螺栓预紧力检测方法及装置技术领域
本发明涉及机械状态检测及维护技术领域，尤其涉及一种螺栓预紧
力检测方法及装置。
背景技术
高强螺栓是大型钢结构工程(例如风力发电机组、铁塔等)的主要
连接件，其安装质量对产品的质量极为重要。高强螺栓出现松动或断裂
情况会使其紧固作用失效，而松动现象是高强螺栓的常见问题，因此，
一定要及时检测出高强螺栓出现松动，并加以紧固或更换。
目前，对螺栓是否出现松动的检测方法主要有两种：
第一种是在螺栓预紧后进行涂敷防松标记，通过观察防松标记或是
提取螺栓的照片，可以判断螺栓是否出现松动，但是该方法检测范围和
灵敏度都不佳，无法检测出螺栓出现轻微松动、螺栓头未发生转动而预
紧力改变的情况。
第二种是在螺栓或是螺栓周围加装测力传感器或位置传感器，测量
螺栓的预紧力是否发生变化或螺栓与螺母的旋转，来确定螺栓是否出现
松动，这种方法测量精确，但是成本较高，不易普及。
为保证设备工作的安全性和可靠性，工作人员会对设备进行定期巡
检。在定期巡检时，工作人员会采用观察防松标记和利用预紧扳手等设
备重复拧紧螺栓的方法确认螺栓的预紧是否符合规定。但是，观察防松
标记存在主观误差，且不易发现螺栓的轻微松动，可靠性不高；重复拧
紧是使用力矩扳手、液压扳手或螺栓拉伸器对螺栓进行复拧，相当于重
复的螺栓预紧工作，需要人力投入较大，而且还可能会造成对螺栓的损
坏。
总之，现有的螺栓松动检测方法有施工成本高、检测效率低的问题。
发明内容
本发明的实施例提供一种螺栓预紧力检测方法及装置，以解决现有
的螺栓防松方法检测效果不好的问题。
为达到上述目的，本发明的实施例提供一种螺栓预紧力检测方法，
包括：获取螺栓因被敲击产生的振动信号；从信号样本数据库获取与振
动信号对应的预紧力，其中，信号样本数据库包括螺栓受敲击产生的样
本振动信号和对应的样本预紧力。
进一步地，从信号样本数据库获取与振动信号对应的预紧力的步骤
包括如下步骤：从振动信号提取信号特征；将提取到的信号特征与信号
样本数据库中的样本振动信号的信号特征比对，并获取信号特征与提取
的信号特征相似或相等的样本振动信号，进而获取与其对应的样本预紧
力。
进一步地，信号特征包括振动信号的频谱的N个波峰的幅值和波峰
对应频率。
进一步地，信号样本数据库还包括与样本预紧力的数据相应的螺栓
参数数据，从信号样本数据库获取与振动信号对应的预紧力的数据的处
理包括：从信号样本数据库获取与螺栓的螺栓参数数据相同的数据记录；
从数据记录中获取与振动信号对应的预紧力。
进一步地，螺栓参数数据包括螺栓型号数据和/或安装位置数据。
进一步地，在获取螺栓因被敲击产生的振动信号的步骤之前还包括
步骤：监测螺栓并采集信号；获取采集的信号的特征参数，根据特征参
数从采集的信号中提取出振动信号；特征参数包括振动幅度。
根据本发明的另一方面，本发明的实施例提供一种螺栓预紧力检
测装置，包括：振动信号传感器，用于采集螺栓的信号；信号处理模块，
与振动信号传感器相连，用于接收并处理采集的信号，以获得螺栓因被
敲击产生的振动信号，并从信号样本数据库获取与振动信号对应的预紧
力；指示模块，与信号处理模块相连，用于指示检测出的螺栓的预紧力。
进一步地，信号处理模块包括：信号调理单元，与振动信号传感器
连接，接收并调理振动信号传感器采集的信号，且输出调理后的信号；
信号分析单元，与信号调理单元连接，接收并分析调理后的信号，得到
振动信号，根据振动信号得出螺栓的预紧力。
进一步地，信号调理单元对振动信号进行放大和滤波处理，并输出
调理后信号。
进一步地，指示模块包括显示屏，显示屏与信号分析单元连接，并
显示信号分析单元得到的螺栓的预紧力。
本发明提供的螺栓预紧力检测方法及装置，通过获取螺栓因被敲击
产生的振动信号，再从信号样本数据库中获取与振动信号对应的样本预
紧力，并将之作为螺栓的预紧力，能够方便快捷地检测出螺栓的预紧力。
附图说明
图1为本发明的第一实施例的螺栓预紧力检测方法的流程图；
图2为本发明的第二实施例的螺栓预紧力检测方法的流程图；
图3为本发明的第二实施例的螺栓预紧力检测装置的结构示意图。
附图标记说明：
1、敲击体；2、螺栓；3、振动信号传感器；4、信号调理单元；5、
信号分析单元；6、指示模块；7、供电模块。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例螺栓预紧力检测方法及装置进行详
细描述。
实施例一
图1为本发明的第一实施例的螺栓预紧力检测的的流程图，其执行
主体可以为如图3所示的螺栓预紧力检测装置，该方法适用于对各种钢
结构工程中的螺栓进行预紧力检测，能够准确高效地检测出螺栓的预紧
力。例如，对风力发电机组中的高强螺栓进行预紧力检测，可以根据检
测的预紧力所对应的预紧状态对高强螺栓进行紧固处理，能够有效防止
高强螺栓出现松动或者断裂等状态，进而保证风力发电机组的安全运行。
如图1所示，该螺栓预紧力检测方法包括：
S110，获取螺栓2因被敲击产生的振动信号。
通常，被拧紧后的螺栓2的预紧力在螺栓施工完成时已经确定，随
着螺栓2的使用，由于振动、温度变化等原因，其预紧力可能会发生改
变，造成螺栓2松动，不能可靠紧固。为保证连接可靠，需要定期检查
螺栓2的预紧力是否符合要求，但螺栓2预紧力的变化可能不会引起螺
栓形貌的变化，或者只会引起其外貌形状发生不易被发现的较小变化，
通过直接观察的手段很难察觉这种变化，也不能准确地判断螺栓2的预
紧力是否发生变化。而螺栓2的预紧力变化导致螺栓2受到敲击或撞击
时产生的振动信号发生变化，根据不同的振动信号即可准确获知螺栓2
的预紧力。本发明基于这一特点，通过检测螺栓2受敲击或撞击时的振
动信号并对其加以分析，获取其预紧力，既可以准确地检测螺栓2的预
紧力，又无需复杂操作，检测准确且高效。
具体地，在获取螺栓2的振动信号时，可以由工作人员手持锤子对
螺栓2进行敲击，也可以利用驱动件驱动锤子对螺栓2进行敲击，具体
敲击位置可以是螺栓头、螺母或者螺杆，只要保证可以给螺栓2一个有
效激励，使螺栓2产生有效的振动即可。螺栓2受到激励开始振动，预
先设置在待测螺栓2上的振动信号采集装置就可以采集螺栓2的振动信
号。
当然，在其他实施例中，敲击螺栓2的敲击件可以是锤子以外的任
何可以对螺栓2进行有效激励的件，例如：铁棒、铁块或木棍等。施加
在螺栓2上的敲击力的大小对检测的准确性的影响很小，可以忽略不计。
若采用驱动件驱动锤子，则驱动件可以是驱动电机，其输出轴与锤
子连接并驱动锤子摆动。驱动件也可以是液压驱动缸，其活塞杆或缸筒
与锤子连接并驱动锤子摆动。驱动件也可以是弹簧，压缩弹簧后释放，
弹簧推动锤子或铁棒来激励螺栓2并使其振动。
S120从信号样本数据库获取与振动信号对应的预紧力，其中，信号
样本数据库包括螺栓受敲击产生的样本振动信号和对应的样本预紧力。
本实施例中，信号样本数据库中预先存储有数据记录，数据记录中
存储有待测螺栓2的样本振动信号，以及该样本振动信号对应的样本预
紧力。信号样本数据库中存储有多条数据记录，每条数据记录中均包括
样本振动信号和相应的样本预紧力。
在采集到螺栓2的振动信号之后，将其与信号样本数据库中的样本
振动信号进行对比，查找到与振动信号相等或最接近的样本振动信号，
进而得到该样本振动信号所对应的样本预紧力，该样本预紧力即为螺栓
2的实际预紧力，或者该样本预紧力可以确定螺栓2的实际预紧力的范
围，并可以此为依据来判断螺栓2的预紧状态。值得说明的是，样本振
动信号的获取环境(包括敲击件的类型、敲击件的敲击位置、和用于区
分螺栓2信息等)与采集螺栓2的振动信号的采集环境应该一致，以保
证获取的螺栓2的预紧力的准确度。
本实施例的螺栓预紧力检测方法通过获取螺栓2因被敲击产生的振
动信号，并将振动信号与预先设置的信号样本数据库中的数据记录匹配，
得到与振动信号对应的样本预紧力，最终实现对螺栓2的预紧力的检测，
采用此种方法可以方便快捷地检测出螺栓的预紧力且保证检测的准确
性。
实施例二
图2为本发明的第二实施例的螺栓预紧力检测方法的流程图。如图
2所示，该螺栓预紧力检测方法包括如下步骤：
S210，监测螺栓2，敲击螺栓2使其振动并采集信号。
在本实施例中，在需要检测螺栓2的预紧力时，监测螺栓2并采集
信号，在螺栓2被敲击振动的时候，采集的信号中将包括螺栓2的振动
信号。
S220，获取采集的信号的特征参数，并判断其是否大于预设特征参
数。
通常，采集到的螺栓2的信号中会包含很多无效的信号(例如采集
的信号中包含螺栓2未受敲击时的信号，这些信号的存在会干扰预紧力
的确定)，为了保证检测出的预紧力准确可靠，需要从采集的信号中截
取出有效的螺栓2的振动信号。为了从采集到的信号中提取有效的振动
信号，要获取这些信号的特征参数，根据特征参数从采集的信号中提取
出有效的振动信号。例如，设置一个预设特征参数，判断采集的信号是
否包括符合条件的部分(例如采集的信号中是否包括大于预设特征参数
的部分)。若采集的信号的特征参数不包括符合条件的部分，则为无效
信号，需要重新采集信号；若采集的信号包括符合条件的部分，则可以
视为有效信号。
具体地，上述特征参数可以为信号的振动幅度。将采集到的信号的
振动幅度与预设振动幅度阈值进行对比，提取振动幅度大于预设振动幅
度阈值的一段信号作为有效信号(即振动信号)。当然，在其他实施例
中，特征参数还可以为采集到的信号的其他参数，例如某一频段的振动
能量。
S230，从采集的信号中获取特征参数大于预设特征参数时开始的一
段连续的信号作为振动信号。其中，该一段信号优选为长度范围为0.1
秒到1秒的振动信号。
将采集的信号中的有效信号提取出来作为螺栓2的振动信号，这样
更加方便后续分析和处理振动信号，进而保证对螺栓2的预紧力的检测
快捷且准确。
S240，从振动信号中提取信号特征。
在获取到螺栓2的振动信号之后，需要对振动信号进行分析处理，
以与样本振动信号进行对比。具体地，可以通过提取振动信号的信号特
征，依据该信号特征与样本振动信号进行匹配。该信号特征可以为振动
信号的振动频率、振动幅值、波峰位置等易区分和处理特征。
S250，将提取的信号特征与信号样本数据库中的样本振动信号的信
号特征比对，并获取信号特征与提取的信号特征相似或相等的样本振动
信号。
需说明的是，此处所说的相似是指样本振动信号的信号特征与振动
信号的信号特征的差在预定范围内(此预定范围是指误差容许范围)。
换而言之，在本步骤中，需要获取在误差允许的范围内信号特征与振动
信号的信号特征最接近的样本振动信号。
提取到振动信号的信号特征之后，可以将该信号特征与样本振动信
号的信号特征比对，并获取信号特征与提取的信号特征相等或最接近的
样本振动信号。
具体地，提取的信号特征可以为振动信号的频谱的N个波峰的幅值
和波峰对应频率。通过信号处理装置识别、分析、处理振动信号，并通
过处理过的振动信号的频谱的N个波峰，获取其幅值的大小及波峰所对
应的频率，可以按照幅值的大小顺序及波峰对应频率将振动信号的N个
波峰与样本振动信号的N个波峰进行对比，并获取N个波峰的数据(包
括幅值和波峰对应频率)与振动信号的N个波峰的数据最接近的样本振
动信号。其中，对振动信号的分析处理方式可以为放大、去重、滤波、
快速傅里叶变换等方式。
S260，获取最接近的样本振动信号所对应的预紧力，进而确定螺栓
2的预紧力。
在获取与振动信号最接近的样本振动信号之后，就可以从信号样本
数据库获取与其对应的预紧力的数据。
为了提高检测效率和检测准确性，信号样本数据库包括数据记录，
每个数据记录均包括样本振动信号、螺栓参数数据和与之对应的样本预
紧力的数据。设置螺栓参数数据可以快速地查找与被测螺栓2的参数数
据统一数据记录，进而快速地准确地找出被测螺栓2的预紧力。
可选地，螺栓参数数据可以包括螺栓型号数据、规格数据和安装位
置数据。由于螺栓连接位置、连接物的材质、螺栓的型号等均可能对其
振动信号产生影响，因而为了准确地测量螺栓2的预紧力，需要对其型
号、连接位置、和连接物的材质等进行记录。螺栓2的型号数据、规格
数据和安装位置数据是将多个螺栓2区分开的主要特征数据。在进行检
测时，可以先将螺栓2的螺栓参数数据与数据记录中的螺栓参数数据匹
配获得相匹配的数据记录，再在匹配出的数据记录中筛选与螺栓2的振
动信号匹配的与样本振动信号，以提高检测的准确性及检测速度。
具体地，螺栓预紧力检测方法用于检测安装在风力发电机组塔筒一
周的高强螺栓的预紧力。由于这些高强螺栓为同一型号，且安装位置相
同，在信号样本数据库中，只需预先存储一个高强螺栓的样本振动信号
和预紧力数据，即可用于与被检测的多个高强螺栓的振动信号进行对比，
进而获取多个高强螺栓分别对应的预紧力的数据。
另外，通过敲击螺栓2获取的振动信号，与预先存储在信号样本数
据库中的样本振动信号，应该是通过敲击螺栓2的同一位置采集的，这
样才能保证检测到的螺栓2的预紧力的准确度较高。
检测时，信号样本数据库中存储多条数据记录，每条数据记录中均
记录有螺栓参数数据、样本振动信号及对应的预紧力。进行螺栓2的检
测时，先确定根据螺栓2的螺栓参数数据从信号样本数据库中筛选出符
合条件的数据记录(为了便于描述，这些数据记录可以命名为第一子集)。
具体的筛选方法是：先从信号样本数据库中找出与螺栓2型号一致的数
据记录，再从这些数据记录中找出连接物和连接位置一致的数据记录并
将这些数据记录组成第一子集。
敲击螺栓2，并采集信号，从采集的信号中提取螺栓2的振动信号，
对该振动信号进行分析并与第一子集中的样本振动信号比对，找出最接
近的样本振动信号，进而获得该最接近的样本振动信号所对应的预紧力
数据，该预紧力数据即为螺栓2的预紧力。由此实现了对螺栓预紧力的
检测，且检测效率高，检测准确性好。
根据本发明的另一方面，提供一种螺栓预紧力检测装置，该装置可
用于执行上述的螺栓预紧力检测方法。
如图3所示，该螺栓预紧力检测装置包括：振动信号传感器3、信
号处理模块、指示模块6。
其中，振动信号传感器3用于采集螺栓2的信号；信号处理模块与
振动信号传感器3相连，用于接收并处理采集的信号，以获得螺栓2因
被敲击产生的振动信号，并从信号样本数据库获取与振动信号对应的预
紧力；指示模块6与信号处理模块相连，用于指示检测出的螺栓2的预
紧力。
进一步地，振动信号传感器3为声音传感器或加速度传感器。螺栓
2受到激励产生的振动信号可以通过振动波检测装置来获取，声音传感
器和加速度传感器能够有效接收振动，并输出振动信号。振动信号传感
器3还可以为其他类型的振动信号检测装置，例如振动传感器。
进一步地，声音传感器或加速度传感器设置在螺栓的螺栓头或螺母
处。螺栓2被敲击之后，产生的振动信号会向周围传播，将声音传感器
或加速度传感器设置在螺栓上，可以使获取振动信号的效率提高。声音
传感器或加速度传感器还可以设置在螺栓2的附近位置，例如螺栓2与
其连接件的连接处位置。
进一步地，信号处理模块包括：信号调理单元4、信号分析单元5。
其中，信号调理单元4与振动信号传感器3连接，用于接收并调理振动
信号传感器3采集的信号，且输出调理后的信号。信号分析单元5与信
号调理单元4连接，用于接收并分析调理后的信号，得到振动信号，根
据振动信号得出螺栓的预紧力。
具体地，信号调理单元4可以对接收的振动信号做放大和滤波等处
理，得到其中有效的振动信号并输出到信号分析单元5。信号分析单元
5对收到的振动信号进行快速傅里叶变换等处理并提取信号特征，根据
提取的信号特征与样本振动信号进行比较，进而获取最接近的样本振动
信号所对应的预紧力，此预紧力即为螺栓2的预紧力。
进一步地，指示模块6包括显示屏，显示屏与信号分析单元5连接，
并显示信号分析单元5得到的螺栓2的预紧力，以方便工作人员查询并
记录螺栓2的预紧力。
可选地，信号调理单元4、信号分析单元5和指示模块6可以集中
设置在一个移动智能设备上，使该螺栓预紧力检测装置方便携带，以实
现对不同应用场景中的螺栓2进行预紧力检测。
与该螺栓预紧力检测装置配合使用的装置还有敲击体1和供电模块
7。敲击体1可以为使用方便、轻巧便携的锤子，也可以是电磁控制的
自动敲击体。供电模块7优选为便携式蓄电池，以配合该螺栓预紧力检
测装置便携式的特点。
本发明实施例的螺栓预紧力检测装置，用于检测螺栓的振动信号，
对该振动信号进行调理、分析，并与先存储的样本振动信号相比较，获
取最接近的样本振动信号的预紧力数据作为螺栓的预紧力，该装置在使
用较少成本投入的情况下，能够快捷有效的检测出螺栓的预紧力，且操
作简单、方便携带。
需要指出，根据实施的需要，可将本申请中描述的各个部件或步骤
拆分为更多部件或步骤，也可将两个或多个部件或步骤以及部件或步骤
的部分操作组合成新的部件或步骤，以实现本发明的目的。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不
局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，
可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本
发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。