（机械制造及其自动化专业论文）全自动非金属超声波检测仪检定系统的研制与开发.pdf

n a n ji n gu n i v e r s i t yo f a e r o n a u t i c sa n da s t r o n a u t i c s t h eg r a d u a t es c h o o l c o l l e g eo f m e c h a n i c a l e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g d e s i g n a n dd e v e l o p m e n to f a u t o m a t i cc a l i b r a t o ro f t h en o r u m e t a lu l t r a s o n i cd e t e c t o r at h e s i si n m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g b y w a n g m i n a d v i s e db y a s s o c i a t ep r o f e s s o rg a o c h a n g s h u i s u b m i t t e di np a r t i a lf u l f i u m e n t o ft h er e q u i r e m e n t s f o r t h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g o c t o b e r 2 0 0 9 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本 论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名： 日期：知p ；- i 南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 随着建筑检测准入制度的不断完善，非金属超声检测仪已成为各种认证的必检项目。 但是目前国内对该仪器的检定的手段和设备还不是很健全。 在此背景下，借助于国家质检总局立项科研项目的平台。南京市计量监督检测院自主 开发研制一套全自动非金属超声检测仪检定装置。其控制系统采用p c + 运动控制卡的结构模 式，利用v c + + 完成了用户界面的开发。本文主要研究了以下几个方面的内容： 1 、根据非金属超声检测仪原理及交通部行业检定规程的要求，对非金属超声检测仪的 检定方法进行研究。对项目的可行性、设计难点及解决方案进行分析。对系统的不确定度 进行分析，保证系统满足量值传递的要求。 2 、完成对空气声速调节装置进行结构设计。对系统的各个关键部分的设计方案进行了 设计分析，确定了系统硬件部分的总体设计方案，以及各主要部分的设计方案。 3 、采用p c 控制卡、步进电机、光栅尺作为控制元件，对系统的控制反馈系统进行设 计开发，介绍了伺服进给系统的设计方案及线路图，伺服进给系统的工作原理。 4 、利用v c + + 完成了用户界面的开发，实现w i n d o w s 平台下对系统的自动控制、参数设 计、数据处理。并在软件中加入线性回归法的数据处理方法，便于对被检设备性能进行总 体分析。 5 、利用双频激光干涉仪对系统进行精度调试，并在软件中进行精度补偿。对系统不确 定度进行验证，保证系统进行量值传递的合法性。 关键词：检定装置，空气声速调节装置，v c + + ，控制系统，量值传递。 全自动非金属超声波检测仪检定系统的研制与开发 a b s t r a c t w i t ht h ec o m i n u o u s l yi m p r o v e m e n to fc o n s t r u c t i o nt e s t c e s s i n gs y s t e m ，n o n - m e t a l l i c u l t r 勰o n i cd e t e c t o r sh a v eb e c o m ea i li n d i s p e n s a b l ei t e 】mo fv 撕o u sa c c r e d i t a t i o n h o w e v e r ，t l l e c u r r e n td o m e s t i ct e s t i n gm e t h o da n de q u i p m e n tf o rt h ei n 蛐r l l m e m si sn o ty e ts o u n d a tt h i sb a c k g r o u n d ，u t i l i z i n gt h ep l a t f o 咖o fa q s i qs c i e n t i f i cr e s e a r c hp r o j e c t ，n a n j i n g i n s t i t u t eo fm e a s u r e m e ma n dt e s t i n gt e c h n o l o 影i n d e p e n d e n t l yd e v e l o p e das e to fa u t o m a t i ct e s t e q u i p m e n tf o rn o n m e t a l l i cu l 仃a s o n i cd e t e c t o r i t sc o n 仃o ls y s t e mu s e sp c + m o v e m e n tc o n n 0 l c a r ds t l l j c t u r em o d e la n du s ev c + + c o m p l e t e dt h eu s e ri n t e a c ed e v e l o p m e n t t h i sp 印e rm a i n l y 咖d i e st h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： 1 t h et e s tm e t h o d so fn o n m e t a u i cu l t r a s o n i cd e t e c t o ra r es t u d i e db yt h ep r i n c i p l e s0 f n o n - m e t a l l i cu l t r 丛o n i cd e t e c t o ra n dt h em i n i s 廿yo fi n d u s 臼了r e q u i r e m e n t so fi n d u s n yt e s t p r o c e d u r e s p r o j e c tf e 雒i b i l i 坝d e s i 印d i f f i c u l t i e s 觚ds o l u t i o i l sa r e 锄a l y z e d ，勰da l s od o a n a l y s i so nt h eu i l c e r t a i n t yo ft l l es y s t e mt oe n s u r en l es y s t e mm e e t st h er e q u i r e m e n t so fv a l u e 臼 m s f i e r 2 a i rs o 哪ds p e e dc o n d i t i o n i n gd e v i c e sa r es 仃u c t l 鹏dd e s i 印锄dm ed e s i 印p r o g r a mo f s i n 百ek e yp a n sa r ed e s i 印e dt o 锄a l y z e d t 1 1 eo v e r a l ld e s i g np r o g r a mo fh a r d w a r ep a ni s i d e n t i f i e d ，舔w e l l 笛t h em a j ns i n g l ep a n 3 p cc o n t r o lc a r d ，s t e p p e rm o t o r s ，o p t i c a l 黟a t i n ga r eu s e d 舔ac o n t lc o m p o n e n t ， d e s i g n i n gt l l ec o n n o lf e e d b a c ks y s t e m t h es e r v of e e ds y s t e md e s i g np r o g r a m ，c i r c u i td i 楚阳m ， 柚dw o r kp r i n c i p l ea r ei n 打o d u c e d 4 v c + + i su s e df o rc o m p l e t i n g 竹l ed e v e l o p m e mo fu s e ri n t e r f a c es om a tc 锄i m p l e m e n t t h es y s t e ma u t o m a t i cc o n 仃o l ，p 猢e t e rd e s i g n ，d a t ap r o c e s s i n gu n d e rt 1 1 ew i n d o w sp l a t f o n i l ，锄d a d d i n gal i n e a rr e g r e s s i o no fd a t ap 1 1 0 c e s s i n gm e t h o d st 0d o 锄o v e r a l la n a l y s i so nm e p e 而m a n c eo fe q u i p m e n t 5 t h em e t l l o do f 吣i n gd u a l - f 把q u e n c yl a s e ri n t e 疵r o m e t e ri su s e dt 0d oa c c u r a c y d e b u g g i n g0 ns y s t e m ，锄dm a k eap r e c i s i o nc o m p e n s a t i o nf o rs o f h v a r e t h eu n c e n a i n 够o f 廿l e s y s t e mi sv e r i f i e dt oe n s u r em el e g a l i 够o fs y s t e mv a l u e 胁s f e r 1 【e yw o r d s ：t e s t i n gd e v i c e ，a i rs o u n ds p e e dc o n d i t i o n i n g ，v c + + ，c o n 仃o ls y s t e m s ，、u e t t a n s f i e r 南京航空航天大学硕士学位论文 目录 第一章绪论1 1 1 课题背景及意义。l 1 2 超声检测技术的研究现状2 1 3 非金属超声检测仪检测方法的研究现状3 1 4 论文的主要内容5 第二章系统的理论基础一6 2 1 非金属超声检测技术的声学原理6 2 1 1 超声检测中的基本声学定理6 2 1 2 非金属超声检测仪的结构和测量原理8 2 2 系统设计的理论依据及数学模型8 2 3 系统的关键技术研究9 2 4 系统的不确定度分析及量值溯源图1 3 二 2 4 1 系统的不确定度分析1 3 2 4 2 系统的量值溯源图1 6 2 5 本章小节l7 第三章系统的总体设计1 8 3 1 系统硬件部分的总体设计方案1 8 3 2 系统研究与开发内容及工艺路线一2 0 3 2 1 研究与开发内容2 0 3 2 2 研究试验方法及技术路线( 工艺路线) 2 0 3 3 系统总体设计模型及各部分设计方案及安装( 硬件部分) 2 2 3 3 1 空气声时调节系统2 2 3 3 2 调零机构2 3 3 3 3 换能器装夹装置。2 4 3 4 本章小结2 6 第四章全自动非金属超声检测仪检定装置控制系统总体设计2 7 4 1 硬件体系结构2 7 4 2 控制系统硬件平台的搭建2 8 4 2 1 控制卡2 9 i i i 全自动非金属超声波检测仪检定系统的研制与开发 4 2 2 步进电机及电机驱动器31 4 2 3 光栅尺。3 2 4 3 进给伺服系统的设计3 3 4 3 1 进给伺服系统的接线3 3 4 3 2 伺服系统位移量、进给速度、运动方向的控制3 4 4 4 本章小节3 4 第五章系统软件总体设计3 5 5 1 系统软件概述3 5 5 1 1 系统的任务划分3 5 5 1 2 系统的软件概述3 6 5 2 系统的软件分析3 7 5 3 系统软件设计3 8 5 3 1 界面设计4 0 5 3 2 控制卡程序设计4 l 5 3 3 检测控制程序设计4 2 5 3 4 光栅尺程序设计4 3 5 3 5 数据处理程序设计( 线性回归法) 4 4 5 3 6 自动生成原始记录程序设计4 6 5 4 本章小结4 8 第六章系统的精度检测及不确定度验证4 9 6 1 系统的精度检测4 9 6 2 不确定度验证5 0 6 3 本章小节5 1 第七章结论和展望一5 2 7 1 结论5 2 7 2 展望5 2 参考文献5 4 致谢5 7 南京航空航天大学硕士学位论文 图清单 图1 1 标准棒法示意图4 图1 2 电信号测量法示意图一4 图2 1 超声波方向性示意图6 图2 2 超声波的反射与折射7 图2 3 非金属超声检测仪原理图8 图2 4 声时精度测试装置9 图2 5w n10 5 1 - a 5 0 0 m 型电动位移台10 图2 6 平面换能器t 0 测试法1 l 图2 7 时距曲线法测t o 。1 2 图2 8 系统量值溯源图16 图3 1 将换能器垂直放置结构图1 8 图3 2 将换能器水平放置结构图1 9 图3 3 系统结构原理图一2 1 图3 4w n 10 5 1 a 5 0 0 m 型电动位移台2 2 图3 5 调零机构示意图2 4 图3 6 夹具结构示意图2 6 图4 1 非金属超声仪检定装置的结构2 8 图4 2 硬件总体框架2 9 图4 3 输出脉冲线路图31 图4 4 编码器回馈线路图31 图4 5 伺服系统接线图3 3 图5 1 软件的结构划分3 8 图5 2 检测程序流程图3 9 图5 3 软件主界面图4 0 图5 4 送检产品信息界面图4 0 图5 5 检测参数设置界面图4 1 图5 6 检测数据输入处理界面图4 l 图5 7 线性回归坐标界面图4 5 图5 8 原始记录打印预览图4 8 v 全自动非金属超声波检测仪检定系统的研制与开发 图6 1 线性补偿系数计算结果图5 0 v i 南京航空航天大学硕士学位论文 表清单 表2 1 部分材料的弹性模量、波速和特性阻抗一7 表2 2 标准不确定度分量一览表1 5 表3 1 用传统方法所得的参考实验数据2 5 表3 2 夹具高度设计取3 0 m m 橡胶板实验数据2 5 表3 3 夹具高度设计取6 0 m m 橡胶板实验数据2 5 表3 4 夹具高度设计取9 0 m m 橡胶板实验数据2 5 表3 5 夹具高度设计取1 2 0 m m 橡胶板实验数据一2 5 表3 6 夹具高度设计取1 5 0 m m 橡胶板实验数据一2 5 表6 1 检测设备基本信息表4 9 表6 2 修正前定位精度检测数据4 9 表6 3 修正后定位精度检测数据5 0 表6 4 不确定度验证第二种方法测量数据5 1 v i i 全自动非金属超声波检测仪检定系统的研制与开发 i i 注释表 密度 e 泊松比v ， 空气温度厶 第f 个测点空气声速值相对误差 u 第f 个测点声波仪示值 甜g ) 灵敏系数甜， 扩展不确定度 七 弹性模量 空气标准声速值 第f 个测量点两换能器之间的距离 第f 个测点空气声速值 不确定度分量 合成不确定度 包含因子 p 矿 丁q u 南京航空航天大学硕士学位论文 1 1 课题背景及意义 第一章绪论 非金属超声检测仪是一种广泛应用于工程质量检测的计量器具。利用超声波在被测介 质中声波传播速度、振幅、频率和波形等声学参数的变化，从而了解介质的物理特性。经 过分析、计算、处理后即可判断出混凝土内部质量及强度。广泛应用于工程建设中混凝土 等非金属结构的缺陷、强度检测。其对于建筑工程安全有着极为重要的意义【l 】。 由于检测手段不成熟，目前国家质检总局对非金属超声检测仪还没有颁布国家检定规 程。根据交通部行业规程j j g 0 2 7 ( 交通) 一2 0 0 4 水运工程非金属声波检测仪及建筑工业 行业标准j g t 5 0 0 4 一1 9 9 2 混凝土超声波检测仪，其中最重要的计量指标一一空气声速值 相对误差1 2 卜【3 】，采用游标卡尺进行检测。这种方法检测精度低，定位困难，很难保证测量的 准确性，而且其中对于空气声时调节装置没有给出明确的规定和技术要求。这些都给质量 技术监督部门对该仪器的监管带来了许多困难。 近年来，全国范围内不断出现工程质量事故，给人民群众的正常生活带来极大地安全 隐患。上级要求我们加强对涉及工程安全内的计量器具的监管，为打造和谐社会保驾护航。 南京市计量监督检测院作为南京市质量技术监督局的法定技术机构有必要开发、研制一种 能够精确测量该仪器的设备，满足市场需求，加强对工程安全类的计量器具监管。 目前，南京市场有大量的工程检测公司，每家公司至少拥有一台非金属超声波检测仪。 经本院统计，2 0 0 7 年送检本院的非金属超声检测仪有近3 0 台，到2 0 0 8 年该数字上升到近 5 0 台。据了解，本市还有至少2 0 0 台左右的非金属超声波检测仪处于无检定和无监管状态， 这对工程质量都存在极大的安全隐患。随着检测服务准入制度的不断完善，准入门槛的提 高，非金属超声波检测仪已被列入各种认证的必检设备。本院的非金属超声波检测仪检定 系统完成后，可实现对该仪器的空气声速值相对误差的准确检定；配合其他现成设备可实 现对该设备所有计量指标的检定，彻底解决因检定手段不全而无力监管的现状，为南京市 质量技术监督局加强对工程安全类计量器具的监管提供技术保障，也为广大检测机构解决 后顾之忧。 另外，该系统可使南京市计量监督检测院对南京市及周边地区的非金属超声检测仪的 检测业务具备极强的竞争力，仅检测收入预期不低于1 0 万年。此外，我们还可以将该系 统做成产品，销售到全国各个有需要的技术监督部门及生产厂家，有着广阔的市场前景。 全自动非金属超声波检测仪检定系统的研制与开发 该项目由南京市计量监督检测院于2 0 0 8 年3 月提出，2 0 0 8 年5 月被南京市质量技术监 督局列为2 0 0 8 年度市局重点科技项目，2 0 0 8 年9 月被江苏省质量技术监督局列为2 0 0 8 年 度省局重点科技项目，2 0 0 9 年1 月被国家质检总局列为2 0 0 9 年度国家局重点科技项目。在 资金和人员上都给该项目的顺利完成提供了保障。 1 2 超声检测技术的研究现状 声波检测技术作为无损检测技术的重要手段之一，在其发展过程中起着重要的作用， 它提供了评价固体材料的微观组织及相关力学性能、检测其微观和宏观不连续性的有效通 用方法。由于其信号的高频特性，超声波检测早期仅使用模拟量信号的分析，需要通过有 经验的无损检测人员对信号进行人工分析才能得出正确的结论，对检测和分析人员的要求 较高，因此，人为因素对检测的结果影响较大，波形也不易记录和保存，不适宜完成自动 化检测【4 j - 1 5 1 。 八十年代后期，由于计算机技术和高速器件的不断发展，使超声波信号的数字化采集 和分析成为可能。目前国内也相继出现了各类数字化超声波检测设备，并已成为超声波检 测的发展方向。但是，这些设备也仅停留在超声波检测频率较低的频段的信号处理上，主 要是受到高速a d 和高速存储技术的限制。 为了减少人为因素对检测结果的影响，使波形能记录和保存，并达到检测结果的直观 性，需实现超声波检测分析和成像处理，这就要求实现数据的高速采集和大数据量缓冲。 因此，开展数据高速采集技术的研究和实现是非常必要的，它是能否实现超声波检测分析 和成像处理的关键技术之一。 在我国，自2 0 世纪5 0 年代开始这一领域的研究以来，已取得丰硕成果。6 0 年代初期便有 单位采用超声脉冲波检测混凝土表面裂缝的尝试，到6 0 年代中期全国不少单位开展了超声 法检测混凝土缺陷的研究和应用。随后开始研制混凝土超声检测仪，6 0 年代初就研制成功 了多种型号的超声检测仪。近十年来，随着我国电子工业的发展，已基本形成该类仪器的生 产体系。近年来仪器的研究工作已向小型化、自动化和智能化的方向发展；尤其是1 9 7 6 年 以来，建设部组织了全国性协作组，对混凝土超声检测技术进行了较系统、深入地研究，并 逐步应用于程实践中。特别是近十多年来，发展尤为快速。混凝土超声检测技术已应用到 建筑、水电、交通、铁道各类工程中、检测的应用范围和应用深度也不断扩大，从地面上 部结构的检测发展到地下结构的检测；从一般小构件的检测发展到大体积混凝土的检测； 从单一测强发展到测强、测裂缝、测缺陷、测破坏层厚度、弹性参数的全面检测；检测距 2 南京航空航天大学硕士学位论文 离从5 0 年代的1 m 发展到能探测2 0 的混凝土。在1 9 8 2 年至1 9 8 3 年期间，水电部、建设部 先后组织了对超声脉冲法检测混凝土缺陷科研成果鉴定，使这项检测技术进入实用阶段。 1 9 9 0 年颁布了超声法检测混凝土缺陷技术规程，使这项检测技术实现规范化，更有 利于推广应用【6 】。该规程实施以来，在消除工程隐患、确保工程质量、加快工程进度等方面 取得显著的社会经济效益。根据该规程的实施现状及我国建设工程质量控制和检验的实际 需要，1 9 8 8 1 9 9 9 年对该规程进行了修订和补充，并由中国工程建设标准化协会批准为超 声法检测混凝土缺陷技术规程( c e c s 2 1 ：2 0 0 0 ) 。修订后的规程吸收了国内外超声检测设 备最新成果和检测技术最新经验，使其适应范围更宽，检测精度更高，可操作性更好，更 有利于超声法检测技术的推广应用。 随着科学技术的发展，非金属超声检测仪已向小型化、轻便化和数字化发展，综合起 来，非金属超声无损检测有以下几个发展趋判7 1 【8 1 ： 1 、计算机技术在超声无损检测中广泛应用，对公式进行数字计算，实现检测结果自动 化等功能。 2 、将计算机层析成像( c o m p u t e r i z e dt o m o g r a p h y ，简称c t ) 技术用于非金属超声波 检测，即为非金属超声波层析成像检测方法。 3 、激光超声检测技术在非金属超声无损检测技术领域有着很好的发展前景。 1 3 非金属超声检测仪检定方法的研究现状 目前国内外对非金属超声检测仪的检定方法还没有一个统一的方法。比较常用的方法 主要有：标准棒法、时距测量法、电信号测量法。 标准棒法1 9 j ：用某种非金属材料( 一般选用有机玻璃) 制作成标准棒，要求材质均匀， 并由计量部门( 我国可以标定标准声时的单位是中国科学院声学研究所) 给出该标准棒的 标准声时。然后用非金属超声检测仪的平面换能器与标准棒对准( 黄油耦合) ，测出仪器声 时读数，如图1 1 。最后和标准棒的标准值进行比较得出结论。 3 全自动非金属超声波检测仪检定系统的研制与开发 图1 1 标准棒法 时一距测量法【1 0 1 ：将非金属超声检测仪的两平面换能器在空气中对准，测读不同的距 离下的声时值。然后计算出声速值，和同温度状态下的标准空气声速值进行比较得出结论。 电信号测量法【l l l ：如图1 2 将非金属超声检测仪同信号发生器相连接。调节信号发生器 猝发音延时，每5 0 0 l lm 检测仪做一次测量，直至检测仪测量上限。 图1 2 电信号测量法示意图 在对非金属超声检测仪的检测过程中，除了检测设备、环境条件、实验人员等对检测 结果产生影响，仪器本身的一些物理特性也会对检测结果的准确性产生影响。目前大多数 的非金属超声检测仪在检测过程中都会出现以下几种影响检测结果的情况【1 2 h 1 4 】： l 、零声时影响 所有的非金属超声检测仪，仪器上显示的时间都是由发射到接受这两个电信号之间的 时间t - ，即仪器测读时间并非超声波在介质中的传播时间t ，且，1 f 。这是因为t 。除包含超 声波在介质中的传播时间t 之外，还包含电延迟时间、电声转换时间、声延迟。零声时误差 对检测结果有很大的影响。 2 、振幅大小的影响 在测读声时的过程中，接受信号振幅的大小对测量结果有影响。当接受波振幅高时， 4 南京航空航天大学硕士学位论文 接受波前沿陡峭，用游标测读得到的声时值较小，计算出声速较大；当振幅低时，接受波 前沿平缓，测得的声时值较大，计算出声速较小。所以在对非金属超声检测仪的检测过程 中，应保证幅值一致，特别是首波幅值一致。 3 、测量距离的影响 国外一些研究者大多认为，随着测量距离的增加，所测声速会减少，即测量距离有影 响。南京水利科学研究院曾专门进行过测量距离影响的试验研究，试验结果表明，随着测 量距离的增加，所测声速逐渐减少；在1 5 m 范围内，声速减少较快，以后渐趋平稳。 本系统的测量范围是0 到3 0 0 咖，测量距离影响较小。根据研究数据，第一个测量点3 0 咖 和最后一个测量点3 0 0 咖测距影响系数小于o 1 ，对结果判定不产生影响。 1 4 论文的主要内容 本课题依托于国家质量监督检验检疫总局2 0 0 9 年重点白筹经费科技项目，由南京市计 量监督检测院和南京航空航天大学机电学院共同开发研制一套全自动非金属超声检测仪检 定系统。系统由检测运动定位平台、自动控制系统、界面操作及数据处理软件三部分组成， 并对系统进行精度补偿，保证系统的定位精度优于6i im ，重复定位精度由于3um 。本系 统完成后不仅可以满足对非金属超声检测仪的检定要求，并且通过不同的夹具也可以满足 对大量位移传感器的检测及校准的要求。 第一章为绪论。主要介绍了本课题研究背景及意义，以及国内外研究现状。 第二章主要介绍了系统开发的理论基础。包括超声检测的声学原理，非金属超声检测 仪的机构和测量原理，系统的数学模型，系统开发关键技术的研究，系统的不确定度分析。 第三章主要介绍了系统硬件设计的总体方案。对两种硬件结构进行了比较分析，确定 了硬件部分总体结构。介绍了系统研制内容及工艺路线。重点介绍了系统各部分的设计模 型及设计方案。 第四章主要介绍了系统控制部分的设计方案。介绍了各个控制元件的工作原理，选择 合适的控制元件。介绍了进给伺服系统的工作原理及接线原理。 第五章主要介绍了系统软件部分的设计。包括系统软件的功能需求分析，功能模块划 分。重点介绍了系统各功能模块的界面设计及主程序设计。 第六章主要介绍了对系统的精度进行验证及修正的过程，对系统的不确定度进行验证。 第七章是总结和展望。对整个系统的开发过程进行了总结并对后续的工作进行了展望。 5 全自动非金属超声波检测仪检定系统的研制与开发 第二章系统的理论基础 2 1 非金属超声检测技术的声学原理 超声波是一种机械波1 5 1 。也就是弹性介质内质点弹性振动引起的波动。其振动频率在 2 0 0 0 h z 以上，超出人耳的听觉上限。目前，非金属超声检测仪主要应用纵波，即质点振动 和传播方向相同的一种波动形式【1 6 1 。 2 1 1 超声检测中的基本声学定理【1 7 】。【2 0 】 l 、束射特性 超声波传播具有方向性和射线性。在相同辐射条件下，对于有方向性的换能器而言， 随着频率的提高，其方向性更加尖锐。即声源发出的超声，在一定的方向上形成如图2 1 所示的波束。 彳 鬓 6 7 l 面场阪、 近场区 图2 1 超声波方向性示意图 在离声源较近的一段，波束几乎平行；远离声源地区，波束向四周稍有扩散，其扩散 声束与平行波束之间形成口角。 在系统的设计过程中，电动位移台由金属部件组成。根据声波的束射特性，当检测位 移较大时，金属部件会对检测结果产生影响。为保证远场区的检测准确性，有必要将吸波 材料制成的夹具加高，消除金属件对检测结果的影响。 2 、射线特性 由于超声波可以成束发射，直线传播，方向性强。在传播过程中，当遇到两种声阻抗 率( ) 不同的物质所形成的介面时，就会产生声波的反射和折射。如图2 2 。两种交界 面介质的声阻抗率差别愈大，反射愈强，透入第二种介质的声能就愈小。 6 南京航空航天大学硕士学位论文 介面 入射波反射放 f 。h 介质1 入倾2 图2 2 超声波的反射与折射 本系统基于的检定方法一时一距测量法，是以空气为传播介质。由于固体与气体之间 的声阻抗率差别极大，见表2 1 ，反射极强烈，透入很少。所以在检测过程中要将非金属超 声检测仪的发射电压调到最大，避免出现全反射而无法正常检测。 表2 1 部分材料的弹性模量、波速和特性阻抗 题目 杨氏弹性模量泊松比密度波速( m s )特性阻抗 ( 1 0 。5 n v c m 2 ) ( o ) ( g c m 3 ) p v 材料 v pv s ( 1 0 4 9 c m 2 ) 钢 2 1 o 1 0 1 1o 2 97 85 9 4 03 2 2 04 7 0 玻璃7 0 1 0 1 1 0 2 5 2 5 5 8 0 0 3 3 5 01 2 9 陶瓷 5 9 l o 0 2 32 45 3 0 03 1 0 01 3 0 混凝土3 o 1 0 o 2 82 44 5 0 02 4 8 61 0 8 石灰石 7 2 1 0 1 1o 3 12 76 1 3 03 2 0 01 6 6 淡水| 0 9 9 81 4 8 1 1 4 8 空气 0 0 0 1 2 3 3 0o 0 0 4 3 、吸收特性 超声波在传播过程中的吸收是由各种物理机理引起的。例如，具有一定大小的颗粒分 散在介质中，会引起散射损耗。所以对非金属超声波检测仪的检测工作，不宜在多灰尘的 环境下( 比如施工现场) 或湿度过大的环境里进行，避免散射损耗对检测结果的影响。 研究超声波的声学特性，主要是为了在系统的设计过程中和仪器的检测过程中考虑到 这些特性对检测结果的影响，保证检测精度。 7 全自动非金属超声波检测仪检定系统的研制与开发 2 1 2 非金属超声检测仪的结构和测量原理 非金属声波检测仪包括主机、直流电源、换能器等【2 1 1 。它通过声波测试的方法，测定 被测介质中的声波传播速度、振幅、频率和波形等声学参数的变化。从而了解被测介质( 非 金属) 的物理学特性，经过分析、计算、处理后即可判断出混凝土内部质量。广泛应用于 水运工程建设中混凝土等非金属结构的缺陷、强度检测。 非金属超声检测仪检测原理方框图见图2 3 发射声波在非金属接收 声波发射 换能器 。厂一 传播受其物理 换能器。接收 系统 7 l 力学及结构特 l r 放大器 征调制 数据采集波形显示分析系统及 存贮系统微机接口 图2 3 非金属超声检测仪原理图 其工作原理为【2 2 】：高压发射电路在主机控制下产生高压脉冲，通过发射换能器转换为 声波信号并传入被测介质；接收换能器接收通过被测介质的声波信号并转换为电信号；受 主机控制的程控放大系统对接收的电信号作自动增益调整达到设定状态，经数据采集系统 转换为数字信号，并将其高速地送人专用主机系统：然后在主机系统控制下进行波形显示、 声参量的判读和存储，或者对所存储的声参量进行分析处理。 2 2 系统设计的理论依据及数学模型 根据非金属超声检测仪的结构和原理，依据交通部行业计量检定规程j j g ( 交通) 0 2 7 2 0 0 4 水运工程非金属声波检测仪、中国工程检测标准化协会标准c e c s 0 2 2 0 0 5 超 声回弹综合法检测混凝土强度技术规程、交通部行业标准j t 厂r 6 5 9 2 0 0 6 混凝土超声检测 仪。本系统采用“时距”法对仪器进行测量【2 3 1 ，通过改变声波仪两个平面换能器在空气 8 南京航空航天大学硕士学位论文 中的距离，读取声波仪显示的声时，从而得出不同位移下的空气声速，最后和标准空气声 时进行比较，得出仪器示值误差。装置原理见图2 4 ： 图2 4 声时精度测量装置 装置按“时- 距”法测量空气声速的实测值v 。，并与按公式( 2 1 ) 计算的空气声速标准值 v c 相比较，二者的相对误差应不大于0 5 【2 4 1 。 k ：3 3 1 4 l + o 0 0 3 6 7 r( 2 1 ) 式中：心一空气标准声速值，单位为米每秒( i l 以) ； 卜空气温度，单位为度( ) 。 空气声速值相对误差计算公式： 1 1 ，。一1 ，f i 1 ，f i =v c l o o ( 2 2 ) 厶 v f = j 式中：一第f 个测点空气声速值相对误差； 厶一第f 个测点换能器之间的距离，单位为( m ) ； h 一第f 个测点空气声速值，单位为米每秒( i 眺) ； 一第f 个测点声波仪示值，单位为秒( s ) 。 2 3 系统的关键技术研究 ( 2 3 ) 根据被检对象非金属超声检测仪的物理特性和精度要求，结合本项目的经费预算，本 系统的关键技术及难点主要有以下几个方面： 9 全自动非金属超声波检测仪检定系统的研制与开发 1 、平移工作台金属部分对检测结果的影响 根据非金属超声检测仪的测量特点及声波传播特性，金属元件对非金属超声检测仪的 测量结果有着很大的影响。本系统采用的传动系统由金属元件构成，所以怎样克服金属元 件对测量结果的影响是本系统能够准确实现对非金属超声检测仪声时误差检定的关键技术 之一。依据c e c s 0 2 2 0 0 5 超声回弹综合法检测混凝土强度技术规程附录l 的技术要求， 对非金属超声检测仪检定时，若将换能器平面放置，应在换能器下放垫上吸波材料，如橡 胶、海绵等。 设想的解决方案：超声换能器的夹具部分采用胶木板，换能器外表面套上橡胶圈或海 绵等吸波材料。把非金属夹具适当加高，远离金属元件，具体高度通过实验验证( 具体实 验方案及结果见第三章) 。 2 、本系统位移装置定位精度及重复精度的保证 对于本系统而言，位移装置的定位精度及重复精度是本系统精度保证的关键。如何保 证本系统的定位精度和重复精度是主要考虑和解决的问题。根据本项目的最初规划，位移 装置通过购买现成的电动位移台并加以改造得以实现。 目前市场上的电动位移台多为机床改造或设备改造而设计，丝杠一般采用的是国产丝 杠，电机一般采用的是步进电机，所以定位精度和重复精度偏底。一般来说，一个中等价 位5 0 0 m m 的电动位移台定位精度在0 0 4 m m 左右，重复定位精度在o o l m m 左右。显然作 为计量设备，这样的精度远远不能满足测量的精度要求。而精密型电动位移台价格很高， 且机械安装精度也很难保证，所以精度虽然比普通型有很大提高，但价格偏高，定位精度 和重复精度也很难达到宣传资料的精度，故性价比不高。 从本项目的实际情况出发，最终决定选用北京微纳光科有限公司生产的1 n 1 0 5 t a 5 0 0 m 型电动位移台，如图2 5 。要求厂方选用进口磨制丝杠，保证重复精度控制在5um 之内。 定位精度通过加入光栅尺形成闭环系统，利用双频激光干涉仪对系统进行修正，在软件里 对系统的定位精度和重复精度加以保证。 l o 图2 5w n l 0 5 t a 5 0 0 m 型电动位移台 南京航空航天大学硕士学位论文 3 、检测过程的自动化实现 检测过程的自动化实现，是本系统区别与原有检定装置的重要部分之一。本院原有的 检定装置通过手动改变游标卡尺两量爪之间距离获得位移。这种方法工作效率低，定位不 精确，多次测量重复性差。本系统实现检测过程的自动化，通过事先设定检测距离、检测 点数等方法，使系统自动完成位移定位。检测人员设定好检测参数之后，可以不用继续操 作计算机，直接操作被检仪器。根据被检仪器响应时间和操作