空氣耦合超聲波的位移測量

，，,3，

(1.南昌航空大學(xué) 無損檢測技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南昌 330063;2.日本探頭株式會社,橫濱 232-0033;3.湖南省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測研究院， 長沙 410000)

作為測量距離或位移的主要方法，超聲和激光檢測技術(shù)被廣泛應(yīng)用于工程實(shí)際中。隨著激光檢測技術(shù)的不斷發(fā)展，超聲位移檢測技術(shù)的應(yīng)用范圍正在不斷縮小。然而，當(dāng)使用激光測量反射率很低的透明體、吸光的黑橡膠、反射率發(fā)生急劇變化的花樣材料、異種材料以及鏡面時，由于各種因素的影響，檢測結(jié)果會產(chǎn)生很大的誤差，雖然可通過軟件或硬件減少這些誤差，但是儀器會復(fù)雜化。因此，對于上述材料的位移測量必須尋找新的方法，由于超聲波不受材料性質(zhì)的影響[1-3]，其可很好地彌補(bǔ)激光檢測技術(shù)的不足，非常適用于以上環(huán)境的檢測。近年來發(fā)展起來的空氣耦合式超聲無損檢測技術(shù)，因具有非接觸、非浸入、無損壞、可快速在線檢測的特點(diǎn)，開始受到人們的關(guān)注，有著很好的應(yīng)用前景[4-7]。

筆者采用空氣耦合超聲表面反射法，利用長聚焦束的空氣耦合點(diǎn)聚焦探頭，對配管的內(nèi)外壁進(jìn)行了A模式的位移測量，實(shí)現(xiàn)了與材料性質(zhì)和形狀無關(guān)的非接觸位移檢測，用簡單的方法和設(shè)備獲得了較高的檢測精度。因此，在非接觸位移檢測方面，相對于激光檢測技術(shù)，空氣耦合超聲檢測技術(shù)有著一定的優(yōu)勢和很好的應(yīng)用前景。

1 檢測精度的確認(rèn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

該試驗(yàn)是在一個相對穩(wěn)定的環(huán)境下進(jìn)行的，用空調(diào)來調(diào)節(jié)試驗(yàn)環(huán)境溫度，以消除實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)外溫度不同帶來的誤差。在上述檢測環(huán)境下，制作了確認(rèn)檢測精度的試驗(yàn)系統(tǒng)，系統(tǒng)原理示意如圖1所示。試驗(yàn)設(shè)備由鋼制實(shí)驗(yàn)箱、反射板、探頭、千分尺、千分尺顯示器、溫度顯示器、電腦、信號發(fā)射接收器構(gòu)成。試驗(yàn)中所用空氣耦合超聲點(diǎn)聚焦式探頭的頻率為2 MHz(型號為2K15R15，晶片直徑為15 mm，聚焦半徑為15 mm)，在可伸縮長板上安裝一個數(shù)字千分尺(型號為三豐MHD25H，測量精度可達(dá)±0.5 μm)來記錄反射板左右移動的距離。在鋼制試驗(yàn)箱的內(nèi)外安裝熱電偶來監(jiān)測試驗(yàn)箱內(nèi)外的溫度，在設(shè)備的上部設(shè)置一個丙烯材料的窗口來觀察內(nèi)部情況。試驗(yàn)使用超聲發(fā)射接收器JPR-600C發(fā)射和接收信號，通過旋轉(zhuǎn)千分尺旋鈕來控制反射板的左右移動，改變反射板的位置，使探頭至反射板產(chǎn)生位移的變化，同時用超聲檢測出位移的變化，以此來獲得反射板的A顯示波形，同時得到反射板移動范圍的B顯示。檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖1 檢測精度試驗(yàn)系統(tǒng)檢測原理示意

圖2 檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.2 檢測精度的確認(rèn)試驗(yàn)及試驗(yàn)結(jié)果

將點(diǎn)聚焦探頭對準(zhǔn)反射板表面中心位置，通過圖2中所示的熱電偶連接的溫度顯示屏可知試驗(yàn)環(huán)境為26.5℃，將探頭的焦點(diǎn)對準(zhǔn)在反射板上，左右輕微旋轉(zhuǎn)千分尺旋鈕，觀察第一次回波信號峰值達(dá)最大值時停止旋轉(zhuǎn)，將此時千分尺位置作為初始位置(即零點(diǎn))，測得的反射波形如圖3所示。得到第一次回波在83.85 μs處(波形到達(dá)時間)，第二次回波在167.8 μs處(波形到達(dá)時間)，可知探頭距反射板的距離為14.27 mm。

圖3 探頭焦點(diǎn)處波形示例

圖4 檢測精度確認(rèn)試驗(yàn)結(jié)果及換能器內(nèi)部超聲波傳播示意

圖5 探頭至反射板距離與峰值時間的關(guān)系曲線

利用圖3所示的一次回波進(jìn)行測量分析。首先，如圖1所示，以探頭焦點(diǎn)與反射板的初始位置為中心(左為負(fù))，將反射板從左至右以0.1 mm的步進(jìn)從-0.500 mm (500 μm) 移動到+0.500 mm(500 μm)處，記錄反射板的第一次回波波形，同時進(jìn)行B掃描顯示記錄。此試驗(yàn)控制測量時間在1 min內(nèi)完成，溫度變化在±0.1 ℃范圍內(nèi)。試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，圖4(a)為B顯示結(jié)果，反射板每次移動的距離都是固定的，從圖中可以清晰地看出時間相對于千分尺(反射板)移動的距離是以相等的間隔變化的。圖4(b)為反射板在-0.5 mm位置處的A顯示波形。從圖4(c)所示晶片發(fā)射超聲波的傳播路徑可知，當(dāng)晶片發(fā)射超聲經(jīng)過耦合層時，由于超聲波信號可能會在耦合層內(nèi)部發(fā)生復(fù)雜的多重反射與折射、以及晶片本身的余振很長，波尾部分的波形易發(fā)生干涉或重疊而導(dǎo)致波形的畸變，而第一次回波的第一個和第二個峰值有較好的穩(wěn)定性，所以選取第一次回波的第一個和第二個峰值進(jìn)行測量分析并記錄數(shù)據(jù)，第一個和第二個峰值記錄在表1，表1可用圖5表示。圖5中橫軸為反射板距中心點(diǎn)(即零點(diǎn))距離，縱軸為波形第一和第二峰值時間，虛線為第一峰值的到達(dá)時間，實(shí)線為第二峰值的到達(dá)時間。從圖5可以看出，第一和第二峰值均近似線性并具有很好的相關(guān)性，第一峰值的時間曲線和第二峰值的時間曲線的斜率不同?？梢宰C明如果能夠把第一和第二峰值正確地檢測出來，溫度變化在0.1 ℃范圍內(nèi)，檢測精度能夠達(dá)到0.01 mm。

另外，將空調(diào)溫度調(diào)節(jié)為26℃，保持探頭至反射板距離不變，進(jìn)行連續(xù)10 h的反射波形記錄，選取第一個峰值時間進(jìn)行測量，每隔10 min記錄一個數(shù)據(jù)。試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示，圖中橫軸為試驗(yàn)經(jīng)過時間，主坐標(biāo)軸為第一次峰值到達(dá)的時間，次坐標(biāo)軸為試驗(yàn)環(huán)境變化的溫度。實(shí)線表示峰值到達(dá)時間與試驗(yàn)經(jīng)過時間的關(guān)系，虛線表示溫度與試驗(yàn)經(jīng)過時間的關(guān)系。從圖6可得出，超聲波的聲速對溫度的變化非常敏感，細(xì)微的溫度降低都能導(dǎo)致峰值到達(dá)時間的延遲，這說明空氣耦合超聲檢測對溫度的變化非常靈敏。

表1 探頭至反射板距離和峰值時間的關(guān)系

圖6 試驗(yàn)溫度與超聲波傳播時間的關(guān)系曲線

圖7 應(yīng)用試驗(yàn)裝備實(shí)物

2 應(yīng)用實(shí)例

通過以上試驗(yàn)，驗(yàn)證了空氣耦合超聲位移檢測精度能夠達(dá)到0.01 mm。下面將其應(yīng)用到實(shí)際超聲位移檢測中。試驗(yàn)裝備實(shí)物如圖7所示，檢測系統(tǒng)由三軸調(diào)節(jié)支架、探頭、丙烯管、旋轉(zhuǎn)角度控制器等組成。試件用配管的材料為丙烯，其內(nèi)徑為66 mm,外徑為70 mm,管壁厚度為4 mm。在丙烯管的底部安裝一個旋轉(zhuǎn)角度控制器，控制丙烯管以一定的速度旋轉(zhuǎn)。測量時，將寬度為25 mm、厚度為60 μm的聚酰亞胺膠帶貼在丙烯管的內(nèi)外兩側(cè)以模擬壁厚變化，并且改變膠帶的層數(shù)(見圖8)，即一層膠帶的厚度為60 μm、兩層膠帶的厚度為120 μm、三層膠帶的厚度為180 μm，以此來改變探頭與被檢測物之間的距離；然后分別從配管外部和內(nèi)部進(jìn)行測量。

圖8 丙烯管膠帶位置示意

2.1 配管外側(cè)壁厚變化測量

從配管外側(cè)對壁厚變化進(jìn)行測量，試驗(yàn)結(jié)構(gòu)如圖9所示。使用空氣耦合點(diǎn)聚焦探頭頻率為2 MHz (型號為2K15R15，晶片直徑為15 mm，聚焦半徑為15 mm)，將旋轉(zhuǎn)角度控制器轉(zhuǎn)速設(shè)為2 r·min-1，在配管旋轉(zhuǎn)的同時進(jìn)行測量，測量結(jié)果如圖10所示。在B顯示的膠帶紙邊緣處[見圖10(a)]，顯示的波形到達(dá)時間不同，無膠帶處的回波時間為88.600 μm[圖10(b)上部波形]，有膠帶處的回波時間為87.519 μm[圖10(b)下部波形]。管外徑旋轉(zhuǎn)一周為220 mm，將左側(cè)的B掃描結(jié)果進(jìn)行坐標(biāo)變換得到圖11(a)，(b)為未貼膠帶紙時的位移關(guān)系曲線，由于丙烯管的厚度不均、變形等因素影響，圖11(a)，(b)位移的整體起伏大約為0.6 mm。對比圖11(a)和11(b)的位移變化，可以清晰地分辨出從左至右管壁上分別黏貼了2層、3層、1層膠帶紙?zhí)幍奈灰?，與實(shí)際情況完全一致。由于丙烯管的厚度不均、變形等因素影響，圖11(a)，(b)位移的整體起伏大約為0.4 mm。

圖9 配管外側(cè)測量結(jié)構(gòu)簡圖

圖10 配管外側(cè)B掃結(jié)果和A顯示波形示例

圖11 配管外側(cè)測量位移關(guān)系曲線與未貼膠帶紙位移關(guān)系曲線

2.2 配管內(nèi)側(cè)壁厚變化測量

圖12 配管內(nèi)側(cè)測量結(jié)構(gòu)簡圖

小徑配管內(nèi)側(cè)進(jìn)行測量，試驗(yàn)結(jié)構(gòu)如圖12所示。由于小徑配管不能利用簡單的垂直入射反射法進(jìn)行測量，使用了長聚焦束的空氣耦合點(diǎn)聚焦探頭，頻率為0.8 MHz(型號為0.8 K20R40，晶片直徑為20 mm，聚焦半徑為40 mm)。因此配管內(nèi)部空間小，難以將探頭橫置于配管內(nèi)，故利用了45°折射鏡方法。以同樣的速度2 r·min-1，使配管旋轉(zhuǎn)，同時進(jìn)行測量，貼有膠帶紙和沒有貼膠帶紙配管的測量結(jié)果如圖13所示。管內(nèi)徑旋轉(zhuǎn)一周為207 mm，比較圖13(a)與13(b)位移變化，從左至右可以看出分別黏貼了1層、2層、3層膠帶紙?zhí)幍奈灰?，與實(shí)際情況完全一致。由于丙烯管的厚度不均、變形等因素影響，圖13(a)，(b)位移的整體起伏大約為0.4 mm。

圖13 配管內(nèi)側(cè)測量位移關(guān)系曲線與未貼膠帶紙位移關(guān)系曲線

3 結(jié)論

在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行配管管壁厚度測量，當(dāng)使用2 MHz的空氣耦合點(diǎn)聚焦探頭，溫度變化為0.1 ℃時，空氣耦合超聲波位移檢測的精度能夠達(dá)到0.01 mm。通過對管壁內(nèi)部測量和外側(cè)測量的比較，準(zhǔn)確地檢測了厚度僅為60 μm的位移，并確認(rèn)了厚度的改變帶來的位移變化。另外，利用長聚焦束的點(diǎn)聚焦探頭，通過配置45°反射楔塊檢測了小管徑的配管內(nèi)部的位移和臺階。試驗(yàn)結(jié)果表明，高精度的位移測量建議使用第一回波的第一和第二峰值，還要求換能器有較高的穩(wěn)定性。

試驗(yàn)證明，空氣耦合超聲檢測系統(tǒng)對距離的變化非常敏感，檢測結(jié)果可靠，檢測精度高。其還可應(yīng)用于柱體管的偏心距等距離的測量中，并且能夠根據(jù)不同的實(shí)際情況搭建不同的檢測模型，具有很好的實(shí)際應(yīng)用前景和價值。