防水卷材厚度測量分析
----基于TM130和激光位移傳感器

陳俏葦， 朱亞超，龔 力， 何 濤

(1 湖北省現代制造質量工程重點實驗室， 湖北 武漢 430068；2 湖北工業大學電氣與電子工程學院， 湖北 武漢 430068；3 湖北工業大學機械工程學院，湖北 武漢 430068)

超聲檢測利用材料本身內部缺陷的聲學性質對超聲波傳播的影響，非破壞性地探測材料表面和內部缺陷(如裂紋、氣泡、夾渣等)的大小、形狀和分布狀況以測定材料的性質．與其他檢測方法相比，超聲檢測具有穿透能力強、靈敏度高、對人體無傷害等優點．防水卷材作為建筑工業領域里的一種重要工業材料，在橋梁、隧道、農業水利和交通運輸等領域應用十分廣泛，其測量厚度的要求也越來越高．本文采用了數字超聲測厚儀和激光位移傳感器相結合的測量方法，首先使用激光位移傳感器精確測量防水卷材的厚度，再用TM130數字超聲檢測儀測量其聲速值．在已知聲速的情況下，對同一種防水卷材通過比較測量，用超聲測厚儀就可以很方便地測量出厚度值．

1 系統組成及測量原理

1.1 TM130數字超聲測厚儀測量原理

TM130是一種智能化手持式超聲波測厚儀，采用微處理器控制，利用超聲波測量原理，能夠快速、無損傷、精確地測量多種材料[1]．凡是超聲波能以恒定波速傳播且對背面產生的反射波可分辨的各種材料均適用于此儀器．該儀器顯示最小單位為0.1 mm，工作頻率為5 MHz，測量范圍為1～225.0 mm，測量誤差為(±1% )×H+0.1 mm，H為被測物實際厚度．圖1為TM130測量實物圖．

圖 1 TM130超聲測厚儀測量實物圖

測厚儀由發射電路、接收電路、高頻震蕩器、計數門、計數器、中央處理器、鍵盤、顯示器等部分組成．其原理與光波測量原理相似．探頭發射的超聲波脈沖到達被測物體并在物體中傳播，到達材料分界面時被反射回探頭，通過精確測量超聲波在材料中傳播的時間來確定被測材料的厚度(圖2)．

圖 2 超聲測厚儀系統框圖

1.2 激光位移傳感器測量原理

激光位移傳感器采用三角法非接觸測量物體位移和厚度：

用一束激光以某一角度聚焦在物體表

面，然后從另一角度對物體表面上的激光光斑進行成像，物體表面激光照射點的位置不同，所接受散射或反射光線的角度也不同．用CCD測出光斑像的位置，即可計算出物體面激光照射點的位置[2]．當物體與激光線發生相對移動時，測量結果就將發生改變，從而實現用激光測量物體的位移．其測量原理如圖3所示．

圖 3 激光位移傳感器測量原理圖

激光發射與接收由感測頭來完成．感測頭在激光位移控制器的控制下發射一定頻率的激光，并將接受到的反射激光信號傳輸到控制器，感測器的LED燈會顯示當前的測量狀態：當發光為綠色或橙色時，表示在測量范圍內，此時會在控制器上顯示當前測量值；當發光為紅色時，表示在測量范圍之外，有警報或者激光滅．感測探頭的探測范圍如圖4所示，其中測量范圍取決于反射方式和取樣率．

圖 4 感測探頭示意圖

圓括號內的是當前取樣率為20 μs時的數值

2 測量結果與誤差分析

2.1 測量結果

測量時選用的控制器型號為LK-GD500，最多可連接兩個感測頭，精確到0.01μm，可顯示范圍為±9 999.99 mm到±9 999.99 μm，顯示周期為10 次/s，自帶的RS232和USB接口可以方便地與主機通訊，并儲存和打印測量值；感測頭選用的型號為LK-G10，其參照距離為10 mm，測量范圍±1 mm，采用紅色半導體激光作為光源，取樣率為20、50、100、200、500、1000 μs，可在6步當中選擇．系統測量實物圖如圖5所示．

(a)測量環境

(b)基準點選取圖 5 激光測量實物

測量時選取一基準點a0，在不同的厚度上分別選取兩個測量點b1、b2和c1、c2，依次測量其與基準點的高度差，表1為測量值[3]．

表1 激光位移傳感器測量值

表2為TM130數字超聲測厚儀在相同條件下的測量值(c1、c2與a0的高度差)．

表2 TM130數字超聲測厚儀測量值

由激光測量儀獲得的數據結合超聲測厚儀，可得防水卷材聲速值v1=525 m/s．

誤差值在允許的范圍內．

2.2 影響系統測量精度的因素

1)TM130測厚儀本身的測量精度和耦合劑的選用，直接影響最后誤差的精度．

2)激光位移傳感器本身的測量精度，以及安裝感測頭時與被測物體(防水卷材)不垂直，是影響系統誤差主要因素．此外，兩儀器的測量精度不一樣，會影響誤差的精度范圍．

3) 防水卷材涂層不均勻導致測量同一點時激光定位不一致，也會影響最終的測量結果．

3 結論

根據不同的材料和測量精度，可選取不同測量范圍的感測頭實現測量，在已知聲速的情況下，使用數字超聲測厚儀實現防水卷材的厚度測量．該方法對其他難以用接觸式測量方法的材料亦適用．

[參考文獻]

[1] 柯細勇,王占元,楊劍峰,等.一種新型便攜式超聲波測厚儀的設計[J].傳感器與微系統，2011，30(12)：119-125.

[2] 朱萬彬.激光位移傳感器在物體表面形狀測量中的應用[J].光機電信息，2010，27(10):70-72．

[3] 楊練根.互換性與技術測量[M].武漢：華中科技大學出版社，2010：107-108.