面向木結構的螺栓連接松動檢測系統(tǒng)

于 真， 劉 英， 吳曉莉， 李趙春

(南京林業(yè)大學機械電子工程學院，江蘇 南京 210037)

通過螺栓對木板進行連接，具有拆裝方便、操作靈活、環(huán)保節(jié)能、健康舒適、施工期短等特點，廣泛運用于建筑、運輸?shù)阮I域。然而，在長期使用過程中，螺栓連接結構可能會出現(xiàn)預緊力下降、連接界面錯動甚至松脫等損傷現(xiàn)象，從而嚴重威脅螺栓連接系統(tǒng)結構完整性和功能性，所以有必要對螺栓連接的松動情況進行定期監(jiān)測。螺栓連接起初運用在鋼結構中，于澤通[1-4]等研究了螺栓連接機構的松動機理，發(fā)現(xiàn)引起螺栓損傷的原因是磨損松動。

目前大部分檢測方法都是針對鋼結構的，主要包括多尺度法[5]、阻抗法[6]和超聲波法[7]等。采用多尺度法建立單自由度非線性模型可以分析解釋高頻調制現(xiàn)象，螺栓連接鋼板框架結構的振動實驗可驗證該方法的有效性，但檢測精度較低[8]。超聲波法是一種測量螺栓軸向載荷的方法，分為基于聲彈性效應和基于壓電效應兩種形式。當螺栓受力狀態(tài)改變時，通過測量超聲波在螺栓內傳播時間的變化，進而確定螺栓的軸向力狀態(tài)[9-11]。壓電阻抗技術可以通過識別電阻的變化實現(xiàn)對木材結構的檢測[12-14]，但由于木結構的導電性能不高，這種檢測方法成本較高。相比于基于聲彈性效應，基于壓電效應的超聲波法檢測精度有了很大提高[15-18]。在眾多的壓電材料中，壓電陶瓷(PZT)的成本低、質量輕、結構簡單、收集能量的能力強[19]，廣泛應用于振動控制和結構的無損檢測中[20]。Yabin Liang[21]等利用PZT對銷連接結構的載荷進行監(jiān)測，結果表明阻抗實部對結構變化更加敏感。與鋼板相比，木板的密度較低，相對疏松的材質使得超聲波幅值衰減較大。因此，利用超聲波法檢測木板的螺栓連接狀態(tài)時要考慮信號被木材吸收，導致響應信號幅值較小的問題。

本文將兩片壓電陶瓷(PZT)分別粘貼在兩塊螺栓連接的木結構上，通過其中一片壓電陶瓷產生超聲波信號，另一片壓電陶瓷將傳遞后的超聲波信號轉換為電信號。經時間反演后，再次產生超聲波信號，同時采集傳遞后的超聲波信號。通過連接計算機、數(shù)據(jù)采集卡、壓電陶瓷、電壓放大器等，作為螺栓松動檢測系統(tǒng)的硬件；并在LabVIEW平臺下實現(xiàn)了具有Lamb波沖擊信號發(fā)生功能，并具有二次數(shù)字觸發(fā)采集功能的系統(tǒng)軟件。通過給木結構施加不同的預緊力，測試聚焦信號幅值與螺栓軸向預緊力的關系。

1 檢測原理

將兩片壓電陶瓷PZT1和PZT2分別粘貼在螺栓連接結構接觸界面的上下表面，如圖1所示。將脈沖信號x(t)=Aδ(t)激發(fā)到頂面壓電陶瓷 PZT1上，那么 底面壓電陶瓷PZT2測量的信號為：

y(t)=x(t)h(t)=Ah(t)

(1)

采用時間反演法，對響應信號作時域反演處理：

x1(t)=y(-t)=Ah(-t)

(2)

將y(-t)作為激發(fā)信號激發(fā)底面壓電陶瓷PZT2，則PZT1測量到的聚焦信號為：

=ARh(t)

(3)

式中：Rh(t)為h(t)的自相關函數(shù)。根據(jù)自相關函數(shù)的性質可知，Rh(t)在t=0時取得最大值，故：

(4)

將式(1)帶入式(4)可得：

(5)

由式(5)可得：

響應信號的能量大小可以用聚焦信號的幅值表現(xiàn)出來。在上述推論中，螺栓的預緊力越高，木板頂面和底面的接觸就越緊密，壓電陶瓷測量到的信號就越強，聚焦信號的幅值越高。因此，螺栓預緊力越高，最后測得的聚焦信號的幅值就越大。進行實驗檢測和計算的聚焦信號的幅值可表征連接上下兩塊木板的螺栓上施加的預緊力，從而評估螺栓的連接狀態(tài)。

圖1 螺栓連接木板的結構示意圖

2 檢測系統(tǒng)設計

2.1 硬件設計

實驗系統(tǒng)的硬件部分主要包括計算機、壓電傳感器PZT、D型數(shù)顯扭矩扳手、NI ELVIS II+數(shù)據(jù)采集卡、ATA-2021H電壓信號放大器。系統(tǒng)按照一定的頻率發(fā)出脈沖信號，PZT1產生振動將電信號轉化為聲波信號并沿木材軸向傳播，PZT2將收到的聲波信號測量重新轉化為電信號，經過數(shù)據(jù)采集卡的采集，存儲在計算機中。

每個測試樣本包含兩片長200 mm，寬100 mm，高10 mm的純正山毛櫸木，采用M10螺栓，螺距為1.5 mm，40 mm長。螺栓符合ASTM A 194/A194M標準。櫸木密度為0.70 g/cm3，含水率為10.2%。實驗使用的壓電材料PZT采用常州道博超聲電子有限公司生產的材料代號PZT-5壓電陶瓷作為壓電傳感器，壓電材料的壓電常數(shù)d=400×10-12C/N，壓電片的直徑為10 mm，厚度為0.5 mm，頻率2～6 MHz，實驗過程中，壓電片作為超聲波激發(fā)器與傳感器。實驗采用NI ELVIS II+manuals型號的數(shù)據(jù)采集卡，作為數(shù)據(jù)發(fā)射與采集的媒介，進行計算機與PZT間信號的傳遞，用LabVIEW軟件編程控制數(shù)據(jù)采集卡發(fā)送激勵信號。

圖2 檢測系統(tǒng)組成示意圖

圖3 粘有壓電陶瓷貼片的測試樣本實物

粘有壓電陶瓷貼片的測試樣本實物如圖3所示，壓電陶瓷傳感器粘貼在每塊木片的頂面和底面上，底面插入螺栓，螺母從頂面旋入，為了減少其他噪聲的干擾，將測試樣本進行架空處理。木板的打孔直徑為10 mm，壓電陶瓷貼在距打孔位置15 mm的木板中心線上。

由于超聲波信號的傳播速度極快，損耗極高，第一次采集到的電壓信號已有極大衰減，此時再次作為二次發(fā)射的信號源誤差比較大，引入電壓信號放大器可以更加清晰直觀地觀察實驗現(xiàn)象，實驗采用西安安泰電子科技有限公司生產的ATA-2021H型號電壓信號放大器，放大倍數(shù)靈活可調。將兩塊木板安裝后，使用D型數(shù)顯扭矩扳手DLS-60從底板讀出螺栓頭部預緊力，即為木材軸向壓力載荷。

2.2 軟件設計

2.2.1 軟件運行流程

LabVIEW數(shù)據(jù)采集程序實現(xiàn)PC端與數(shù)據(jù)采集卡之間的通信與數(shù)據(jù)傳輸，采用LabVIEW調用函數(shù)庫對數(shù)據(jù)采集卡進行信號生成和傳遞，數(shù)據(jù)采集流程如圖4所示。計算機驅動LabVIEW數(shù)據(jù)發(fā)生程序進入NIELVIS II+數(shù)據(jù)采集卡發(fā)射沖擊信號，發(fā)射的電壓x(t)經過ATA-2021H電壓信號放大器后作用到PZT1上，PZT1接收電壓信號，將電壓信號轉變?yōu)槌暡ㄐ盘?，超聲波信號在上板和下板直接傳播，緊貼在下板上的PZT2接收超聲波信號，產生電壓，發(fā)射信號的同時激活觸發(fā)采集程序模塊，通過NIELVIS II+數(shù)據(jù)采集卡采集PZT2上的電壓信號，采集到的信號y(t)通過NIELVIS II+數(shù)據(jù)采集卡傳輸?shù)接嬎銠C中，信號通過計算機內部程序進行時序反演，反演后的信號x1(t)經過LabVIEW軟件系統(tǒng)數(shù)據(jù)發(fā)生程序，通過NIELVIS II+數(shù)據(jù)采集卡發(fā)射信號后經過放大器的信號放大，作用到PZT2上，PZT2接收電壓后震動，PZT1接收震動產生電信號，此時LabVIEW數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)驅動程序，通過NIELVIS II+數(shù)據(jù)采集卡采集PZT1產生的電信號y1(t)，并傳輸?shù)接嬎銠C中。

最終選用5 V Lamb波作為激勵源，基于Lamb波的結構健康監(jiān)測技術已被應用于檢測復合材料的內部損傷，在木材、復合板材等具有各向異性的材料中，常常使用Lamb波進行無損檢測[9]，一方面寬度為0.01 s的Lamb波相當接近公式中的脈沖信號；另一方面，Lamb波比其他信號能更好模擬現(xiàn)實生活中產生震動的實際波形。

在檢測系統(tǒng)設計實驗中，使用了電壓信號放大器，一定程度上會引入噪聲，對采集到的信號進行時域反演處理可以有效提高信號信噪比，將采集到的信號進行一定的去噪處理。

2.2.2 檢測系統(tǒng)界面設計

信號生成面板如圖5所示。圖5(a)為激勵信號生成面板，分為三個模塊：通道設置模塊、定時和緩沖區(qū)設置模塊、生成信號顯示模塊。通道設置模塊包含物理通道選擇功能，可以選擇NIELVIS II+數(shù)據(jù)采集卡的發(fā)射通道，同時設置通道采集電壓范圍；定時和緩沖區(qū)設置模塊用來設置采樣時鐘和采樣頻率，因為壓電陶瓷PZT貼片產生高頻信號，經過前期實驗最終選擇1 MHz的采樣頻率，采樣點數(shù)為1 000。這樣可以及時、完整地發(fā)射和讀取信號，避免因采樣率和采樣數(shù)不足導致的波形讀取不完整，或因頻率過高而發(fā)生的信號讀取重復等情況。文件路徑選擇發(fā)生信號讀取的路徑；生成信號顯示模塊可以顯示發(fā)生的信號波形。圖5(b)為反轉信號生成面板，物理通道選擇模塊、定時和緩沖區(qū)設置模塊和信號波形顯示模塊與圖5(a)基本相同，他們發(fā)射的信號都是先讀取存儲在固定路徑的文件，經過程序對讀取后的信號處理后發(fā)射。

圖4 數(shù)據(jù)采集流程

圖5 信號生成面板

2.2.3 信號采集面板

信號采集面板如圖6所示，通道設置模塊和定時設置模塊與圖5信號生成面板的功能模塊基本相同，不同之處是信號采集面板的通道設置模塊由于采集接口為正負兩個接口，而信號發(fā)射面板發(fā)生信號輸出接口為單接口，因此在采集時選擇接線端差分配置，保證采集時信號的穩(wěn)定性。采樣觸發(fā)設置模塊設置的原因是壓電材料震動頻率非常高，超聲波信號消減速度很快，需要在發(fā)射信號的瞬間對響應信號進行采樣，采樣時間極短，如圖6(a)所示，采樣選擇數(shù)字觸發(fā)采樣，信號生成的同時將發(fā)射的信號作為數(shù)字觸發(fā)源，接入數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)字觸發(fā)接口PFI0，選擇上升觸發(fā)，即采集卡數(shù)字觸發(fā)接口在接收到信號從0上升到1的瞬間開始采集超聲波信號，機器識別數(shù)字信號的范圍為1～3，范圍外的信號不會被識別后觸發(fā)，點擊保存按鈕即可將采集到的信號以Excel文件的形式存儲在指定路徑中。圖6(a)為PZT1的數(shù)據(jù)采集前面板，與圖6(b)PZT2數(shù)據(jù)采集前面板的功能基本相同，只是在通道設置模塊中硬件輸入路徑不同，實驗中將PZT1、PZT2在數(shù)據(jù)采集卡中的插口不同。

圖6 信號采集面板

程序先執(zhí)行圖5(a)生成激勵信號，再執(zhí)行圖6(b)采集PZT2的數(shù)據(jù)，顯示并存儲后執(zhí)行圖5(b)讀取PZT2的采集信號，在程序中進行時域反演，反演后的信號通過采集卡發(fā)射到PZT2上，最后執(zhí)行圖6(a)采集PZT1的數(shù)據(jù)存儲并顯示。

3 實驗

3.1 實驗方案

在實驗進行前設計實驗預案，由于實驗測試樣本的厚度以及木料密度的限制，施加軸向預緊力的范圍選取4.0～8.0 N，設計為7組數(shù)據(jù)：4.0 N、4.5 N、5.0 N、5.5 N、6.0 N、7.0 N、8.0 N，每組試樣進行多次實驗，相同條件下至少進行20組重復實驗，聚焦信號幅值取兩組實驗結果和20組實驗結果的平均值進行分析和處理，繪制三條不同螺栓軸向預緊力與聚焦信號幅值的關系曲線。此外，為了減少其他噪聲的干擾，將測試樣本架空處理。試驗采樣頻率為1 MHz，采樣點數(shù)為1 000，采樣時間為10 ms，施加7組不同預緊力下采集對應的信號并存儲，將采集到的信號進行匯總。實驗現(xiàn)場如圖7所示。

圖7 實驗現(xiàn)場

3.2 實驗結果

粘有壓電陶瓷貼片的被測樣本在軸向作用力下壓電材料PZT2、PZT1先后測量響應信號和聚焦信號，實驗信號采集如圖8所示。二者對比可以看出，經過時間反演后的聚焦信號比第一次采集到的響應信號更平滑，聚焦信號受噪聲干擾更小，信噪比更高。進一步驗證了時間反演處理的有效性。

不同軸向預緊力下采集PZT1上的信號波形幅值如圖9所示，可以看出，軸向預緊力越大，采集電壓幅值越高，說明了測試系統(tǒng)的有效性。從圖中可以明顯地看出，起初采集信號電壓最大幅值隨施加螺栓軸向力變化明顯，當預緊力增大到一定程度時，聚焦信號幅值變化趨于平穩(wěn)。

圖8 實驗信號采集

圖9 不同預緊力下PZT1采樣波形匯總圖

處理實驗數(shù)據(jù)后繪制圖像，不同軸向力作用下聚焦信號的幅值如圖10所示，隨著所施加的螺栓軸向力的增加，反演聚焦信號的幅值隨之增加。在4.5～6.5 N階段，聚焦信號幅值增大得比較快，因此曲線初始階段的斜率比較大；當軸向預緊力大于6 N時，雖然聚焦信號幅值在增加，但斜率不如初始階段大，此時螺栓與試樣木板之間接觸部分應力已經超出了木材的彈性應力，木板產生了彈塑性變形，曲線開始轉折。

4 總結

(1)木結構螺栓連接系統(tǒng)的松動問題是影響木結構穩(wěn)定性的關鍵問題之一?；趬弘姇r間反演法的原理，通過超聲波信號的二次觸發(fā)采集，實現(xiàn)了的螺栓松動檢測系統(tǒng)，通過聚焦信號的幅值分析了螺栓連接的松緊狀態(tài)。

圖10 不同作用力下聚焦信號幅值

(2)實驗方法是有效的。實驗結果表明，聚焦信號的幅值與連接兩塊木板的螺栓上的預緊力大小有關，預緊力越高，聚焦信號的幅值越大，通過聚焦信號的幅值可以分析預緊力的大小。

(3)由于實驗測試樣本密度和尺寸的特點，測試施加的軸向預緊力小于10 N，測試精度高，檢測時間為10 ms。因此本文所設計的面向木結構螺栓連接松動檢測系統(tǒng)具有響應速度較快、精度高等優(yōu)點。