【科普】超声轴力测量

在2025年1月1日正式实施的《大型游乐设施检验检测 超声应力测试》（GB/T 44512—2024）规定了大型游乐设施钢结构、螺栓,轴类等受力部件的超声应力测试方法。

超声应力测量方法是应用声弹性理论对受力部件内部应力测量的一种方法，可以测量受力螺栓轴力（螺栓轴力为轴向应力与螺杆截面积乘积），这种测量方法避免了扭矩系数离散的影响，可大大提高测量精度，同时可据此及时调整施工工艺来保证螺栓的施拧质量。

螺栓轴力超声测量技术是一种低成本、快速、无损的螺栓轴力测量方法。该技术自出现以来，就受到国内外学者的广泛关注。国内已经有用于桥梁螺栓和法兰螺栓的轴力测量系统研制的相关报道。

超声应力测量基于声弹性理论，即材料的应力状态会影响超声波在其中的传播速度。具体来说，当超声波在有应力的材料中传播时，其速度会发生变化，这种现象称为声弹性效应。通过测量超声波的传播速度变化，可以推断出材料中的应力状态。

例如，对于各向同性材料，纵波声速变化与应力变化之间的关系可以简化为线性关系，通过测量声时差来计算应力。

超声技术：

现有的超声技术包括压电超声技术和电磁超声技术。两种超声技术都有各自的优缺点。

图 1 电磁超声激发横纵波原理示意图

单波测量法（纵波）

目前,超声法测量螺栓轴力的方法主要有单波法（纵波法）和双波法（横纵波法或模式转换波、纵波法）。

单波测量法（纵波法）：根据声弹性理论，固体中的声速与应力有关。若假定螺栓紧固应力为单轴均匀拉伸应力，则超声波在螺栓内沿轴向传播的纵波速度与应力有线性关系。

图 2 单波法测试原理示意图

可以得出螺栓轴力表达式：

P=∆t/（t₀/K_L）

K_L是载荷因子，意义是螺栓单位轴力引起的声时相对变化，要测出超声纵波在螺栓自由状态的传播时间及其变化量，即可由标定得到。实测时只要保证螺栓握矩与标定时的一致，则可通过测得螺栓施拧前后超声纵波传播时间t₀和∆t，由公式即可求得螺栓的预紧轴力。

双波法（横纵波法）

双波法（横纵波法）即同时使用横波和纵波，根据声弹性理论公式计算可知,相比于单波法,双波法能够通过方程联立从轴力计算式中消除螺栓长度,即无需已知螺栓长度,可以对在役螺栓直接进行应力测量，因此具有更加广泛的应用前景。

被测工件的轴向应力与超声横、纵波声时的关系见公式:

式中:t_s为横波飞行时间;t_L为纵波飞行时间;k'为标定斜率;B'为标定截距。t_S和t_L为直接测量,通过预先标定同一型号螺栓的k'和B',即可实现对在役螺栓的轴力测量,或者在拧紧过程中对螺栓进行轴力测量。

图 3 横纵波法测试原理示意图

研究进展

测量精度提升：通过数值计算、仿真验证以及实验测试等手段，不断提高测量精度。如基于超声导波的螺栓轴向应力测量系统，可实现对多种型号螺栓轴向应力的精确测量，相对测量误差小于2%。

信号处理方法改进：针对超声回波信号模态混叠以及噪声干扰等问题，研究了多种信号处理算法。例如利用基于回波补偿的降噪算法、经验小波变换算法等，对实际测量信号进行降噪处理和模态分解，从而得到超声导波模态的精确声时，提高了测量的准确性。

应用领域拓展

风电领域：风电叶片螺栓是承受复杂应力和高负载的关键部件，超声轴力测量技术可用于风电叶片螺栓的在役监测，避免螺栓断裂造成危险隐患和经济损失，有助于改进螺栓装配工艺以及规范工人操作流程。

桥梁建筑领域：在钢桥高强螺栓轴力检测中得到应用，通过对高强度螺栓轴向应力的测量，确保桥梁结构的安全性和稳定性。

其他工业领域：还广泛应用于机械设备、车辆船舶、飞机卫星、铁路等领域的高强度螺栓紧固轴力测量，保障了各类工程结构的稳定和安全。

产品与设备研发

手持式测量仪：基于电磁超声技术，研制出了手持式高强度螺栓轴力测量仪，具有非接触、无需打磨、无需耦合剂和实时测量的特点，便于现场操作和使用。

多通道在线监测系统：开发了多通道在线监测系统，可对多个螺栓的轴力进行实时监测，适用于大型结构的长期健康监测，如风力发电机组法兰螺栓连接的在线监测。

存在问题与挑战

环境因素影响：温度、湿度等环境因素会对超声波的传播特性产生影响，进而影响测量结果的准确性。虽然已有一定的补偿方法，但还需进一步完善以提高测量的环境适应性。

复杂结构测量困难：对于一些形状复杂或表面不平整的螺栓，超声波的传播路径和反射特性会变得复杂，给测量带来一定困难。需要研究更有效的测量方案和信号处理方法来解决这一问题。

标准化与规范化不足：目前超声轴力测量技术在应用过程中，还缺乏统一的标准和规范，不同设备和方法之间的测量结果可能存在一定差异，影响了技术的推广和应用。