Page 113 - 《应用声学》2021年第4期

第 40 卷 第 4 期 严勇等： 风电螺栓轴向应力超声测量标定实验研究 597

ʽͯ఻ ႃᑨ 准，用 42CrMoA 风电螺栓截断、完全退火、磨削后
制作了精密校准棒，长度分别为 L 1 =149.80 mm 和
ᤰ᝭വڱ
、
L 2 = 207.16 mm，根据这两根校准棒测量声时 T L 1
฾ພႃ᡹ T L 2 及长度差可计算出实际声速V 如下：
ᡔܦ ພए͜ਖ٨
ᰴԍᑢф ૱ᑟ٨
CPUܫေ٨ ԧၷႃ᡹ V = 2 · (207.16 − 149.80)/(T L 2 − T L 1 ). (12)
ᡔܦ༏ҵ 根据该声速，计算出超声波在校准棒内传导的理
ԧ࠱ႃ᡹
、
论声时 T th ，测量声时 T L 1 、T L 2 与理论声时 T thL 1
᫠ϙូᓬ AGCܙᄞ଍҄ 的差值即为测试系统自身测试信号延时导致
T thL 2
的误差，根据长短试件分别计算测试系统自身信号
ᡔܦܦ௑ ᣿᫠ϙ AGC 延时导致的误差并取平均值δT，即可在螺栓轴向应
᧔ᬷႃ᡹ ฾᧚ ஊܸႃ᡹ ࣜᤰ໚ฉ
力系统中减去这一测试系统延时导致的声时误差。
(a) Ԕေ಴ڏ
= 2·149.80/V, (13)
T th L 1
207.16
= 2· , (14)
T th L 2
V
)
(T L 1 − T th L 1 ) + (T L 2 − T th L 2
δT = . (15)
2
根据上述方法，在测试系统软件中设计了标定
功能，只需在测试前连接好导线、探头等，然后分别
测量长短试件超声声时，即可自动计算出测试系统
当前状态下的延时误差，并在接下来的测试中剔除

(b) ฾តဘڤ 这一误差，提高测量精度，图2 为自制试件及标定时
的超声回波信号。这一方法适用于测试前现场对测
图 1 螺栓轴向应力超声测量系统原理框图与测试现场
量系统进行标定，表 1 为环境温度为 29.09 C 时测
◦
Fig. 1 Principle block diagram and test photo of ul-
trasonic measurement system for axial stress in bolts 量系统自身延时误差的标定数据。进一步的测试表
明，超声换能器对信号延时有显著影响，在超声换
3.1 测试系统自身延时误差的标定 能器为唯一变化因素的情况下，经过对同一批次定
在螺栓轴向应力的超声测量中，由于超声换能 制的10个5 MHz超声换能器进行测试，其对同一标
器、导线及测量电路的延时作用，会使得测量声时 定试件的测试声时值在 30∼150 ns 之间变化。在取
大于超声波在螺栓内传导的实际声时，从而导致测 连接超声换能器的屏蔽电缆长度为唯一变化因素
量误差。更换超声换能器、更换不同长度的导线等， 时，也会导致测量系统对同一标定试件的测试声时
都将对系统误差产生影响。为实现测量系统的校 值发生变化，其值大约为4 ns/m。

(a) ᒭ҄ಖࠀត͈ (b) ಖࠀฉॎ
图 2 自制 42CrMoA 风电螺栓标定
Fig. 2 Self made 42CrMoA steel wind turbine bolt calibration specimen