述第二电信号进行处理。 0015 一些实施例中， 所述第一信号处理模块包括第一信号调理系统和第一A/D转换器， 所述第一信号调理系统分别与所述纵波脉冲回。

13、波检测模块和所述第一A/D转换器相连。 0016 一些实施例中， 所述第二信号处理模块包括第二信号调理系统和第二A/D转换器， 所述第二信号调理系统分别与所述横波脉冲回波检测模块3和所述第二A/D转换器相连。 0017 一些实施例中， 所述第一信号调理系统和所述第二信号调理系统均能够自动适应 强脉冲和弱信号。 0018 一些实施例中， 所述第一A/D转换器和所述第二A/D转换器均为40MSPS的A/D转换 器。 0019 一些实施例中， 所述主控制器为FPGA控制器， 其采用高速AD转换芯片。 0020 一些实施例中， 该装置还包括与所述主控制器相连的高速数据缓存模块， 所述高 速数据缓存模块。

14、用于缓存所述纵波回波信号和横波回波信号。 0021 一些实施例中， 该装置还包括与所述主控制器相连的数据通信模块， 所述数据通 信模块用于将所述纵波回波信号和横波回波信号传输至计算机。 0022 一些实施例中， 所述双路脉冲发生模块包括相连的双路高压脉冲系统和电源管理 系统， 所述双路高压脉冲系统用于为所述纵横波探头提供纵波激励脉冲和横波激励脉冲， 所述电源管理系统为所述双路高压脉冲系统提供能量。 0023 本申请提供的技术方案带来的有益效果包括： 能够通过双路脉冲发生模块提供纵 波激励脉冲和横波激励脉冲， 直接对桥梁上已安装的高强度螺栓的紧固轴力进行测量， 节 省了人力、 物力， 提高了检测。

15、效率。 0024 本申请实施例提供了一种螺栓轴力的纵横波测量装置， 由于具有双路脉冲发生模 块提供纵波激励脉冲和横波激励脉冲、 以及双路高速控制器进行数据的采集、 存储、 处理及 通信， 可以计算出待测螺栓的横纵波声时比， 当需要计算螺栓轴力时， 可以根据声时比来计 算轴力， 进而能够实现对桥梁上已安装的高强度螺栓的紧固轴力进行测量。 附图说明 0025 为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案， 下面将对实施例描述中所需要使 用的附图作简单地介绍， 显而易见地， 下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例， 对于 本领域普通技术人员来讲， 在不付出创造性劳动的前提下， 还可以根据这些附图获得其。

16、他 的附图。 0026 图1为本申请实施例提供的一种螺栓轴力的纵横波测量装置的结构示意图； 0027 图2为本申请实施例提供的第一信号处理模块的结构示意图； 说明书 2/5 页 4 CN 211954526 U 4 0028 图3为本申请实施例提供的第二信号处理模块的结构示意图； 0029 图4为本申请实施例提供的标定试验曲线。 0030 图中： 1-双路脉冲发生模块； 11-双路高压脉冲系统； 12-电源管理系统； 2-纵波脉 冲回波检测模块； 3-横波脉冲回波检测模块； 4-第一信号处理模块； 41-第一信号调理系统； 42-第一A/D转换器； 5-第二信号处理模块； 51-第二信号调理系。

17、统； 52-第二A/D转换器； 6-主 控制器； 7-高速数据缓存模块； 8-数据通信模块， 9-纵横波探头。 具体实施方式 0031 为使本申请实施例的目的、 技术方案和优点更加清楚， 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， 所描述的实施例是 本申请的一部分实施例， 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 员在没有做出创造性劳动的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。 0032 参见图1至图3所示， 本申请实施例提供了一种螺栓轴力的纵横波测量装置， 其能 解决对于桥梁上已经安装的高强度螺栓的紧固。

18、轴力无法直接进行测量的问题。 0033 图1是本申请实施例提供的一种螺栓轴力的纵横波测量装置的结构示意图， 该装 置包括纵横波探头9、 双路脉冲发生模块1、 纵波脉冲回波检测模块2、 横波脉冲回波检测模 块3和主控制器6， 其中， 双路脉冲发生模块1用于为所述纵横波探头9提供纵波激励脉冲和 横波激励脉冲， 所述纵波激励脉冲和所述横波激励脉冲分别用于从所述待测螺栓的一端穿 过， 沿所述待测螺栓内部轴向传播， 到达所述待测螺栓的另一端后返回为至所述纵横波探 头9， 并分别形成纵波回波信号和横波回波信号； 纵波脉冲回波检测模块2用于接收所述纵 波回波信号， 并将所述纵波回波信号转换为第一电信号； 横。

19、波脉冲回波检测模块3用于接收 所述横波回波信号， 并将所述横波回波信号转换为第二电信号； 主控制器6为双路高速控制 器， 主控制器6分别与纵波脉冲回波检测模块2和横波脉冲回波检测模块3连接， 所述主控制 器6用于根据所述第一电信号和第二电信号得到待测螺栓的横纵波声时比。 0034 在实际应用中， 当得到待测螺栓声时比后， 可以据预设的与待测螺栓的横纵波声 时比和轴力相关的标定曲线和经验公式得到待测螺栓的轴力。 0035 测量待测螺栓的轴力之前， 首先需要将一个与待测螺栓同批次规格的螺栓设为标 定螺栓， 并获取该标定螺栓的横纵波声时比和轴力相关的标定曲线， 获取方法为： 通过试验 机对该标定螺栓。

20、施加不同程度的力以模拟螺栓轴力， 然后使用本装置测量该标定螺栓在不 同螺栓轴力下的纵波声时与横波声时， 计算出横纵波声时比， 根据标定螺栓的横纵波声时 比和螺栓轴力绘制出标定曲线， 最后得出标定的经验公式。 本申请实施例的工作原理为： 先 将本装置的纵横波探头9与已经安装在桥梁上的待测螺栓连接， 通过双路脉冲发生模块1得 到待测螺栓的纵波回波信号和横波回波信号； 通过纵波脉冲回波检测模块2、 横波脉冲回波 检测模块3将纵波回波信号和横波回波信号分别转换为第一电信号和第二电信号， 然后由 主控制器6得出待测螺栓的横纵波声时比； 最后将待测螺栓的横纵波声时比代入标定的经 验公式， 得到待测螺栓的轴。

21、力。 0036 本申请实施例以长度310mm、 中间夹持长度(受力区域)250mm的高强度螺栓M30为 例进行说明。 测量前， 首先将纵横波探头9连接在高强度螺栓M30上， 通过试验机对高强度螺 栓M30分别施加0kN、 100kN、 200kN、 300kN、 400kN、 500kN的力， 通过双路脉冲发生模块1发出 说明书 3/5 页 5 CN 211954526 U 5 纵波激励脉冲和横波激励脉冲， 通过主控制器6得出不同大小的压力下的纵波声时a和横波 声时b， 并进行记录， 根据横纵波声时比公式cb/a， 计算出不同大小的压力下高强度螺栓 M30的横纵波声时比c， 本实施例中记录的试。

22、验数据如表1所示， 绘制的标定曲线如图4所示。 然后根据试验数据和标定曲线计算出经验公式， 本实施例中所得的经验公式为： 0037 Fk(c0-c)73491*(1.83410-c) 0038 得出经验公式后， 对已经安装在桥梁上的高强度螺栓进行测量， 将纵横波探头9与 待测的高强度螺栓连接， 通过双路脉冲发生模块1发出纵波激励脉冲和横波激励脉冲， 记录 纵波声时a和横波声时b， 根据横纵波声时比公式计算出横纵波声时比c， 代入经验公式即可 得到此螺栓的轴力F。 在本实施例中， 根据标定曲线和经验公式得到待测螺栓轴力的过程， 可以由人工查表得到， 也可以由计算机运算得到。 0039 表1标定试。

23、验数据 0040 序号螺栓轴力F/kN纵波声时a/ s横波声时b/ s横纵波声时比c 10104.5211191.70211.83410 2100104.6472191.79031.83273 3200104.7733191.87851.83137 4300104.8994191.96671.83001 5400105.0255192.05491.82865 6500105.1516192.14311.82730 0041 与现有技术相比， 本申请实施例提供的一种螺栓轴力的纵横波测量装置能够对于 桥梁上已经安装的高强度螺栓的紧固轴力进行直接测量， 无需借助其他辅助设备进行检 测， 节省了人力物。

24、力。 0042 更进一步地， 本申请实施例还包括第一信号处理模块4和第二信号处理模块5， 第 一信号处理模块4连接于所述纵波脉冲回波检测模块2和所述主控制器6之间， 用于对第一 电信号进行处理； 第二信号处理模块5连接于所述横波脉冲回波检测模块3和所述主控制器 6之间， 用于对所述第二电信号进行处理。 0043 参见图1和图2所示， 作为一种优选的实施方式， 所述第一信号处理模块4包括第一 信号调理系统41和第一A/D转换器42， 所述第一信号调理系统41分别与所述纵波脉冲回波 检测模块2和所述第一A/D转换器42相连。 在本申请实施例中， 第一信号调理系统41为大动 态信号调理系统。 004。

25、4 参见图1和图3所示， 作为一种优选的实施方式， 所述第二信号处理模块5包括第二 信号调理系统51和第二A/D转换器52， 所述第二信号调理系统51分别与所述横波脉冲回波 检测模块3和所述第二A/D转换器52相连。 在本申请实施例中， 第二信号调理系统51为大动 态信号调理系统。 0045 参见图1至图3所示， 作为一种优选的实施方式， 所述第一信号调理系统41和所述 第二信号调理系统51均能够自动适应强脉冲和弱信号。 0046 作为一种优选的实施方式， 所述第一A/D转换器42和所述第二A/D转换器52均为 40MSPS的A/D转换器。 在本申请实施例中， 采用高速AD转换芯片设计双通道独。

26、立并行40MSPS 采样系统。 0047 作为一种优选的实施方式， 所述主控制器6为FPGA控制器， 其采用高速AD转换芯 说明书 4/5 页 6 CN 211954526 U 6 片。 FPGA控制器完成超声纵波回波、 横波回波的高速数据采集、 缓存、 处理以及数据通信。 0048 作为一种优选的实施方式， 本装置还包括与所述主控制器6相连的高速数据缓存 模块7， 所述高速数据缓存模块7用于缓存所述纵波回波信号和横波回波信号， 其利用高速 FIFO实现外部高速AD的缓存。 0049 作为一种优选的实施方式， 本装置还包括与所述主控制器6相连的数据通信模块 8， 所述高速数据缓存模块7用于缓存。

27、所述纵波回波信号和横波回波信号， 其采用High Speed USB 2.0进行数据通信。 0050 作为一种优选的实施方式， 所述双路脉冲发生模块1包括相连的双路高压脉冲系 统11和电源管理系统12， 所述双路高压脉冲系统11用于为所述纵横波探头9提供纵波激励 脉冲和横波激励脉冲， 所述电源管理系统12为所述双路高压脉冲系统11提供能量。 0051 作为一种优选的实施方式， 所述电源管理系统12的电压等级为624V。 电源管理 系统12包括电池， 电池进行能量供应。 0052 在本申请的描述中， 需要说明的是， 术语 “上” 、“下” 等指示的方位或位置关系为基 于附图所示的方位或位置关系，。

28、 仅是为了便于描述本申请和简化描述， 而不是指示或暗示 所指的装置或元件必须具有特定的方位、 以特定的方位构造和操作， 因此不能理解为对本 申请的限制。 除非另有明确的规定和限定， 术语 “安装” 、“相连” 、“连接” 应做广义理解， 例 如， 可以是固定连接， 也可以是可拆卸连接， 或一体地连接； 可以是机械连接， 也可以是电连 接； 可以是直接相连， 也可以通过中间媒介间接相连， 可以是两个元件内部的连通。 对于本 领域的普通技术人员而言， 可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。 0053 需要说明的是， 在本申请中， 诸如 “第一” 和 “第二” 等之类的关系术语仅仅用来将。

29、 一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来， 而不一定要求或者暗示这些实体或操作 之间存在任何这种实际的关系或者顺序。 而且， 术语 “包括” 、“包含” 或者其任何其他变体意 在涵盖非排他性的包含， 从而使得包括一系列要素的过程、 方法、 物品或者设备不仅包括那 些要素， 而且还包括没有明确列出的其他要素， 或者是还包括为这种过程、 方法、 物品或者 设备所固有的要素。 在没有更多限制的情况下， 由语句 “包括一个” 限定的要素， 并不排 除在包括所述要素的过程、 方法、 物品或者设备中还存在另外的相同要素。 0054 以上所述仅是本申请的具体实施方式， 使本领域技术人员能够理解或实现本申 请。 对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的， 本文中所定义的 一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下， 在其它实施例中实现。 因此， 本申请 将不会被限制于本文所示的这些实施例， 而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一 致的最宽的范围。 说明书 5/5 页 7 CN 211954526 U 7 图1 图2 图3 说明书附图 1/2 页 8 CN 211954526 U 8 图4 说明书附图 2/2 页 9 CN 211954526 U 9 。