面向木结构的螺栓连接松动检测系统

于 真， 刘 英， 吴晓莉， 李赵春

(南京林业大学机械电子工程学院，江苏 南京 210037)

通过螺栓对木板进行连接，具有拆装方便、操作灵活、环保节能、健康舒适、施工期短等特点，广泛运用于建筑、运输等领域。然而，在长期使用过程中，螺栓连接结构可能会出现预紧力下降、连接界面错动甚至松脱等损伤现象，从而严重威胁螺栓连接系统结构完整性和功能性，所以有必要对螺栓连接的松动情况进行定期监测。螺栓连接起初运用在钢结构中，于泽通[1-4]等研究了螺栓连接机构的松动机理，发现引起螺栓损伤的原因是磨损松动。

目前大部分检测方法都是针对钢结构的，主要包括多尺度法[5]、阻抗法[6]和超声波法[7]等。采用多尺度法建立单自由度非线性模型可以分析解释高频调制现象，螺栓连接钢板框架结构的振动实验可验证该方法的有效性，但检测精度较低[8]。超声波法是一种测量螺栓轴向载荷的方法，分为基于声弹性效应和基于压电效应两种形式。当螺栓受力状态改变时，通过测量超声波在螺栓内传播时间的变化，进而确定螺栓的轴向力状态[9-11]。压电阻抗技术可以通过识别电阻的变化实现对木材结构的检测[12-14]，但由于木结构的导电性能不高，这种检测方法成本较高。相比于基于声弹性效应，基于压电效应的超声波法检测精度有了很大提高[15-18]。在众多的压电材料中，压电陶瓷(PZT)的成本低、质量轻、结构简单、收集能量的能力强[19]，广泛应用于振动控制和结构的无损检测中[20]。Yabin Liang[21]等利用PZT对销连接结构的载荷进行监测，结果表明阻抗实部对结构变化更加敏感。与钢板相比，木板的密度较低，相对疏松的材质使得超声波幅值衰减较大。因此，利用超声波法检测木板的螺栓连接状态时要考虑信号被木材吸收，导致响应信号幅值较小的问题。

本文将两片压电陶瓷(PZT)分别粘贴在两块螺栓连接的木结构上，通过其中一片压电陶瓷产生超声波信号，另一片压电陶瓷将传递后的超声波信号转换为电信号。经时间反演后，再次产生超声波信号，同时采集传递后的超声波信号。通过连接计算机、数据采集卡、压电陶瓷、电压放大器等，作为螺栓松动检测系统的硬件；并在LabVIEW平台下实现了具有Lamb波冲击信号发生功能，并具有二次数字触发采集功能的系统软件。通过给木结构施加不同的预紧力，测试聚焦信号幅值与螺栓轴向预紧力的关系。

1 检测原理

将两片压电陶瓷PZT1和PZT2分别粘贴在螺栓连接结构接触界面的上下表面，如图1所示。将脉冲信号x(t)=Aδ(t)激发到顶面压电陶瓷 PZT1上，那么 底面压电陶瓷PZT2测量的信号为：

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

(1)

采用时间反演法，对响应信号作时域反演处理：

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

(2)

将y(-t)作为激发信号激发底面压电陶瓷PZT2，则PZT1测量到的聚焦信号为：

=ARh(t)

(3)

式中：Rh(t)为h(t)的自相关函数。根据自相关函数的性质可知，Rh(t)在t=0时取得最大值，故：

(4)

将式(1)带入式(4)可得：

(5)

由式(5)可得：

响应信号的能量大小可以用聚焦信号的幅值表现出来。在上述推论中，螺栓的预紧力越高，木板顶面和底面的接触就越紧密，压电陶瓷测量到的信号就越强，聚焦信号的幅值越高。因此，螺栓预紧力越高，最后测得的聚焦信号的幅值就越大。进行实验检测和计算的聚焦信号的幅值可表征连接上下两块木板的螺栓上施加的预紧力，从而评估螺栓的连接状态。

图1 螺栓连接木板的结构示意图

2 检测系统设计

2.1 硬件设计

实验系统的硬件部分主要包括计算机、压电传感器PZT、D型数显扭矩扳手、NI ELVIS II+数据采集卡、ATA-2021H电压信号放大器。系统按照一定的频率发出脉冲信号，PZT1产生振动将电信号转化为声波信号并沿木材轴向传播，PZT2将收到的声波信号测量重新转化为电信号，经过数据采集卡的采集，存储在计算机中。

每个测试样本包含两片长200 mm，宽100 mm，高10 mm的纯正山毛榉木，采用M10螺栓，螺距为1.5 mm，40 mm长。螺栓符合ASTM A 194/A194M标准。榉木密度为0.70 g/cm3，含水率为10.2%。实验使用的压电材料PZT采用常州道博超声电子有限公司生产的材料代号PZT-5压电陶瓷作为压电传感器，压电材料的压电常数d=400×10-12C/N，压电片的直径为10 mm，厚度为0.5 mm，频率2～6 MHz，实验过程中，压电片作为超声波激发器与传感器。实验采用NI ELVIS II+manuals型号的数据采集卡，作为数据发射与采集的媒介，进行计算机与PZT间信号的传递，用LabVIEW软件编程控制数据采集卡发送激励信号。

图2 检测系统组成示意图

图3 粘有压电陶瓷贴片的测试样本实物

粘有压电陶瓷贴片的测试样本实物如图3所示，压电陶瓷传感器粘贴在每块木片的顶面和底面上，底面插入螺栓，螺母从顶面旋入，为了减少其他噪声的干扰，将测试样本进行架空处理。木板的打孔直径为10 mm，压电陶瓷贴在距打孔位置15 mm的木板中心线上。

由于超声波信号的传播速度极快，损耗极高，第一次采集到的电压信号已有极大衰减，此时再次作为二次发射的信号源误差比较大，引入电压信号放大器可以更加清晰直观地观察实验现象，实验采用西安安泰电子科技有限公司生产的ATA-2021H型号电压信号放大器，放大倍数灵活可调。将两块木板安装后，使用D型数显扭矩扳手DLS-60从底板读出螺栓头部预紧力，即为木材轴向压力载荷。

2.2 软件设计

2.2.1 软件运行流程

LabVIEW数据采集程序实现PC端与数据采集卡之间的通信与数据传输，采用LabVIEW调用函数库对数据采集卡进行信号生成和传递，数据采集流程如图4所示。计算机驱动LabVIEW数据发生程序进入NIELVIS II+数据采集卡发射冲击信号，发射的电压x(t)经过ATA-2021H电压信号放大器后作用到PZT1上，PZT1接收电压信号，将电压信号转变为超声波信号，超声波信号在上板和下板直接传播，紧贴在下板上的PZT2接收超声波信号，产生电压，发射信号的同时激活触发采集程序模块，通过NIELVIS II+数据采集卡采集PZT2上的电压信号，采集到的信号y(t)通过NIELVIS II+数据采集卡传输到计算机中，信号通过计算机内部程序进行时序反演，反演后的信号x1(t)经过LabVIEW软件系统数据发生程序，通过NIELVIS II+数据采集卡发射信号后经过放大器的信号放大，作用到PZT2上，PZT2接收电压后震动，PZT1接收震动产生电信号，此时LabVIEW数据采集系统驱动程序，通过NIELVIS II+数据采集卡采集PZT1产生的电信号y1(t)，并传输到计算机中。

最终选用5 V Lamb波作为激励源，基于Lamb波的结构健康监测技术已被应用于检测复合材料的内部损伤，在木材、复合板材等具有各向异性的材料中，常常使用Lamb波进行无损检测[9]，一方面宽度为0.01 s的Lamb波相当接近公式中的脉冲信号；另一方面，Lamb波比其他信号能更好模拟现实生活中产生震动的实际波形。

在检测系统设计实验中，使用了电压信号放大器，一定程度上会引入噪声，对采集到的信号进行时域反演处理可以有效提高信号信噪比，将采集到的信号进行一定的去噪处理。

2.2.2 检测系统界面设计

信号生成面板如图5所示。图5(a)为激励信号生成面板，分为三个模块：通道设置模块、定时和缓冲区设置模块、生成信号显示模块。通道设置模块包含物理通道选择功能，可以选择NIELVIS II+数据采集卡的发射通道，同时设置通道采集电压范围；定时和缓冲区设置模块用来设置采样时钟和采样频率，因为压电陶瓷PZT贴片产生高频信号，经过前期实验最终选择1 MHz的采样频率，采样点数为1 000。这样可以及时、完整地发射和读取信号，避免因采样率和采样数不足导致的波形读取不完整，或因频率过高而发生的信号读取重复等情况。文件路径选择发生信号读取的路径；生成信号显示模块可以显示发生的信号波形。图5(b)为反转信号生成面板，物理通道选择模块、定时和缓冲区设置模块和信号波形显示模块与图5(a)基本相同，他们发射的信号都是先读取存储在固定路径的文件，经过程序对读取后的信号处理后发射。

图4 数据采集流程

图5 信号生成面板

2.2.3 信号采集面板

信号采集面板如图6所示，通道设置模块和定时设置模块与图5信号生成面板的功能模块基本相同，不同之处是信号采集面板的通道设置模块由于采集接口为正负两个接口，而信号发射面板发生信号输出接口为单接口，因此在采集时选择接线端差分配置，保证采集时信号的稳定性。采样触发设置模块设置的原因是压电材料震动频率非常高，超声波信号消减速度很快，需要在发射信号的瞬间对响应信号进行采样，采样时间极短，如图6(a)所示，采样选择数字触发采样，信号生成的同时将发射的信号作为数字触发源，接入数据采集卡的数字触发接口PFI0，选择上升触发，即采集卡数字触发接口在接收到信号从0上升到1的瞬间开始采集超声波信号，机器识别数字信号的范围为1～3，范围外的信号不会被识别后触发，点击保存按钮即可将采集到的信号以Excel文件的形式存储在指定路径中。图6(a)为PZT1的数据采集前面板，与图6(b)PZT2数据采集前面板的功能基本相同，只是在通道设置模块中硬件输入路径不同，实验中将PZT1、PZT2在数据采集卡中的插口不同。

图6 信号采集面板

程序先执行图5(a)生成激励信号，再执行图6(b)采集PZT2的数据，显示并存储后执行图5(b)读取PZT2的采集信号，在程序中进行时域反演，反演后的信号通过采集卡发射到PZT2上，最后执行图6(a)采集PZT1的数据存储并显示。

3 实验

3.1 实验方案

在实验进行前设计实验预案，由于实验测试样本的厚度以及木料密度的限制，施加轴向预紧力的范围选取4.0～8.0 N，设计为7组数据：4.0 N、4.5 N、5.0 N、5.5 N、6.0 N、7.0 N、8.0 N，每组试样进行多次实验，相同条件下至少进行20组重复实验，聚焦信号幅值取两组实验结果和20组实验结果的平均值进行分析和处理，绘制三条不同螺栓轴向预紧力与聚焦信号幅值的关系曲线。此外，为了减少其他噪声的干扰，将测试样本架空处理。试验采样频率为1 MHz，采样点数为1 000，采样时间为10 ms，施加7组不同预紧力下采集对应的信号并存储，将采集到的信号进行汇总。实验现场如图7所示。

图7 实验现场

3.2 实验结果

粘有压电陶瓷贴片的被测样本在轴向作用力下压电材料PZT2、PZT1先后测量响应信号和聚焦信号，实验信号采集如图8所示。二者对比可以看出，经过时间反演后的聚焦信号比第一次采集到的响应信号更平滑，聚焦信号受噪声干扰更小，信噪比更高。进一步验证了时间反演处理的有效性。

不同轴向预紧力下采集PZT1上的信号波形幅值如图9所示，可以看出，轴向预紧力越大，采集电压幅值越高，说明了测试系统的有效性。从图中可以明显地看出，起初采集信号电压最大幅值随施加螺栓轴向力变化明显，当预紧力增大到一定程度时，聚焦信号幅值变化趋于平稳。

图8 实验信号采集

图9 不同预紧力下PZT1采样波形汇总图

处理实验数据后绘制图像，不同轴向力作用下聚焦信号的幅值如图10所示，随着所施加的螺栓轴向力的增加，反演聚焦信号的幅值随之增加。在4.5～6.5 N阶段，聚焦信号幅值增大得比较快，因此曲线初始阶段的斜率比较大；当轴向预紧力大于6 N时，虽然聚焦信号幅值在增加，但斜率不如初始阶段大，此时螺栓与试样木板之间接触部分应力已经超出了木材的弹性应力，木板产生了弹塑性变形，曲线开始转折。

4 总结

(1)木结构螺栓连接系统的松动问题是影响木结构稳定性的关键问题之一。基于压电时间反演法的原理，通过超声波信号的二次触发采集，实现了的螺栓松动检测系统，通过聚焦信号的幅值分析了螺栓连接的松紧状态。

图10 不同作用力下聚焦信号幅值

(2)实验方法是有效的。实验结果表明，聚焦信号的幅值与连接两块木板的螺栓上的预紧力大小有关，预紧力越高，聚焦信号的幅值越大，通过聚焦信号的幅值可以分析预紧力的大小。

(3)由于实验测试样本密度和尺寸的特点，测试施加的轴向预紧力小于10 N，测试精度高，检测时间为10 ms。因此本文所设计的面向木结构螺栓连接松动检测系统具有响应速度较快、精度高等优点。