本发明属于无损检测技术领域，涉及一种超声测量螺栓轴向应力的试验方法，适用于试验螺栓的轴向应力超声检测是否准确，并制作超声检测螺栓的数据曲线。
背景技术：
目前，国内在螺栓应力超声测量技术方面的研究已取得了一定的成果。
超声测应力的一个重要的影响因素是温度，有人在研究温度的影响时，提出了对于温度的修正方法说明了两点：
第一、在存在温度影响的情况下，纵横波相结合的方法来进行应力测量会好于单独使用纵波测量；
第二、由于螺纹连接副的使用特性，螺栓在配合使用时即承受轴向的拉力又承受周向的扭力，在利用超声测应力时周向扭力对螺检轴力声弹性测量的影响是可以忽略的。
超声波探头和待测工件的耦合作为一种最基础的技术参数，对测试结果的影响是首先要解决的重要问题。在测量时，必须在探头上涂抹親合剂以进行稱合。
在被检测工件的处理上。随着压电陶瓷的研究发展，压电陶瓷的性能在不断提高，压电陶瓷制备方法和手段越来越多，换能器的性能结构研究不断突破。
当测试仪超声波激发器接触到此压电陶瓷传感器时，产生高压电脉冲，电脉冲加到压电陶瓷上，使其产生超声波。超声波在螺栓中传播，返回信号由采集接收装置接收并被分析处理并将当前螺栓的应力状态在屏幕上反映出来。
传统超声检测存在的缺陷，以及现有人工到现场进行逐个进行检测，存在安全风险、检测效率低，检测成本大的问题。
技术实现要素：
本发明提供一种基于超声测量螺栓轴向应力的试验装置，可对风力发电机组的各种高强度螺栓进行测试。
本发明另一目的是提供一种超声测量螺栓轴向应力的测试方法。
本发明采用的具体技术方案如下：
一种基于超声测量螺栓轴向应力的测试装置，包括拉伸试验机、高低温试验箱、应力测量系统和超声测量系统；所述应力测量系统包括应变片、信号采集单元和信号处理单元，所述应变片粘贴在被测螺栓的螺杆上；超声测量系统的检测探头安装在被测螺栓的端部；高低温试验箱用于放置拉伸试验机和被测试螺栓，及调节测试温度；测试时，拉伸试验机向被测螺栓施加压力，粘贴在被测螺栓上的压变片发生形变，信号采集单元采集的信号经信号处理单元处理后输出；超声测量系统测量超声在螺栓中传播的声时差信号并输出。
进一步地，超声测量系统包括检测探头、探头固定装置、超声测量仪和耦合剂；检测探头通过探头固定装置安装在被测螺栓的端部，并于被测螺栓上配合面填充耦合剂；超声测量仪接收和处理检测探头测量的信号。
进一步地，所述探头固定装置包括圆柱型探头放置盒、永久磁铁和固定螺栓；探头置于圆柱型探头放置盒内，并通过固定螺栓进行固定；永久磁铁位于圆柱型探头放置盒的下部，并与探头放置盒固定粘接，永久磁铁同时用于与被螺栓连接。
进一步地，所述永久磁铁通过502胶与探头放置盒粘接。
进一步地，探头固定装置还设置有环形罩用于与被测螺栓端部连接；或采用环形永磁铁与被测螺栓端部连接。
进一步地，所述超声测量仪要求超声纵波、横波传播时间的测量精度达到1ns，测量原理为采用底面反射回波模式测量传播时间。
进一步地，拉伸试验机采用400吨的拉伸试验机，配有多种规格的螺栓夹具。
进一步地，高低温试验箱的恒温箱设有延伸罩，被测试螺栓放置在延伸罩内。
进一步地，所述高低温试验箱的调温范围为-50～＋100℃，恒温箱具有延伸罩，试验螺栓在延伸罩内特定恒温下进行试验。
一种超声测量螺栓轴向应力的测试方法，采用上述权利要求1-9所述测试装置，包括以下步骤：
1）在被测螺栓的螺杆上打磨一区域；
2）贴上应变片，组装应力测量系统；
3）安装检测探头，通过探头固定装置将检测探头与被测螺栓端部耦合固定；
4）被检测螺栓固定在拉伸试验机上，高低温试验箱恒温箱的延伸罩将被检测螺栓密闭其内；
5）高低温试验箱的测试温度不变条件下，拉伸试验机向被检测螺栓施加变化的压力，通过应力测量系统测量得到各压力条件下应力值，通过超声测量系统测量传播时间；
6）根据测试结果，计算施加两个应力下所测的传播时间之间的差值，即为声时差，并绘制轴向应力与声时差曲线；
7）在施压不变，调节高低温试验箱温度，并记录每个温度下，超声测量系统所测得的传播时间；
8）根据测试结果绘制温度与传播时间曲线。
进一步地，步骤5）中，所述变化的压力，取值分别为100mpa、200mpa、300mpa、400mpa、500mpa。
进一步地，步骤7）中，调节高低温试验箱温度分别为-20℃、0℃、 10℃、 20℃、 40℃。
本发明相比现有技术具有如下有益效果：
1、本发明基于超声测量螺栓轴向应力的试验装置，克服了传统超声检测存在的缺陷，以及现有人工到现场进行逐个进行检测，存在安全风险、检测效率低，检测成本大的问题。保证了螺栓检测的准确性。
2、本发明以风力发电机组的各种高强度螺栓为试验样品进行试验研究对象，利用拉伸试验机、高低温试验箱、应力测量系统、螺栓轴力超声测量系统等试验设备组建成本项目的试验研究平台，进行相关试验。
3、该方法可用于判料超声检测螺栓的轴向应力是否准确，并制作超声测量螺栓轴向应力的特性曲线和温度与应力的特性曲线，温度与应力的特性曲线用于修正温度对应力的影响，超声测量螺栓轴向应力的特性曲线可用于找出声时差与螺栓轴向应力的线性关系，从而开发出超声检测仪应用于现场进行螺栓检测。
附图说明
图1为本发明的试验装置结构示意图之一；
图2为本发明的试验装置结构示意图之二（也作摘要附图）；
图3为20号碳钢20℃时螺栓声时差-轴向应力关系曲线图；
图中：拉伸试验机010、拉伸试验机011，配有各种规格的螺栓夹具012、高低温试验箱020、恒温箱021、延伸罩022，螺栓轴力超声测量系统030由检测探头031、探头固定装置032、连接线033、超声测量仪034、应力测量系统040、应变片041、连接线042、信号采集单元043、信号处理单元044。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述：
实施例一：
本发明的基于超声测量螺栓轴向应力的试验装置，包括：
如图1所示，拉伸试验机010、高低温试验箱020、应力测量系统040和螺栓轴力超声测量系统030等组成。
拉伸试验机采用400吨的拉伸试验机011，配有各种规格的螺栓夹具012。恒温箱021，温度范围为-50～＋100℃，高低温试验箱设有延伸罩022，试验螺栓在延伸罩内进行试验。应力测量系统040由应变片041、连接线042、信号采集单元043、信号处理单元044组成，应变片粘贴在被测螺栓的螺杆上。
超声测量系统030由检测探头031、探头固定装置032、连接线033、超声测量仪034、耦合剂组成，超声测量仪要求超声纵波、横波传播时间的测量精度达到1ns，测量原理为采用底面反射回波模式测量传播时间。超声测量系统的检测探头安装在被测螺栓的端部；高低温试验箱用于放置拉伸试验机和被测试螺栓，及调节测试温度；测试时，拉伸试验机向被测螺栓施加压力，粘贴在被测螺栓上的压变片发生形变，信号采集单元采集的信号经信号处理单元处理后输出；超声测量系统测量超声在螺栓中传播的声时差信号并输出。
测试例一：
以20号碳钢的螺栓为例进行，采用上例装置超声测量螺栓轴向应力测试过程如下：
（1）在试验螺栓螺杆的中部打磨出2×1mm的平整光滑区域。
（2）将应变片，采用502胶水贴合在螺杆平整光滑区域，方向为平行于螺栓的轴向方向。连接线依次连接应变片、信号采集单元、信号处理单元，并调试应力测量系统，记录外部零应力下的轴向应变值。
（3）选用与试验螺栓规格相匹配的检测探头，安装检测探头并连接好超声测量仪对螺栓进行测量；
（4）将试验螺栓用螺栓夹具固定在拉伸试验机上，螺栓上端采用固定装置与探头进行固定耦合。被测试螺栓放置高低温试验的在恒温箱延伸罩内。
（5）保持高低温试验箱温度20℃不变，拉伸试验机依次给螺栓施加100mpa、200mpa、300mpa、400mpa、500mpa的拉力，通过通过应力测量系统测量试验螺栓的轴向应力值，通过超声检测仪测量超声在螺栓的传播时间，并一一进行对应进行记录。
（6）根据试验记录，找出所测螺栓轴向应力与超声传播时间的关系，并制作超声测量螺栓声时差与应力关系的特性曲线。如图3所示为施加上述变压力，测试温度为20℃时的20号钢螺栓超声测量螺栓声时差与应力关系的特性曲线。声时差为施加两个应力时所测的传播时间之间的差值。
（7）保持拉伸试验机依次给螺栓施加100mpa不变，将高低温试验箱温度分别调至-20℃、0℃、 10℃、 20℃、 40℃五档，超声检测仪测量不同温度下，超声在螺栓的传播时间，并分别对应进行记录。
（8）根据试验记录，找出所测超声传播时间与温度的关系，并制作超声测量螺栓温度与传播时间的特性曲线。螺栓在承受了轴向力后，螺栓的传播时间与螺栓温度之间具有良好的线性关系。螺栓在承受载荷和不承受载荷的状况下，螺栓的温度和传播时间之间存在着较好的线性。同一只螺栓在承受载荷状况下和不承受载荷状况下，螺栓的传播时间和螺栓温度变化存在着线性关系，且两种状况下的斜率接近。
根据上述所绘制的轴向应力与声时差曲线，应用于现场进行螺栓应力检测。并参照温度与传播时间曲线，对现场实际检测温度所测得的传播时间进行修正。
温度与应力的特性曲线和超声测量螺栓轴向应力的特性曲线应用于超声检测仪的软件系统，从而开发出超声应力检测仪并应用于现场进行螺栓应力检测。
1.一种基于超声测量螺栓轴向应力的测试装置，包括拉伸试验机和高低温试验箱，其特征在于：还包括应力测量系统和超声测量系统，所述应力测量系统包括应变片、信号采集单元和信号处理单元，所述应变片粘贴在被测螺栓的螺杆上；超声测量系统的检测探头安装在被测螺栓的端部；高低温试验箱用于放置拉伸试验机和被测试螺栓，及调节测试温度；测试时，拉伸试验机向被测螺栓施加压力，粘贴在被测螺栓上的压变片发生形变，信号采集单元采集的信号经信号处理单元处理后输出；超声测量系统测量超声在螺栓中传播的声时差信号并输出。
2.根据权利要求1所述基于超声测量螺栓轴向应力的测试装置，其特征在于：超声测量系统包括检测探头、探头固定装置、超声测量仪和耦合剂；检测探头通过探头固定装置安装在被测螺栓的端部，并于被测螺栓上配合面填充耦合剂；超声测量仪接收和处理检测探头测量的信号。
3.根据权利要求2所述基于超声测量螺栓轴向应力的测试装置，其特征在于：所述探头固定装置包括圆柱型探头放置盒、永久磁铁和固定螺栓；探头置于圆柱型探头放置盒内，并通过固定螺栓进行固定；永久磁铁位于圆柱型探头放置盒的下部，并与探头放置盒固定粘接，永久磁铁同时用于与被螺栓连接。
4.根据权利要求3所述基于超声测量螺栓轴向应力的测试装置，其特征在于：所述永久磁铁通过502胶与探头放置盒粘接。
5.根据权利要求3所述基于超声测量螺栓轴向应力的测试装置，其特征在于：探头固定装置还设置有环形罩用于与被测螺栓端部连接；或采用环形永磁铁与被测螺栓端部连接。
6.根据权利要求3所述基于超声测量螺栓轴向应力的测试装置，其特征在于：高低温试验箱的恒温箱设有延伸罩，被测试螺栓放置在延伸罩内。
7.根据权利要求3所述基于超声测量螺栓轴向应力的测试装置，其特征在于：所述高低温试验箱的调温范围为-50～＋100℃。
8.一种超声测量螺栓轴向应力的测试方法，采用上述权利要求1-7所述测试装置，包括以下步骤：
1）在被测螺栓的螺杆上打磨一区域；
2）贴上应变片，组装应力测量系统；
3）安装检测探头，通过探头固定装置将检测探头与被测螺栓端部耦合固定；
4）被检测螺栓固定在拉伸试验机上，高低温试验箱恒温箱的延伸罩将被检测螺栓密闭其内；
5）高低温试验箱的测试温度不变条件下，拉伸试验机向被检测螺栓施加变化的压力，通过应力测量系统测量得到各压力条件下应力值，通过超声测量系统测量传播时间；
6）根据测试结果，计算施加两个应力下所测的传播时间之间的差值，即为声时差，并绘制轴向应力与声时差曲线；
7）在施压不变，调节高低温试验箱温度，并记录每个温度下，超声测量系统所测得的传播时间；
8）根据测试结果绘制温度与传播时间曲线。
9.根据权利要求8所述超声测量螺栓轴向应力的测试方法，步骤5）中，所述变化的压力，取值分别为100mpa、200mpa、300mpa、400mpa、500mpa。
10.根据权利要求9所述超声测量螺栓轴向应力的测试方法，步骤7）中，调节高低温试验箱温度分别为-20℃、0℃、 10℃、 20℃、 40℃。
技术总结