Page 50 - 无损检测2024年第十二期

何宇琪，等：

基于多频段加权能量衰减系数的螺栓轴向应力超声测量方法

n
2
α j = 1 ln E 1 j j （12） U = ∑ (σα σ k ) （15）

( )-
2L
0 E 2 k =1
通过式（12）可以得到n个频段的能量衰减系数 根据适应度值U进行搜索，可获得各频段衰减
(α ，α ，…，α ，…，α )，从而反映出衰减系数α 和 系数的最佳归一化权重系数 ，
1 2 j n
频率f之间的关系。在超声回波信号的有效带宽内 使得适应度值U最小。则多频段加权能量衰减系数
�
将其频谱平均分为n个频段后，多频段加权能量衰 α 可写为
�
减系数α 可为各频段分量能量衰减系数的归一化线 n
α = ∑ ( w ⋅ α ) （16）
性组合。 j =1 j
要提高螺栓轴向应力σ 与多频段加权能量衰减 结合式（5）和式（16）即可进行参数标定和测量
�
系数α 的拟合精度，确定各个频段能量衰减系数α j 试验。
对应的归一化权重w 至关重要。因此，文章采用粒
j
子群优化算法获得各频段衰减系数的最优权重系 2 检测试验及讨论
数，其具体方法为在同一夹紧长度的m组不同轴向 2.1 试验系统及螺栓试件制备

应力 条件下，测量每组轴向 试验系统构成如图3所示，主要包括拉伸试验
应力对应的 n 个频段的能量衰减系数 机，超声换能器，超声脉冲发射卡，脉冲发射和数
，获得各频段能量衰减 据采集卡，工控机。使用由上海协强公司设计的
系数与轴向应力间的关系。假设初始化粒子总数为 CTM2200S型拉伸试验机，其内置压力传感器，测
Q，则粒子速度和位置的更新函数分别为 [21] 力精度为0.3%。超声换能器使用OLYMPUS公司
(
vt ) q ( )+c r p best -W q ) + （13） 的A112S-RM型纵波探头。超声发射接收板卡采用
( +1 = vtΩ
q
11
cr ( g -W ) 美国IMAGIMANT公司的JSR PRC50 型板卡，最
22 best g
大激励电压可达475 V，该板卡集成了一个前置放大
( +1 =W
Wt ) g ( )+t v q ( +1t ) （14） 器，其放大范围为-14~60 dB。数据采集卡为AD-
q
vt
Wt
式中： ( ) 为第q个粒子的速度； ( ) 为粒子当 Link PCIe9852型板卡，采样位数为14位，最大采样
q
q
t
前所处位置的n维原权重向量；为迭代次数；Ω为惯 频率可达 200 MHz。选用美国BSI公司的FieldGo
性权重系数，且为非负数；c 和c 为学习因子；r 和r 2 N9 ATX型工控机，该工控机将PRC50脉冲发射卡
1
2
1
为介于[0,1]之间的随机数；p 和g 分别为个体最 和PCIe-9852数据采集卡通过PCI卡槽集成，从而进
best best
优解和群体最优解； v max 为粒子的最大飞行速度。 行脉冲发射与信号采集工作。超声脉冲发射接收卡
分别对每个频段的能量衰减系数α 和轴向应力 以及数据采集卡均通过PCI总线集成在工控机内。
j
( )
σ 进行最小二乘法拟合，以拟合值σα 与轴向应力 拉伸机集成了压力传感器，工控机可以通过RS232

的实际测量值σ 之间的残差二范数值作为粒子群搜 串口与拉伸试验机控制盒进行通信，实现拉伸试验
索的适应度值，即 机动作以及压力传感器读数。选取不同规格的两颗

图 3 试验系统构成
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2024 年 第 46 卷 第 12 期
无损检测