Page 113 - 无损检测2024年第九期

试验研究
试验研究

DOI：10.11973/wsjc240219

基于阈值和互相关的螺栓超声轴向应力测量算法

程芳玲 ，周庆祥 ，邱菲菲 ，刘 轩 ，罗春浪 ，苟国庆 ，闫广隆 ，陈 兵 2
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（1. 中车青岛四方机车车辆股份有限公司，青岛 266111；2. 西南交通大学 材料科学与工程学院，成都 610031）
摘 要：准确获取超声波的渡越时间是螺栓轴向应力测量的最基本要求。介绍了两种常用的
获取超声波传播时间的方法——阈值法和互相关算法，并将两种算法结合提出了阈值互相关算法，
辅以小波降噪算法提高渡越时间计算的准确性，使用碳钢螺栓对算法可靠性进行了验证。试验结
果表明，阈值互相关算法受噪声信号影响小，平均误差均可控制在5%内，具有良好的抗噪性能和
稳定性，在噪声较大的工程环境中实用性较好。
关键词：超声检测；阈值法；互相关算法；阈值互相关算法

中图分类号：TG115.28 文献标志码：A 文章编号：1000-6656(2024)09-0075-08

Ultrasonic axial stress measurement algorithm for bolts based on thresholding and
cross-correlation

CHENG Fangling , ZHOU Qingxiang , QIU Feifei , LIU Xuan , LUO Chunlang , GOU Guoqing ,
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YAN Guanglong , CHEN Bing 2
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（1. CRRC Qingdao Sifang Rolling Stock Co., Ltd., Qingdao 266111, China;
2. School of Materials Science and Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China）
Abstract: Accurate acquisition of the ultrasonic transit time is the most basic requirement for the measurement of axial
stresses in bolts. This paper introduced two commonly used methods to obtain the ultrasonic propagation time - threshold
method and mutual correlation algorithm, threshold mutual correlation algorithm proposed by the combination of the two
algorithms, wavelet noise reduction algorithm supplemented to improve the accuracy of time-of-flight calculation. 8.8
grade M20 × 100 carbon steel bolts were used to verify the reliability of proposed algorithm. The study showed that the
threshold cross-correlation algorithm was little affected by the noise signal, and the average error was controlled within
5%, which had good anti-noise performance and good stability, and had greater practicality in engineering environments
with large noise.
Key words: ultrasonic detection; threshold method; cross-correlation algorithm; threshold cross-correlation algorithm

螺栓在承受载荷时，其轴向应力状态是评估其 力测量的最基本要求。目前根据计算思路与原理的
工作性能和预测其失效模式的关键指标。超声技术 不同，最常见的超声波渡越时间计算方法有阈值算
因其非破坏性、高精度和实时性等优点，在螺栓轴向 法和互相关算法 。
[1]
应力测量领域得到了广泛应用。其原理是通过检测 阈值算法具有原理简单、实现容易的优点，非常
超声波在螺栓内部传播时的声学特性变化即渡越时 适合嵌入式系统并应用于实时性要求高的场合。然
间的变化，实现对螺栓轴向应力的间接测量。因此 而，环境噪声和信号跳变等不可避免的因素会影响
能够准确地获取超声波的渡越时间成为螺栓轴向应
超声回波信号的采集，从而限制了阈值算法的抗噪
性能和稳定性。
收稿日期：2024-05-20
互相关算法则是一种基于信号之间的相似度计
作者简介：程芳玲(1979—),女,高级工程师,主要从事高速列车
算来确定超声波传播时间的方法。其通过将待测信
工艺技术开发工作
通信作者：陈 兵，chenbing@my.swjtu.edu.cn 号与模板信号进行相关性计算，从而精确地确定超
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2024 年 第 46 卷 第 9 期
无损检测