Page 52 - 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

2.3 螺栓应力测量试验 声纵波在螺栓受载前后的渡越时间差值，双波法需
利用2. 2节的试件标定结果进行应力测量试验。 要获取螺栓在受载状态下的纵横波渡越时间，计算
对试件进行加载，加载范围为0~200 MPa，加载步 出其比值。最后，将衰减系数、渡越时间差和渡越时
长为20 MPa，采集回波信号计算衰减系数和渡越时 间比分别代入标定试验建立的模型中，分别得出3
间。其中，通过第一次底面回波和第二次底面回波 种方法下的应力测量结果。试件A，B分别在3种方
计算多频段加权能量衰减系数，单波法需要计算超 法下的测量结果如表4，5所示。
表4 试件A在3种方法下的应力测量结果

衰减系数法 单波法 双波法
实际值/MPa
评估值/MPa 相对误差/% 评估值/MPa 相对误差/% 评估值/MPa 相对误差/%
40 43.51 8.79 45.32 13.30 51.85 29.62
60 64.97 8.28 65.06 8.43 80.28 33.80
80 86.74 8.42 89.19 11.48 94.13 17.66
100 107.33 7.33 108.15 8.15 115.65 15.65
120 123.04 2.53 113.89 5.09 132.63 10.53
140 145.10 3.64 139.63 0.26 151.25 8.04
160 158.62 0.86 157.18 1.76 175.10 9.44
180 178.44 0.86 183.50 1.94 190.23 5.68
200 200.79 0.40 203.24 1.62 205.35 2.68
平均误差 3.82 4.57 4.86 5.78 12.94 14.79

表5 试件B在3种方法下的应力测量结果
衰减系数法 单波法 双波法
实际值/MPa
评估值/MPa 相对误差/% 评估值/MPa 相对误差/% 评估值/MPa 相对误差/%
40 43.42 8.54 29.06 27.36 53.14 32.84
60 63.26 5.43 63.40 5.66 78.69 31.15
80 80.95 1.19 85.57 6.96 94.05 17.56
100 102.50 2.50 89.15 10.85 113.61 13.61
120 121.89 1.57 119.20 0.67 138.16 15.14
140 143.14 2.24 127.79 8.72 121.16 13.45
160 164.75 2.97 157.83 1.35 135.37 15.39
180 184.56 2.53 166.42 7.54 165.37 8.13
200 198.34 0.83 196.47 1.77 212.44 6.22
平均误差 2.90 3.09 7.01 7.88 16.47 17.05

由表4可知，所提多频段加权衰减系数法对强 能器的双波法测量效果比使用单换能器的衰减系数
度等级为8. 8级的螺栓试件A具有较好的测量效果， 法和单波法的差很多。由表5中可以发现，对于强
平均绝对误差和平均相对误差分别为3. 82 MPa和 度等级为10. 9的高强度短螺栓B来说，渡越时间受
4. 57%。当螺栓处于低应力状态下时（即轴向应力 螺栓轴向应力影响产生的变化量进一步降低，从而
小于80 MPa），单波法和双波法均会产生较大的测 导致单波法与双波法的测量误差急剧增大。尤其是
量误差，且双波法的测量误差最大。其中，螺栓试件 对于双波法而言，螺栓B的平均绝对误差和相对误
A的单波法测量的平均绝对误差和平均相对误差分 差分别达到了16. 47 MPa和17. 05%，已经难以满足
别为 4. 86 MPa和 5. 78%，双波法的测量平均绝对 工程应用需求。相反，与螺栓A相比，螺栓B的衰减
误差和平均相对误差分别为12. 94 MPa和14. 79%。 效应更加明显，其超声回波的能量衰减系数对螺栓
这是因为采集卡的最大采样频率为200 MHz，分辨 所受轴向应力更加敏感。利用衰减系数法测量螺栓
率只有 5 ns，采集信号会损失许多跨越时间信息。 B轴向应力的平均绝对误差和平均相对误差分别为
另外，换能器产生的超声波必须通过耦合剂才能进 2. 90 MPa和3. 09%，可满足工程应用的需求。
入螺栓内部，且横波探头所用的耦合剂稳定性较差， 3种方法相对测量误差的箱线图如图6所示，图
从而引入了更不可控的耦合误差。因此，使用双换 中IQR为四分位距，该图直观地展示了衰减系数法、
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2024 年 第 46 卷 第 12 期
无损检测