[发明专利]使弯曲对受力构件超声测量的影响最小化

说明书

一般而言，本发明涉及装配和检验过程中紧固件的受力测量和控制，更明确地，涉及一个紧固件的设计和优化这种设计的方法，以减小非对称(非拉力的或“弯曲的”)应力对超声拉力测量的可靠性和准确度的影响。

有许多用超声波测量受力构件(例如紧固件)所受拉力的方法和技术。特别是，采用超声技术可以在安装过程中或以后为了检修而对一个紧固件(例如螺栓)中的拉力进行准确测量。这些技术已为现有的手段所证明。另外，还有一些技术经过确证，它们利用超声波对紧固件和其它受力构件进行探伤或其它无损鉴定。这些技术的成功有赖于对从所测元件内部发出的回波信号的可靠检测。

有一些专利介绍了采用脉冲回波技术来测量受力构件中的应力。美国专利No.4,294,122(颁发给Couchman)公开了一种在头部或螺纹端装有声波换能器的紧固件。声波换能器用来获得对紧固件的预应力测量并提供改进质量的控制检验。一个包含着与换能器相连的弹簧承载电接插件的电动扳手与一个脉冲回波测量系统连在一起。‘122专利还公开了一种测量预应力的脉冲回波技术。所述方法包括测量两路回波通过紧固件长度的时间，一路是在加预应力前，另一路作为扭矩加在紧固件上。然后，如果已知材料常数M，夹紧长度δ，直径D，对紧固件中的应力分布进行修正的经验常数α和回波传播时间的时间差ΔT，那么应力S就可以测量，紧固件预应力的准确测量值通过下式得到：

             S=(M/(δ+αD))×ΔT.

另一个公开了脉冲回波测量技术专利的是美国专利No.4,471,657(颁发给Voris等人)。’657专利公开了一种测量受拉构件的长度和应力的装置和方法。所述方法包括测量两路同频但有一个预设的相位差的信号通过一个受力构件的长度所需的时间；测定传播时间较长的一路；对相位差进行补偿；然后用智能处理和控制装置接收时间间隔数据并进行数据处理，得到紧固件长度变化或受力构件上所加应力的准确换算值。所述装置包括一个永久或临时和受力构件连接的超声换能器。

美国专利No.4.602,511(颁发给Holt)介绍了一种同时利用纵波和横波的行程时间来确定受力构件中的应力的方法。’511专利不需要对受力构件在零应力情况下进行超声测量。而且，Holt给出了一个与紧固件长度无关的计算应力的公式，这样，就可以对一个已经受拉的紧固件的受拉应力进行计算。优选的实施例中通过检测相位来测量行程时间。发射约20-100个5-10MHz的信号，将发射信号和反射信号相加，将频率调谐至相位差为180°的相消干涉或相位差为零。Holt还提到，以前公开的行程时间测量技术可以作为替换。

美国专利No.3,918,294(颁发给Makino等人)介绍了一种测量螺栓中的轴向应力的方法。在螺栓上加上超声波产生受激振荡然后对螺栓中的两个不同的固有频率进行测量，其中一个在螺栓受到很小的或没有轴向力的情况下进行测量，另一个则是在螺栓受到轴向应力时测量。得到第一和第二频率之间的变化比或差值后，与对应所述变化比或差值的轴向应力标定数据进行比较。

超声受力测量是确定螺栓连接中受力的精密测量技术。带有活动超声换能器的脉冲回波技术已经在实验室和质量控制中使用了三十多年。然而，历史上由于在获得可靠的声波耦合以及在紧固工具中安装换能器方面的实际困难使得这种技术没能成为通用的装配固定方案。美国专利No.4,846,001(颁发给Kibblewhite)介绍了压电聚合物薄膜的使用，其与一个构件的上表面有永久的机械和声连接，并通过超声技术用它来确定构件的长度、所受拉力、应力或其他与所受拉力有关的特性。尽管这个发明在性能、简化生产和生产成本方面代表了相对于现有技术的重大进步，这种结构中的换能器有一些缺点。这些缺点与环境性能有关，尤其是聚合物材料的最大温度极限限制了它的应用，而且用胶固定在紧固件上的换能器有可能松脱，导致一个关键装置出现故障或造成损害。

这些缺点在Ultrafast(超快速)公司开发的固定换能器技术中得到了克服，特别地，所述技术在授予Kibblewhite并转让给Ultrafast公司的美国专利No.5,131,276中得到了公开。‘276专利介绍了一种带有超声换能器的受力指示构件，它包括一个直接在紧固件表面形成的声电薄膜。通过在紧固件上直接形成声电薄膜，使得所述薄膜与表面实现机械连接并且既能导电又能传声。这一进步不仅使精确脉冲回波受力测量技术可以用于生产装配并且通过消除由活动换能器相对于螺栓的轴向和径向移动以及耦合介质的变化而引起的误差显著提高了准确度。