Page 102 - 无损检测2022年第十期
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冉毅川,等:
   一种用于超声螺栓预紧力测量的时延算法

     从表2可以看出, 针对该试验可选取螺栓应力系                          5 倍, 这说明频域补零互相关算法在具备传统算法

   数 K=1.680MPa · ns ; 同时可以看出 Pearson系数              测试精度的同时, 还拥有更快的运算速度。
                      -1
   大于0.99 , 说明标定数据具有良好的线性关系。
   3.2.2  螺栓预紧力测量                                    4  结语
       为验证 ZPCC 算法的有效性, 在拉伸机上对螺                         根据声弹性原理和胡克定律推导了纵波法预紧

   栓以 20 MPa 为步长进行加载, 待加载载荷稳定后                       力测量公式, 搭建了超声螺栓预紧力测量系统, 该系

   采集超声回波信号, 并选取相同长度波形( 约10000                       统最高硬件采样率可达 1.25GHz , 硬件声时分辨率


   点), 使用 MATLAB 软件在 dell7910 工作站上利                  为0.8ns ; 通过将频域升采样原理、 频域互相关时延
   用线性插值互相关算法( LCC )、 三次插值互相关算                       估计算法相结合, 提出了一种用于超声预紧力测量
   法( PCC )、 三样条插值互相关算法( SCC ) 和频域补                  的频域补零互相关时延估计算法; 采用仿真的方式
   零互相关 算 法 插 值 16 倍 计 算 其 时 延 Δ t , 结 合 式           验证了互相关时延算法在低信噪比条件下, 具有一
   ( 8 ), 得到测量预紧力, 并与加载值进行对比, 利用式                    定的降噪能力, 且计算结果稳定。
   ( 10 ) 计算相对误差值, 不同插值时延估计算法测试                           选取 8.8 级 M30×150 碳 钢 螺 栓 进 行 标 定 试

   结果如表 3 所示, 不同算法误差曲线如图 9 所示。                       验, 确定了该型 号 螺 栓 的 应 力 系 数 为 1.680 MPa ·
                                                     ns ; 对该型号螺栓的加载试验结果表明, 频域补零
                                                       -1
                   σ test- σ ref
              δ=              ×100%          ( 10 )
                      σ ref                          互相关算法测试精度可达 3.5% , 与传统算法相当,
                          为超声法测量得到的轴向
   式中: δ 为相对误差; σ test                               但运算速度提升了 500% 。
           为拉伸机加载的轴向应力。
   应力; σ ref
                                                     参考文献:
                                                      [ 1 ]   李光, 莫亚梅, 吴努 . 螺栓轴向应力测量技术的研究概
                                                           况及展望 [ J ] . 南 通 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版), 2009 , 8
                                                           ( 3 ): 67-71.
                                                      [ 2 ]   孙新亚, 胡锦东, 谢朝阳 . 钢结构工程中高强度螺栓轴
                                                           向应力的超声测量技术[ J ] . 科技风, 2019 ( 36 ): 93.
                                                      [ 3 ]   王寅观 . 声弹法及其应力测量的超声技术[ J ] . 新技术
                                                           新工艺, 1989 ( 4 ): 13-15.
                                                      [ 4 ]   盛广铭, 吴中川, 王甲峰 . 通信信号变采样率频域实现
                图 9  不同算法误差曲线
                                                           方法[ J ] . 通信技术, 2010 , 43 ( 2 ): 191-194.
       由图 9 可以看出, 随着加载轴向应力的增大, 测
                                                      [ 5 ]  CRECRAFTDI.Ultrasonicmeasurementofstresses

   试误差在逐步减小, 在 80 MPa以后误差趋于平缓,
                                                           [ J ] .Ultrasonics , 1968 , 6 ( 2 ): 117-121.

   因此将大于 80MPa的测试数据称为误差稳定区。
                                                      [ 6 ]   贾雪 . 基于声弹性效应的螺栓轴向应力检测系统研究
         表 3  不同插值时延估计算法测试结果
                                                           [ D ] . 成都: 西南交通大学, 2018.
                                 算法                   [ 7 ]   ( 美) R.E. 克劳切, L.R. 拉宾纳著, 鄷广增译 . 多抽样
          项目
                      LCC    PCC     SCC   ZPCC            率数字信号处理[ M ] . 北京: 人民邮电出版社, 1988.
    算法速度 /( ms · 点  -1 )  52.4  51.6  67.8  10.62     [ 8 ]   柴晓东, 袁晓 . 数字信号抽取与插值不同次序的频域
    “ 稳定区” 平均误差 / %   2.925  2.925  2.807  2.925           分析[ J ] . 通信技术, 2009 , 42 ( 2 ): 317-319.

                                                      [ 9 ]   孙洋,徐慨,杨海亮 . 基于广义互相关时延估计算法
      由表 3 可以看出, 不同插值时延估计算法的测
                                                           的性能分析[ J ] .计算机与数 字 工 程, 2013 , 41 ( 1 ):
   量误差均小于 3.5% , 但运算速度有所差异, 线性插
                                                          33-34.
   值互相关算法、 三次插值互相关算法和三样条插值                           [ 10 ]   金牡丹,彭鹏菲,付学志 . 互相关时延估计器的硬件



   互相关算法的单点运算速度均大于 50 ms ; 而频域                             设计与实现[ J ] . 舰船电子工程, 2011 ( 9 ): 161-164.




   补零互相关算法运算速度仅为 10.62ms , 提升了约

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          2022 年 第 44 卷 第 10 期

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